孫一力，甄子洋，王新華

（南京航空航天大學(xué) 江蘇 南京 211106）

基于視覺的四旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究

孫一力，甄子洋，王新華

（南京航空航天大學(xué) 江蘇 南京 211106）

針對四旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤這一問題，提出并設(shè)計(jì)了一套基于視覺的四旋翼直升機(jī)系統(tǒng)和方法。首先，在Matlab中對四旋翼直升機(jī)建模仿真，使用經(jīng)典PID控制算法設(shè)計(jì)位置回路和姿態(tài)回路；其次，設(shè)計(jì)了一套基于視覺的四旋翼直升機(jī)硬件系統(tǒng)，主要包括飛行控制模塊、機(jī)載視覺模塊等；最后，針對上述硬件，設(shè)計(jì)了四旋翼直升機(jī)的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于視覺的目標(biāo)識別及跟蹤控制方法。通過多次飛行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，表明該方法可以很好的解決多旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤這一問題。

四旋翼直升機(jī)；飛行控制；計(jì)算機(jī)視覺；目標(biāo)跟蹤

多旋翼直升機(jī)是一種結(jié)構(gòu)簡單、可垂直起降、易于控制的無人飛行器。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多旋翼直升機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，深入到如森林防火、電力巡檢、難民搜救等領(lǐng)域中。由于人類從外界獲取的信息中，有80%左右是通過視覺獲得的[2]，因此具有視覺功能的多旋翼直升機(jī)成為了其發(fā)展的主要趨勢。

在無人機(jī)視覺導(dǎo)航方面，歐美一直處于世界的領(lǐng)先地位。文獻(xiàn)[3]和[4]中，都提出了一種可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)跟蹤移動目標(biāo)并降落的機(jī)載無人視覺方法。在國內(nèi)，許多高校也針對基于計(jì)算機(jī)視覺的無人機(jī)目標(biāo)跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究。北京航空航天大學(xué)[5]提出了一種提出了一種面向無人機(jī)視頻影像的目標(biāo)特征跟蹤模型，獲得良好跟蹤效果的同時可滿足實(shí)時處理要求。西北工業(yè)大學(xué)[6]針對無人機(jī)由于受機(jī)載攝像條件及數(shù)據(jù)傳輸時延等因素，造成跟蹤結(jié)果實(shí)時性不高、目標(biāo)被遮擋時易丟失的問題，提出一種基于M-APF（Meanshift-Auxiliary Particle Filter）的無人機(jī)運(yùn)動目標(biāo)跟蹤算法。以上文獻(xiàn)中提到的方法雖然都實(shí)現(xiàn)了基于視覺的目標(biāo)跟蹤，但均未搭載在真實(shí)的無人機(jī)上進(jìn)行試飛試驗(yàn)。

文中給出了一種基于視覺的四旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤的方法，針對四旋翼直升機(jī)建模仿真，使用經(jīng)典的PID控制算法設(shè)計(jì)位置回路和姿態(tài)回路，并設(shè)計(jì)了一套用于實(shí)際試飛的軟硬件平臺和快速捕捉運(yùn)動目標(biāo)的圖像處理算法，進(jìn)行了試飛試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，表明以上方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)多旋翼直升機(jī)對移動目標(biāo)的跟蹤。

1 建模與控制律設(shè)計(jì)

1.1 動力學(xué)建模

為能夠準(zhǔn)確的描述無人機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，如姿態(tài)角、飛行速率、飛行航點(diǎn)等數(shù)據(jù)信息，首先要建立適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，以作為描述以上數(shù)據(jù)信息提供唯一的依據(jù)。通常，在飛行控制系統(tǒng)中使用地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)模型

由牛頓第二定律可得，四旋翼無人機(jī)的動力學(xué)方程可表達(dá)為以下向量形式：

考慮到嵌入式控制系統(tǒng)的實(shí)際控制需要，將模型簡化后，可認(rèn)為無人機(jī)受到的力和力矩包括旋翼升力、重力、反扭矩、陀螺效應(yīng)等，并且認(rèn)為升力系數(shù)是常數(shù)。整理可得四旋翼直升機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：

1.2 四旋翼控制律設(shè)計(jì)

