崔曉康+高潤(rùn)秋+王芮+莊志鵬

【摘 要】本文主要是介紹基于二值化攝像頭OV7725四旋翼自動(dòng)追蹤目標(biāo)的控制研究。本案例采用STM32F407RBT6作為整個(gè)系統(tǒng)的主控板，采用SBUS協(xié)議對(duì)四旋翼進(jìn)行控制。MK60DN512ZVLQ10作為圖像處理的處理芯片，把攝像頭采集到的圖像硬件化為二值圖像后，再回傳信息給STM32F407做控制處理。除此之外，STM32F407上還外接超聲波，電子羅盤，LC12S外設(shè)模組用來控制四旋翼的高度，方位。

【關(guān)鍵詞】MK60；STM32；Pixhawk飛控板；LC12S；SBUS協(xié)議；OV7725

一、引言

四旋翼飛行器一直以來都是國內(nèi)外航空領(lǐng)域類研究的熱點(diǎn)，四旋翼與其他多旋翼相比，控制直觀，只需要控制四個(gè)電機(jī)調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)而平衡四個(gè)螺旋槳的升力來實(shí)現(xiàn)空中準(zhǔn)確懸停和精確飛行[1]。導(dǎo)航系統(tǒng)是四旋翼組成的關(guān)鍵部分，它分為室外導(dǎo)航，室內(nèi)導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航。對(duì)于室外導(dǎo)航，可以通過GPS來實(shí)現(xiàn)四旋翼的室外定位，巡航等功能。對(duì)于室內(nèi)導(dǎo)航，我們主要采用視覺導(dǎo)航。由于四旋翼由STM32F407控制，其最大速率只有168Mhz，不能夠用采用一般圖像處理算法，因此我們選用具有硬件二值化的攝像頭來完成視覺導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航，主要用于檢測(cè)四旋翼飛行器自身姿態(tài)進(jìn)而穩(wěn)定自身姿態(tài)。對(duì)于上述三種導(dǎo)航方式，我們需要根據(jù)實(shí)際的需要做具體的調(diào)整。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

STM32F407時(shí)ST公司2012年初推出的基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力的高性能32位處理器，也采用成熟的90nmNVM工藝，自適應(yīng)實(shí)時(shí)閃存加速器（ART加速器）以及多層總線協(xié)議[2]。改芯片主頻可以達(dá)到168Mhz，擁有豐富的USART，I2C，SIP，CAN，ADC ，TIM，GPIO等外設(shè)接口并且與其他Cortex-M系列兼容。在整個(gè)四旋翼控制系統(tǒng)中，HC-SR04配合光流模塊實(shí)現(xiàn)四旋翼的定高定點(diǎn)；通過JTAG接口，實(shí)現(xiàn)STM32F407代碼調(diào)試和燒錄；USART2與LC12S無線透?jìng)髂K相連，用于回傳STM32F407的SBUS通道參數(shù)，飛行高度，羅盤數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)，上位機(jī)也可以向STM32F407下發(fā)控制指令；MK60將圖像二值化后，把所需的信息回傳到STM32F407主控板上；通過I2C接口，主控板讀取GY-29電子羅盤數(shù)據(jù)，確認(rèn)飛機(jī)航偏角；最后主控板通過軟件模擬SBUS協(xié)議將通道控制數(shù)據(jù)下發(fā)到Pixhaw飛控板。

三、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)全部采用C語言開發(fā)，主控板STM32F40在Keil4.70集成開發(fā)環(huán)境使用STM32F4xx_StdPeriph_lib v1.0.2.7 標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行開發(fā)，圖像處理板MK60在IAR6.0下進(jìn)行開發(fā)，采用野火嵌入式工作室建立的野火Kinetis庫。采用固件庫進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)效率高，代碼可讀性強(qiáng)。

（一）主控板STM32控制流程圖

首先初始化STM32中斷向量控制器，配置各個(gè)外設(shè)中斷優(yōu)先級(jí)；將PA0設(shè)置成輸出，通過軟件模擬SBUS協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)；軟件初始化USART2，USART3，USART2作為主控板STM32數(shù)據(jù)回傳口以及緊急指令接受口，USART3則用來與MK60通信；在解鎖前，先讀取GY-29磁偏角，其值為四旋翼初始方向角度；定時(shí)器2配置成輸入捕獲模式，PB3配置成定時(shí)器2輸入捕獲引腳，用來捕獲超聲波的數(shù)據(jù)脈沖。；定時(shí)器3配置成定時(shí)模式，用于控制四旋翼飛行總時(shí)間。在完成飛行控制流程算法如下：

第一步：四旋翼解鎖；第二步：四旋翼起飛定高；第三步：四旋翼定高定點(diǎn)結(jié)束，開啟定時(shí)器，等待串口3收到攝像頭指令；第四步：對(duì)方向向量進(jìn)行處理，修改飛機(jī)通道控制參數(shù)；第五步：通過SBUS協(xié)議將通道控制數(shù)據(jù)發(fā)送到Pixhaw飛控板。

（二）MK60控制流程圖

MK60設(shè)置中斷向量控制表，初始化ADC，配置串口0，串口2，串口0用來與上位通信，串口2用來與主控板STM32通信。做圖像處理算法時(shí)，首先是要配置像素點(diǎn)的有限范圍，硬件二值化攝像頭的相對(duì)閾值；第二步是設(shè)置圖像原點(diǎn)坐標(biāo)；第三步讀取圖像，每讀取完一幀圖像進(jìn)行行掃描，找出閾值內(nèi)黑點(diǎn)；第四步計(jì)算方向向量，然后將該幀方向向量發(fā)送給主控板。

四、四旋翼飛行測(cè)測(cè)試結(jié)果

本次飛行是獨(dú)立于遙控器飛行。在整個(gè)過程中，四旋翼運(yùn)行平穩(wěn)，能夠很好的識(shí)別黑色物體，并懸在物體上方一米處，當(dāng)移動(dòng)貼有黑圓的板子時(shí)，飛機(jī)跟著物體前行，直到定時(shí)結(jié)束降落。本次實(shí)驗(yàn)飛行動(dòng)作流程，四旋翼沒有出現(xiàn)失控等情況。

五、結(jié)語

本文通過理論和實(shí)際飛行效果實(shí)現(xiàn)了四旋翼的自動(dòng)追蹤。對(duì)于微處理器，采用二值化攝像頭進(jìn)行圖像處理方式是一種很實(shí)用的機(jī)器視覺處理方式。本文所描述的追蹤處理算法是基于二值化圖像，我們下一步的工作方向可以朝著對(duì)彩色圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)四旋翼在復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)追蹤。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 四旋翼飛行器軌跡及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤控制研究；張佳；燕山大學(xué)；2016

[2] STM32F40xxx、STM32F41xxx、STM32F42xxx、STM32F43xxx基ARM內(nèi)核的32位高M(jìn)CU參考手冊(cè)；ST公司；2012

[3] K60 Sub-Family Reference Manual Supports： MK60DN256ZVLQ10， MK60DX256ZVLQ10，MK60DN512ZVLQ10， MK60DN256ZVMD10， MK60DX256

ZVMD10，MK60DN512ZVMD10

[4]Document Number： K60P144M100SF2RM；2011