曹繼華，梁 偉，劉 杰，姚慧雄，向曉燕

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000)

0 引言

近年來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和控制理論的進一步發(fā)展，四旋翼飛行器已發(fā)展成為集軍用，商用，民用于一體的多功能無人駕駛工具，并不斷有新的功能加載到它的上面[1]。

本設(shè)計使用了R5F523T5ADFM單片機作為四旋翼飛行器的控制核心，在對獲取的圖像數(shù)據(jù)進行分析后，結(jié)合PID控制算法，通過編程，仿真和反復(fù)的調(diào)試，最終實現(xiàn)了四旋翼飛行器對地面運動目標跟蹤飛行的功能。

1 四旋翼飛行原理

四旋翼飛行器的四個旋翼都位于同一水平面，飛行器通過控制旋翼上四個電機的轉(zhuǎn)速來改變旋翼升力的大小，從而實現(xiàn)四旋翼飛行器姿態(tài)穩(wěn)定。相鄰位置螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，正好抵消了四旋翼飛行器的正反力矩，因此可以保證四個電機同時轉(zhuǎn)動而機身不轉(zhuǎn)動。當某兩個相鄰的電機轉(zhuǎn)速減小而另一對相鄰電機轉(zhuǎn)速增大，則會產(chǎn)生向某個方向運動的速度[2]。本設(shè)計通過測量器件感知飛行器姿態(tài)發(fā)生變化，將測量到的姿態(tài)信息發(fā)送到處理器處理，經(jīng)過控制器解算后輸出到執(zhí)行機構(gòu)，控制了電機的轉(zhuǎn)速，使得飛行器按照期望的姿態(tài)穩(wěn)定飛行。由于采用的是負反饋閉環(huán)控制，所以整個四旋翼飛行器系統(tǒng)會逐漸趨向于穩(wěn)定的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計

硬件平臺設(shè)計主要采用兩塊R5F523T5ADFM單片機和若干傳感器，其中一塊R5F523T5ADFM芯片與姿態(tài)傳感器模塊構(gòu)成飛行控制板，主要對飛行器的飛行姿態(tài)進行控制。另一塊R5F523T5ADFM芯片與測距傳感器模塊，圖像傳感器模塊構(gòu)成導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理板，將傳感器原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后上傳到飛行控制板，從而對飛行器實現(xiàn)導(dǎo)航。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 主控芯片的選擇

本系統(tǒng)的硬件平臺采用R5F523T5ADFM單片機作為控制核心，其具有一個32bit的CPU核心,4Gbyte尋址空間，內(nèi)含16個通用寄存器，10個控制寄存器，2個72位累加寄存器，最高系統(tǒng)時鐘可達40MHz。同時該芯片集成了128KbyteROM，12KbyteRAM，以及各種片上外設(shè)。具有豐富的接口以滿足與各種傳感器的連接通信，和較強的性能使得從傳感器采集的數(shù)據(jù)得到實時處理。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊的選擇

采用MPU9250芯片內(nèi)置的三軸加速度計，三軸陀螺儀以及三軸磁力計獲取原始姿態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)解算后得到飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù)。其中陀螺儀可編程其量程為（±250，±500，±1000度/秒），可進行三軸（x，y，z）16位ADC角速度數(shù)字輸出。加速度計可編程其量程為（±2g，±4g，±8g，±16g），可進行三軸16位ADC加速度數(shù)字輸出。

2.3 測距傳感器模塊的選擇

采用KS103超聲波模塊對飛行器飛行高度進行測量。該超聲波模塊包含實時溫度補償?shù)木嚯x探測，具有高探測精度。探測 頻率可達500Hz，使用 I2C/串口串口接口與主機通信，自動響應(yīng)主機的I2C/串口串行口控制指令，短距探測量程由10cm、20cm、……、至470cm，能滿足快速近距離探測，從而實現(xiàn)室內(nèi)實時處理高度數(shù)據(jù)。

