楊紅莉,曾憲陽,杜安國,孫 君

(1.南京工程學(xué)院數(shù)理部,南京 211167;2.南京工程學(xué)院工業(yè)中心,南京 211167;3.南京大學(xué)數(shù)學(xué)系,南京 210093;4.太陽雨集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222002;5.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,南京 211167)

飛行器攝像頭模塊設(shè)計(jì)及自適應(yīng)循跡算法研究*

楊紅莉1,3,曾憲陽2,3*,杜安國4,孫 君5

(1.南京工程學(xué)院數(shù)理部,南京 211167;2.南京工程學(xué)院工業(yè)中心,南京 211167;3.南京大學(xué)數(shù)學(xué)系,南京 210093;4.太陽雨集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222002;5.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,南京 211167)

針對四旋翼飛行器循跡較為復(fù)雜、姿態(tài)難以控制的問題,設(shè)計(jì)了一套完整的攝像頭循跡系統(tǒng)模塊。采用獨(dú)立的STM32單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制,提高了工作效率。對循跡路線進(jìn)行了分析簡化,得出四幅場景圖像,給出了判別依據(jù):僅需對圖像橫向掃描然后判斷等差數(shù)列的個(gè)數(shù),以及是否掃描到黑線的情形來判斷區(qū)分四幅圖像,簡化了圖像識(shí)別步驟,提高了程序執(zhí)行效率及可靠性。PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該攝像頭循跡模塊具有較強(qiáng)的自適應(yīng)抗干擾能力。

電子技術(shù);攝像頭模塊;循跡算法;等差數(shù)列;PID調(diào)節(jié)

四旋翼飛行器穩(wěn)定飛行控制是近年來新興的研究方向,特別是飛行器沿黑線穩(wěn)定循跡成為科研工作者研究的熱門話題[1-3],比較典型的循跡路線如圖1所示。飛行器從A區(qū)起飛,沿直線徑直飛至B區(qū);或者飛行器從A區(qū)起飛,沿外環(huán)順時(shí)針方向飛行到達(dá)B區(qū),然后繼續(xù)沿外環(huán)順時(shí)針方向飛回至A區(qū)然后降落。要完成循跡飛行任務(wù),飛行器除了具備穩(wěn)定的姿態(tài)控制系統(tǒng)外,還需具備能實(shí)時(shí)識(shí)別循跡路線的循跡模塊裝置?；诖?本文采用面陣攝像頭OV7670設(shè)計(jì)了一套完整的循跡系統(tǒng),并對循跡算法做了深入研究。

圖1 飛行器典型循跡路線圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

由于攝像頭數(shù)據(jù)量大,會(huì)占用較多的單片機(jī)資源,為防止對上位機(jī)單片機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響,因此本文設(shè)計(jì)的下位機(jī)循跡模塊將采用獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制,并且具有獨(dú)立的按鍵顯示人機(jī)交互系統(tǒng),便于現(xiàn)場參數(shù)調(diào)試等。還設(shè)計(jì)了程序下載接口、上位機(jī)通信接口,DC-DC穩(wěn)壓電源等,因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)的硬件電路原理圖如圖3所示?？紤]到攝像頭數(shù)據(jù)量大,對單片機(jī)處理速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM要求較高,因此選用單片機(jī)STM32F103RET6作為主控芯片[4-5],其工作頻率高達(dá)72 MHz,內(nèi)部RAM為64 kbyte,程序存儲(chǔ)器達(dá)到512 kbyte,因此足夠攝像頭循跡軟件程序運(yùn)行。攝像頭采用當(dāng)前較為流行的OV7670面陣攝像頭,其自帶FIFO數(shù)據(jù)緩沖器,方便圖像數(shù)據(jù)讀取。顯示模塊采用體積較小的0.96 inch OLED顯示模塊,如圖中U1所示,還設(shè)置了4個(gè)LED發(fā)光二極管,用來指示循跡方向左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)前進(jìn)后退等,便于用戶直觀調(diào)試等[6-7]。分別設(shè)置了并行與串口接口,保證了與上位機(jī)通信的靈活性。