經(jīng)典的PID控制是在實(shí)際工程中應(yīng)用最廣泛的一種方法，它具有簡單易實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣、魯棒性能好等優(yōu)點(diǎn)。本文在以上所設(shè)計(jì)的四旋翼直升機(jī)模型的基礎(chǔ)上，分別針對姿態(tài)控制回路、位置控制回路設(shè)計(jì)了基于PID的控制律算法。

四旋翼直升機(jī)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制結(jié)構(gòu)框圖

1.2.1 姿態(tài)回路控制律設(shè)計(jì)

姿態(tài)回路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是使四旋翼直升機(jī)的飛行姿態(tài)能夠與期望的姿態(tài)保持一致，即滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角均與期望值一致。由于去掉了各個通道之間的耦合影響，故針對四旋翼直升機(jī)姿態(tài)回路中的三個通道分別控制律進(jìn)行設(shè)計(jì)。定義[φd，ψd，θd]T為期望的姿態(tài)角，[φ，ψ，θ]T為實(shí)際測量的姿態(tài)角，[p，q，r]T為實(shí)際測量的姿態(tài)角速度，為實(shí)際測量的姿態(tài)角加速度，設(shè)計(jì)的控制量為

1.2.2 位置回路控制率設(shè)計(jì)

同理，位置回路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是使四旋翼直升機(jī)各個方向的位移量與期望的位移量保持一致。分別針對四旋翼直升機(jī)位置回路中的三個通道分別控制律進(jìn)行設(shè)計(jì)。定義為期望的位置信息，為實(shí)際測量的位置信息，為實(shí)際測量的速度信息，設(shè)計(jì)的控制量為：

2 四旋翼直升機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本機(jī)構(gòu)

四旋翼無人直升機(jī)的硬件模塊可以分為主控模塊、電源模塊、傳感器模塊、視覺導(dǎo)航模塊、無線通信模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。如圖3所示，為四旋翼無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 飛控系統(tǒng)原理框圖

2.2 傳感器選型

具體的硬件選型是由性能要求和經(jīng)費(fèi)限制等因素決定。本文選用ArduPilotMega（APM）作為飛控系統(tǒng)，其具有開源的飛行控制程序，還集成了多種飛控系統(tǒng)所必須的傳感器。傳感器模塊主要是選取合適的傳感器型號，能夠較為精準(zhǔn)地采集到的需要的信息。無線通信模塊采用與APM飛控配套的3DR數(shù)傳模塊，傳輸頻率為433 MHz，室外最大傳輸距離為700 m，使用UART接口輸出數(shù)據(jù)。電源模塊的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：輸入電壓范圍、最大輸入電流和功率，輸出電壓的功率和種類，除此之外，還應(yīng)考慮電磁干擾、紋波、體積和成本等因素。動力器件的選型主要取決于對多旋翼的最大載重能力、續(xù)航時間與機(jī)動性的要求。

3 四旋翼直升機(jī)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 飛控軟件設(shè)計(jì)

四旋翼無人直升機(jī)的軟件模塊可以分為系統(tǒng)硬件初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制解算模塊、無線通信模塊和電機(jī)控制模塊。初始的飛行控制軟件的總體流程如圖4所示。其執(zhí)行周期為10 ms，完成數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)解算、計(jì)算PID輸出量、設(shè)置PWM輸出等任務(wù)。

3.2 視覺識別及跟蹤設(shè)計(jì)

目標(biāo)的識別及跟蹤采用計(jì)算機(jī)視覺的方法，主要包括圖像獲取、圖像識別和目標(biāo)定位3個部分。本文所選用的目標(biāo)特征圖案設(shè)計(jì)為紅色的凸型，如圖3所示?；谝陨系奶卣鲌D案，本文采用一種基于顏色和形狀特征的快速識別動態(tài)目標(biāo)算法，首先捕捉指定的顏色，然后對特征圖案進(jìn)行匹配，最終獲得目標(biāo)的運(yùn)動信息，圖像處理的流程圖如圖4所示。該圖像處理是基于開源的圖像處理庫函數(shù)OPENCV實(shí)現(xiàn)的。