2.4 圖像傳感器模塊的選擇

采用曝光芯片為OV7725，包含一塊AL422B板上FIFO芯片的攝像頭模塊。OV7725感光芯片在低光照情況下也具有高靈敏度，標準的SCCB通信接口，支持RGB彩色模式數(shù)據(jù)輸出，同時具有幀同步能力，采集的彩色圖像數(shù)據(jù)通過8位并口傳輸給單片機，具有滿足實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，且保證圖像信息采集的完整度。用來為飛行器采集地面圖像信息，從而使飛行器得以在室內(nèi)實現(xiàn)循跡飛行，跟蹤飛行和定點懸停。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 循跡模塊算法設(shè)計

為了保證飛行器能夠?qū)崟r有效的獲取目標的位置信息，考慮采用機器視覺的方法對運動目標進行定位[3]。采用一塊R5F523T5ADFM單片機進行導(dǎo)航控制。導(dǎo)航板通過視覺傳感器獲取地面的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的控制算法處理后得到小車和圓心位置信息[5]，并通過串口發(fā)送給飛控主控芯片從而達到循跡的效果。

3.1.1 圖像獲取

為了能夠更準確的獲取飛行器當前狀態(tài)下的所掃描到的賽道信息，將攝像頭傳感器安裝在飛行器下方的中間位置。配置ov7725攝像頭的寄存器，將其輸出窗口設(shè)置成60*80，并且能夠自動調(diào)節(jié)邊緣的增強、自動調(diào)節(jié)噪聲的抑制。同時單片機配置相應(yīng)的輸入輸出端口和中斷觸發(fā)源，根據(jù)攝像頭傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的場同步信號和行同步信號進行圖像采集并保存到緩存區(qū)。

賽道是由黑色和白色兩種背景顏色組成，故采集時可將圖像二值化為0和1兩種數(shù)值(0為黑色，1為白色)，以便于數(shù)據(jù)的保存和處理。數(shù)學(xué)表達式如公式⑴。

閥值(Threshold)用來把目標和背景區(qū)分開。由于賽道背景顏色單一，故可以通過采集幾幀不同狀態(tài)下的圖像用來提取靜態(tài)閾值。

3.1.2 目標識別算法

從采集的圖像中計算出目標物體的位置信息是飛行器自主飛行過程中核心的部分，目標檢測識別算法設(shè)計思路如圖2所示，主要分為以下三步。

⑴ 構(gòu)造一個虛擬的初始為3*3的方形矩陣模板，矩陣的大小可以根據(jù)掃描的層數(shù)N(初始值為1)擴展，定義一個數(shù)組分別記錄矩陣四個角位置相對于矩陣中心的偏移量。

⑵ 對輸入的二值圖像進行遍歷，當掃描到黑點（數(shù)值信息為0）時，則以該像素點的位置為基點，匹配步驟⑴中的矩陣模板，判斷四個角位置的像素點是否為黑點。若都為黑點，則增加層數(shù)(N+1)，擴展虛擬矩陣并更新數(shù)組的值繼續(xù)判斷，直到遇到白點(數(shù)值信息為1)結(jié)束，同時記錄當前掃描的層數(shù)和基點的位置。

⑶ 對每次得到的層數(shù)的大小進行比較，取最大層數(shù)所對應(yīng)的基點位置則是圓心。

圖2 目標檢測算法流程圖

3.2 姿態(tài)解算模塊算法設(shè)計

姿態(tài)解算是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)采用的姿態(tài)結(jié)算，采用了四元數(shù)法，設(shè)計思路如圖3所示。姿態(tài)解算得出的姿態(tài)數(shù)據(jù)會發(fā)布給姿態(tài)控制器，控制四旋翼飛行平穩(wěn)。姿態(tài)解算的速度和精度，會直接影響系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。姿態(tài)是用來描述一個剛體的固連坐標系和參考坐標系之間的角位置關(guān)系，常用的姿態(tài)表示方法有：歐拉角、方向余弦矩陣、四元數(shù)表示[4]。相比其他的表示方法，四元數(shù)法計算量小，算法簡單，易于操作，避免了歐拉角的奇異性問題。使用四元數(shù)來更新姿態(tài)，最后轉(zhuǎn)化為歐拉角發(fā)布給姿態(tài)控制器。