圖3 系統(tǒng)硬件電路原理圖

3 程序算法設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集方式

OV系列的攝像頭一般采用SCCB控制時(shí)序與單片機(jī)建立通信[8-9]。由于循跡現(xiàn)場為黑白場景,只需攝像頭輸出亮度信號(hào),因此需將攝像頭配置為YUV格式,然后在軟件中進(jìn)行二值化處理即可。

OV7670攝像頭每幅圖像輸出數(shù)據(jù)量大,共240行,每行320個(gè)像素點(diǎn)。當(dāng)前很多學(xué)者在循跡算法上對圖像分別進(jìn)行了橫向、縱向數(shù)據(jù)掃描,這會(huì)占用CPU大量的時(shí)間,使系統(tǒng)響應(yīng)變慢。本文經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),實(shí)際圖像識(shí)別過程中只需進(jìn)行橫向掃描,且只需要掃描20行數(shù)據(jù)足可滿足圖像識(shí)別要求,如圖4所示,首先將240行數(shù)據(jù)均分成21等分,每隔11行采集一次數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)采樣行間隔均勻的分布在圖像區(qū)域。

圖4 數(shù)據(jù)采集方式圖

3.2 數(shù)據(jù)濾波處理

攝像頭采集到每個(gè)像素點(diǎn)的灰度數(shù)據(jù)為0～255之間的數(shù),單片機(jī)通過二值化處理來判斷該點(diǎn)是白色還是黑色,如果大于200,則認(rèn)為該像素點(diǎn)為白色,用0表示,如果小于200,則認(rèn)為該像素點(diǎn)為黑色,用1表示。但是有時(shí)候由于環(huán)境光照度不均勻等原因,導(dǎo)致采集到的灰度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,以至于輸出結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤,該問題需要在軟件中通過多重濾波措施將錯(cuò)誤信息去除。

首先濾除短孤立點(diǎn)數(shù)據(jù),如圖5所示。反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),飛行器室內(nèi)飛行高度為1 m左右,因此黑線所在數(shù)據(jù)區(qū)寬度一般不小于2.5 byte,如果該行數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)1的個(gè)數(shù)小于2 byte,則可認(rèn)為該數(shù)據(jù)為孤立錯(cuò)誤數(shù)據(jù)1,應(yīng)當(dāng)將其修正為0。

圖5 孤立點(diǎn)干擾數(shù)據(jù)示意圖

環(huán)境干擾引起的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)長度有時(shí)候也可能會(huì)超過2.5 byte(如:環(huán)境大面積光線不均勻問題),這時(shí)應(yīng)當(dāng)從5行掃描的數(shù)據(jù)中進(jìn)行判斷濾除孤立點(diǎn)。飛行器前行,如果第1行有數(shù)據(jù)段不在預(yù)知范圍,并且隨著時(shí)間的推移,后面幾行數(shù)據(jù)中,至少有兩行又沒有出現(xiàn)該段數(shù)據(jù),也應(yīng)當(dāng)濾去,將其修正為0即可。

3.3 數(shù)據(jù)壓縮處理

由于每行320個(gè)像素點(diǎn),每個(gè)像素點(diǎn)占用1 byte的數(shù)據(jù),經(jīng)二值化處理后變成0、1兩種狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)只占用1 byte中的一位,其他7位空閑,因此首先將二值化處理后的數(shù)據(jù)重新按序放置,清除空閑位。處理后320 byte的數(shù)據(jù)變成了320位數(shù)據(jù),也即40 byte數(shù)據(jù),這個(gè)數(shù)據(jù)量仍然較大,會(huì)占用較多的處理時(shí)間。本文繼續(xù)做如下壓縮處理,如圖6所示。將每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)繼續(xù)壓縮成1位數(shù)據(jù),壓縮規(guī)則為:如果該字節(jié)8位數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)超過4個(gè),則該字節(jié)用一個(gè)數(shù)據(jù)位1來表示,否則用一個(gè)數(shù)據(jù)位0來表示。這樣就把40 byte的數(shù)據(jù)壓縮成了40位,即5 byte,單片機(jī)通過處理這5 byte的數(shù)據(jù)來判斷當(dāng)前位置,這種處理方式不僅不會(huì)破壞圖像原態(tài),還會(huì)給CPU快速處理創(chuàng)造條件。