圖4 飛行控制軟件總體流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對以上提出的基于視覺的四旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤的方法，本文進(jìn)行了實(shí)際飛行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用SkyKnight X4-700模型四旋翼直升機(jī)，移動目標(biāo)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)時，為了保證攝像頭始終朝下且不受機(jī)體運(yùn)動的影響，將其安裝在兩軸云臺上。假設(shè)攝像頭的坐標(biāo)系原點(diǎn)與機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，即視野坐標(biāo)系的XY軸與機(jī)體XY軸重合。

圖7給出了實(shí)際飛行時四旋翼直升機(jī)與機(jī)器人之間的相對誤差曲線。

圖5 目標(biāo)及特征圖案

圖6 圖像處理算法流程圖

圖7 相對誤差曲線

首先，通過該圖可以看出，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)很快，穩(wěn)定后有穩(wěn)態(tài)誤差，但不會發(fā)散。其次，該曲線的誤差范圍在范圍內(nèi)，但實(shí)際跟蹤效果卻好。分析原因，曲線誤差無法減小的原因有以下幾點(diǎn)視覺處理模塊與飛控系統(tǒng)之間的傳遞延時、視覺處理模塊坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時存在誤差等。實(shí)驗(yàn)表明基于機(jī)器視覺視覺引導(dǎo)的小型無人直升機(jī)跟蹤移動目標(biāo)可以很好的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了其工程實(shí)現(xiàn)的可行性。

5結(jié) 論

文中實(shí)現(xiàn)了基于視覺的四旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤，從整體方案設(shè)計(jì)到具體實(shí)現(xiàn)給出了較為詳細(xì)的過程。針對四旋翼直升機(jī)建模仿真，使用經(jīng)典的PID控制算法設(shè)計(jì)位置回路和姿態(tài)回路，并設(shè)計(jì)了一套用于實(shí)際試飛的軟硬件平臺和快速捕捉運(yùn)動目標(biāo)的圖像處理算法，進(jìn)行了試飛試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，表明以上方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)多旋翼直升機(jī)對移動目標(biāo)的跟蹤。本文提出的基于視覺的四旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤的方法，不僅驗(yàn)證了多旋翼直升機(jī)目標(biāo)跟蹤工程上的可行性，并且為實(shí)現(xiàn)移動平臺降落打下基礎(chǔ)。

[1]陳琦.四旋翼無人直升機(jī)先進(jìn)飛行控制方法及實(shí)現(xiàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.[2]朱偉.基于視覺的四旋翼飛行器目標(biāo)識別及跟蹤[D].南京南京航空航天大學(xué)，2014.

[3]Choi Jay Hyuk，Lee Won-Suk，Bang Hyochoong.Helicopter guidance for vision-based tracking and landing on a moving ground target[C].International Conference on Control，Automation and Systems，2011：867-872.

[4]Sconyers Christopher，RaptisIoannis A，VachtsevanosGeorge J.Rotorcraft control and trajectory generation for target tracking[C].Mediterranean Conference on Control and Automation.2011：1235-1240.

[5]張辰，趙紅穎，錢旭.面向無人機(jī)影像的目標(biāo)特征跟蹤方法研究[J].紅外技術(shù)，2015，37（3）:224-229.

[6]席慶彪，董陽霞，劉慧霞.一種基于M-APF的實(shí)時UAV目標(biāo)跟蹤算法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014，26（1）:107-118.

Quad-rotor helicopter target tracking based on computer vision

SUN Yi-li，ZHEN Zi-yang，WANG Xin-hua
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

It is difficult for quad-rotor helicopter to track a target.In this paper，we had a research on the quad-rotor helicopter tracking target based on the computer vision.Firstly，a dynamic model of quadrotor was developed，and a PID controller was designed based on the model.Secondly，the hardware of quad-rotor helicopter was designed，including flight control module and onboard vision module.Finally，the software of quad-rotor helicopter based on computer vision was designed，which made the target tracking based on computer vision was completed.The feasibility was verified during lots of experiments.The results indicated that our technology could be well applied to track target for the quad-rotor helicopter.

quad-rotor helicopter；flight control；computer vision；target tracking

TN108.4

A

1674－6236（2016）18-0159-03

2015-09-26 稿件編號：201509182

江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程（SJLX_0136）

孫一力（1990—），女，山西太原人，碩士研究生。研究方向：多旋翼無人視覺追蹤和控制算法研究等。