圖3 姿態(tài)解算模塊算法

四元數(shù)q=q0+q1i+q2j+q3k，歐拉角、方向余弦矩陣、四元數(shù)的關(guān)系如公式⑵。

陀螺儀測量角速度，具有高動態(tài)性，受溫度和電壓影響產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象，離散采樣產(chǎn)生累積誤差。加速度計的低頻特性好，可以測量低速狀態(tài)下的加速度。結(jié)合兩者的優(yōu)點，姿態(tài)解算的算法為：根據(jù)加速度計數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換到地理坐標系后，與對應(yīng)參考的重力向量進行求誤差，這個誤差用來校正陀螺儀的輸出，然后用陀螺儀數(shù)據(jù)進行四元數(shù)更新，再轉(zhuǎn)換到歐拉角。

四元數(shù)姿態(tài)更新采用一階畢卡算法進行，如（公式3）所示。其中Δt代表采樣時間間隔，ωxb、ωyb、ωzb為載體坐標系下的角速度。

3.3 控制器設(shè)計

本系統(tǒng)采用串級PID控制，包括位置控制環(huán)和姿態(tài)控制環(huán)，姿態(tài)控制環(huán)內(nèi)部又采用了雙環(huán)PID，內(nèi)回路為姿態(tài)角速度PID控制，外環(huán)為姿態(tài)角度P控制。遙控器或者上位機設(shè)定期望位置后，位置PID回路計算出所需的姿態(tài)角，送給姿態(tài)控制環(huán)，姿態(tài)控制環(huán)計算電機控制量，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的PWM波輸入給電機。系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖

4 飛行試驗結(jié)果

⑴ 起飛捕獲能力測試

測試方式：飛行器平穩(wěn)放置水平面，小車靜止于飛行器正前方一米處，飛行器一鍵起飛向前飛行，當捕獲到小車位置時，懸停于小車正上方。飛行器起飛速度與小車位置捕獲之間的關(guān)系如表1所示。

表1 起飛捕獲能力測試

分析：飛行器需要以一個合適的速度飛向小車，若速度太快不容易懸停于小車上，若太慢則容易偏離小車所在方向。

⑵ 跟蹤飛行能力測試

測試方式：在起飛捕獲到小車位置并懸停于小車上方之后，小車開始運動，觀察飛行器跟蹤小車的飛行情況。飛行器跟蹤能力與小車運動速度之間的關(guān)系如表2所示。

表2 跟蹤飛行測試

分析：跟蹤飛行時，小車的運動速度不宜太快，否則飛行器難以及時調(diào)整飛行方向，會失去對小車的跟蹤。最終測試效果如圖5所示。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的飛行器及控制系統(tǒng)對地面運動目標可實現(xiàn)穩(wěn)定、實時及精確的跟蹤飛行。

圖5 系統(tǒng)測試效果圖

5 結(jié)束語

該四旋翼飛行器探測跟蹤系統(tǒng)是基于兩塊R5F523T5ADFM單片機，一塊進行姿態(tài)解算及飛行控制，另一塊進行圖像數(shù)據(jù)處理并計算出運動目標位移信息，通過UART接口實現(xiàn)雙機通信。再結(jié)合相應(yīng)的控制算法進行解算，輸出到執(zhí)行機構(gòu)，改變電機轉(zhuǎn)速，完成四旋翼飛行器跟蹤地面運動小車的運動控制。無人機自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)合了傳感器、控制理論、空氣動力學(xué)、電機學(xué)、圖像處理等多門學(xué)科的最新理論和實踐技術(shù)，其應(yīng)用前景相當廣闊。將無人機運用到地面移動目標的跟蹤中，能有效克服傳統(tǒng)視覺跟蹤監(jiān)控范圍限制、目標易丟失等問題，是視覺跟蹤理論當前的研究熱點。為提高系統(tǒng)的實用性，未來將在擾動作用下對飛行器穩(wěn)定性及跟蹤速度、精度等方面進一步研究。

參考文獻(References):

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