圖6 數(shù)據(jù)壓縮示意圖

3.4 狀態(tài)識(shí)別與判斷[10-11]

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、濾波及壓縮處理后的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確,對其判斷識(shí)別即可得到當(dāng)前飛行器的位置狀態(tài)。對循跡路線圖1分析可知,攝像頭采集到的圖像有以下4種可能的情形,如圖7所示.

圖7 攝像頭采集到的幾種圖像

圖8 圖7(a)的橫向掃描分析圖

軟件系統(tǒng)必須能識(shí)別區(qū)分以上4種圖形,可通過判斷這些圖形線條存在不同斜率的個(gè)數(shù)來區(qū)分。而斜率的區(qū)分可以用等差數(shù)列來判斷,因此首先對以上4種圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向掃描分析,通過各個(gè)位置坐標(biāo)之間形成的數(shù)列是否構(gòu)成等差數(shù)列來判斷區(qū)分以上4種圖形。

攝像頭拍攝到a圖可能的畫面有3種情形,如圖8所示,對其中任一圖像經(jīng)橫向掃描后形成xn數(shù)列:

xn={x1,x2,…x20}

設(shè)Δx1=x1-x2;Δx2=x2-x3;……Δx19=x19-x20,由于圖中的黑線只有一個(gè)斜率,在一定誤差范圍內(nèi)Δx1=Δx2=…=Δx19,因此xn就構(gòu)成了一個(gè)等差數(shù)列,而且等差數(shù)列的個(gè)數(shù)只有一個(gè)。因此a圖的識(shí)別方式為:判斷是否構(gòu)成了唯一一個(gè)等差數(shù)列。

拍攝到b圖可能的畫面情形如圖9所示,其中圖7b-1、圖7b-3由于兩條黑線斜率不同,因此可以掃描到兩組等差數(shù)列。而在無偏角的圖7b-2中,只能掃描到一組等差數(shù)列,但底部會(huì)出現(xiàn)掃描不到黑線的情形,因此也得到了b圖的識(shí)別方法。

同理分析圖7的c圖,如圖10所示。分析可知圖7c-1、圖7c-3均可掃描到4組等差數(shù)列。而在圖7c-2中,可以掃描到3組等差數(shù)列(公差為零),且每條掃描線均可掃描到黑線,因此得到了圖7c圖的識(shí)別方法。

圖9 圖7(b)的橫向掃描分析圖

圖10 圖7(c)的橫向掃描分析圖

分析圖7d圖,如圖11所示。由于存在圓弧,因此圖7d圖采集到的數(shù)據(jù)圓弧段不構(gòu)成等差數(shù)列,因此可通過判斷采集到的數(shù)據(jù)是否構(gòu)成等差數(shù)列來識(shí)別區(qū)分圖7d圖。

因此綜合以上得出4種圖形的區(qū)分方法:當(dāng)圖像掃描數(shù)據(jù)形成的等差數(shù)列為1組,且每條掃描線均掃描到黑線時(shí),則當(dāng)前圖像為a圖;當(dāng)圖像掃描數(shù)據(jù)形成的等差數(shù)列為2組,且每條掃描線均掃描到黑線,或當(dāng)圖像掃描數(shù)據(jù)形成的等差數(shù)列為1組,且存在掃描不到黑線情形時(shí),則當(dāng)前圖像為b圖;當(dāng)圖像掃描數(shù)據(jù)形成的等差數(shù)列多于3組時(shí),則當(dāng)前圖像為c圖;當(dāng)圖像掃描數(shù)據(jù)不構(gòu)成等差數(shù)列時(shí),則當(dāng)前圖像為d圖,如表1所示。

