具有路徑跟蹤與圖像識(shí)別功能的飛行器系統(tǒng)平臺(tái)的研制

馮強(qiáng) 楊鑫 田曉洋 劉智平 石俊 熊杰

摘 要：無(wú)人機(jī)是一種由無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無(wú)人駕駛飛行器。針對(duì)路徑跟蹤和圖像識(shí)別功能的UAV，我們提出的在線(xiàn)路徑跟蹤與圖像識(shí)別，以STM32F103VCT6作為主控芯片、四元數(shù)算法為解算核心，我們的工作的特點(diǎn)：①GPS定位系統(tǒng)測(cè)得UAV的距離在10米以?xún)?nèi)。②圖像可以實(shí)時(shí)傳回。③圖像傳輸用鷹眼攝像頭，數(shù)據(jù)總線(xiàn)頻率低，傳輸穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；圖像識(shí)別功能；飛行器系統(tǒng)平臺(tái)

1引言

最早的無(wú)人機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)只是作為訓(xùn)練用的靶機(jī)。1955年到1974年的越南戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)被用于執(zhí)行軍事任務(wù)，此后無(wú)人機(jī)在軍事活動(dòng)中的身影頻頻出現(xiàn)，從最初的靶機(jī)到后來(lái)發(fā)展到具有跟蹤、情報(bào)收集、通訊、甚至戰(zhàn)斗的功能。無(wú)人機(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的“千里眼”和“殺手锏”。隨著社會(huì)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也從軍用擴(kuò)展到了民用領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用使得傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生變革，無(wú)人機(jī)是將繁重的體力勞動(dòng)，低效益向解放生產(chǎn)力，高效益轉(zhuǎn)變的重要手段，無(wú)人機(jī)技術(shù)的深入和使用將使現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)耕作變得更高效、更節(jié)約資源。無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)不僅僅是簡(jiǎn)單的飛行，其兼?zhèn)涞呐恼諗z像，運(yùn)輸傳送，定位跟蹤等一系列功能都使得無(wú)人機(jī)成為一個(gè)巨大的工具，全面地為人類(lèi)社會(huì)服務(wù)。本文設(shè)計(jì)研制一臺(tái)具有路徑跟蹤功能的飛行器一架，通過(guò)硬件搭建和軟件配合使得飛行器能夠完成四個(gè)通道的基本飛行，并在飛行器系統(tǒng)上加載GPS模塊，使其具有路徑規(guī)劃和圖像識(shí)別功能。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

在用F450機(jī)架上安裝無(wú)刷電機(jī)，并與無(wú)刷電子調(diào)速器連接，電子調(diào)速器與飛控板輸出控制信號(hào)連接，電池組給飛控板和無(wú)刷電子調(diào)速器供電。

2.2 硬件模塊

飛控板采用Cortex-M3系列的STM32F103VCT6作為主控芯片，傳感器主要使用陀螺儀、加速度計(jì)、地磁傳感器、氣壓高度計(jì)；無(wú)刷電子調(diào)速器；無(wú)刷電機(jī)；電池組；電壓轉(zhuǎn)換模塊；超聲波模塊；遙控器等。

2.3硬件組成

2.3.1飛控板組成元器件：STM32F103VCT6、MPU6050、HMC5883L、MS5611、AT45DB161 Flash芯片、CP2102 串口芯片、JTAG接口

① STM32F103VCT6：32-bit ARM Cortex-M3微控制器，接收不同類(lèi)型的傳感器數(shù)據(jù)和發(fā)送對(duì)無(wú)刷電子調(diào)速器的控制信號(hào)，工作頻率72MHz

② MPU6050：集成了3軸MEMS陀螺儀，3 軸MEMS加速度計(jì)，連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器

③ HMC5883L：數(shù)字接口的三軸弱磁傳感器，測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯，羅盤(pán)精度控制在1°—2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