圖11 圖7(d)的橫向掃描分析圖

圖12 PID調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

等差數(shù)列組數(shù)是否全部掃描到黑線判斷結(jié)果1組2組1組3組0組是是否是×a圖b圖b圖c圖d圖

3.5 PID調(diào)節(jié)控制

為保證循跡的穩(wěn)定性,圖像識(shí)別處理后的結(jié)果需要對上位機(jī)飛行器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制[12-14]。將黑線偏離圖像區(qū)域中心的距離作為誤差,采用增量式PID調(diào)節(jié)控制方式,經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出控制參數(shù):KP=15.3,KI=0.01,KD=0.56,代入增量式PID調(diào)節(jié)公式:

Δu(K)=Kp[e(K)-e(K-1)]+KIe(K)+

KD[e(K)-2e(K-1)+e(K-2)]

u(K)=Δu(K)+u(K-1)

圖13 系統(tǒng)響應(yīng)PID調(diào)節(jié)波形圖

將攝像頭模塊采集處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)PC,得出系統(tǒng)響應(yīng)PID調(diào)節(jié)波形如圖13所示。

從圖13可以看出,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏差時(shí),系統(tǒng)將會(huì)快速響應(yīng)并恢復(fù)到平衡位置,說明系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。圖14為系統(tǒng)實(shí)物圖及拍攝效果圖,圖15為飛行器循跡效果現(xiàn)場圖。

圖14 設(shè)計(jì)的攝像頭循跡模塊實(shí)物及拍攝效果圖

圖15 飛行器循跡效果現(xiàn)場圖

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一套完整的飛行器循跡模塊系統(tǒng),為減少對上位機(jī)飛行器的影響,對攝像頭進(jìn)行了獨(dú)立的高速單片機(jī)控制,設(shè)置了按鍵顯示人機(jī)交互界面,可方便進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試。通過對循跡路線分析,得出幾種攝像頭可能采集到的圖像。通過對圖像橫向掃描分析,給出了4種圖像畫面識(shí)別判斷的依據(jù)。通過PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析,系統(tǒng)可以控制飛行器在黑色軌跡線上進(jìn)行循跡,并且系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)抗干擾能力。

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TheDesignofCameraModuleandtheResearchofAdaptiveTrackingAlgorithminVehicle*

YANGHongli1,3,ZENGXianyang2,3*,DUAnguo4,SUNJun5

(1.Department of Mathematics and Physics,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China;2.Industry Center,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China;3.Department of Mathematics,Nanjing University,Nanjing 210093,China;4.Sunrain Co. Ltd.,Lianyungang Jiangsu 222002,China;5.School of Communication Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

In view of the problems in picking up the trail and in controlling the flight attitude,a set of complete camera tracking system module has been designed for the four rotor aircraft. The independent STM32 single chip microcomputer system is used in controlling to improve the efficiency. At first,the route tracking is simplified and analyzed,and then four images are obtained which are the discriminant basis,at last the judgment and distinguish are made to these images on the numbers of the arithmetic progressions and on the scanning situations whether to find the black line on the data. This whole processing improves the efficiency of program execution and ensures the accuracy of the data. The experiments under PID controlling show that the camera module for tracking has strong adaptive judgment ability and control ability.

electronic technology;camera module;tracking algorithm;arithmetic progression;PID control

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.018

項(xiàng)目來源:南京工程學(xué)院創(chuàng)新基金重大項(xiàng)目(CKJA201410);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11701274);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20170760)

2016-11-19修改日期2017-01-13

TP273+.2

A

1005-9490(2017)06-1421-05

楊紅莉(1980-),女,漢族,江蘇靖江人,南京大學(xué)博士后,南京工程學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)樗惴ǚ治雠c設(shè)計(jì),數(shù)學(xué)建模與仿真等,yanghongli1016@163.com;

曾憲陽(1979-),通訊作者,男,漢族,湖北隨州人,南京大學(xué)博士研究生,南京工程學(xué)院教師,主要研究方向?yàn)殡娮优c通信,控制理論與控制工程等,zxy@njit.edu.cn。