④ MS5611：采用SPI和I2C總線(xiàn)接口，分辨率可達(dá)10cm的氣壓傳感器

⑤ AT45DB161D-SU：存儲(chǔ)容量為16 Mbit 的Flash存儲(chǔ)芯片

⑥ CP2102：USB轉(zhuǎn)串口芯片

⑦ JTAG接口：JTAG接口用于硬件調(diào)試，方便使用J-Link調(diào)試程序

2.3.2選購(gòu)合適的外圍硬件，搭建飛行器的硬件框架

①機(jī)架大小的估計(jì)計(jì)算公式：槳葉的英寸P，機(jī)架軸距M

（1）

②電調(diào)的選用時(shí)注意大的電流的電調(diào)兼容用在小電流的地方。

③電機(jī)選用時(shí)，一般選擇無(wú)刷電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)力氣大，噪聲小，穩(wěn)定性高。

④槳葉選擇時(shí)與電機(jī)搭配。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1算法控制律設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)四個(gè)裝槳的無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)四旋翼飛行器姿態(tài)，由4個(gè)無(wú)刷電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速組合實(shí)現(xiàn)了四旋翼的俯仰、偏航、橫滾等飛行姿態(tài)，并通過(guò)3個(gè)姿態(tài)控制通道設(shè)計(jì)PID控制律。

為了增加飛行器的穩(wěn)定性提高控制性能，控制角速度，采用角度/角速度串級(jí)PID控制算法。兩個(gè)PID控制算法，串在一起，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性（增強(qiáng)穩(wěn)定性），使得飛行器的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

整定串級(jí)PID時(shí)是先整定內(nèi)環(huán)PID參數(shù)，再整定外環(huán)P參數(shù)。

內(nèi)環(huán)P：數(shù)值由小到大，數(shù)值比較大時(shí)，四軸高頻震動(dòng)，過(guò)幾秒鐘后穩(wěn)定；繼續(xù)增大，可能出現(xiàn)翻機(jī)。

內(nèi)環(huán)I：積分用來(lái)消除靜差，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。它的數(shù)值從小到大，四軸定在一個(gè)位置不動(dòng)，不再往下掉；繼續(xù)增加I的值，四軸不穩(wěn)定。

內(nèi)環(huán)D：微分項(xiàng)D為標(biāo)準(zhǔn)的PID原理下的微分項(xiàng)，即本次誤差-上次誤差。數(shù)值從小到大，四旋翼的性能沒(méi)有多大改變，回中的時(shí)候更加平穩(wěn)，D項(xiàng)屬于輔助項(xiàng)。

外環(huán)P：當(dāng)內(nèi)環(huán)PID全部整定完成后，四旋翼已經(jīng)可以穩(wěn)定在某一位置。內(nèi)環(huán)P，從小到大，飛機(jī)從傾斜位置回中，給外力時(shí)，它會(huì)慢速回中，達(dá)到平衡位置。

3.2姿態(tài)解算

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用Keil MDK-ARM的編譯器，MDK包含KeilC編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實(shí)時(shí)內(nèi)核等組件，支持所有基于ARM的設(shè)備。

采用四元數(shù)算法對(duì)機(jī)體姿態(tài)解算。姿態(tài)角通過(guò)陀螺儀、加速度計(jì)和數(shù)字羅盤(pán)測(cè)量得到。陀螺儀測(cè)量出來(lái)的姿態(tài)輸出給主控芯片以計(jì)算控制量；加速度計(jì)和數(shù)字羅盤(pán)測(cè)量得到地球重力與地球磁場(chǎng)在機(jī)體空間坐標(biāo)上的分量，是實(shí)際姿態(tài)。陀螺儀輸出解微分方程可得到更新后的四元數(shù)，通過(guò)四元數(shù)和方向余弦矩陣中元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系解算方向余弦矩陣微分方程。

飛行器的姿態(tài)信息是由世界坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系確定。分設(shè)飛行器的滾轉(zhuǎn)角Φ、偏航角Ψ、俯仰角θ，從地理系向機(jī)體系旋轉(zhuǎn)，首先沿著地球系的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)Ψ，再繞中間的Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ，然后繞中間系的X軸轉(zhuǎn)動(dòng)Φ。

四元數(shù)和方向余弦矩陣（姿態(tài)矩陣 ）間的關(guān)系：

VX，Vy，Vz為陀螺儀積分后的姿態(tài)推算的重力向量。

加速度計(jì)實(shí)際測(cè)量得到機(jī)體坐標(biāo)系的重力向量。aX，ay，az。陀螺儀和加速度計(jì)的重力分量間存誤差，測(cè)出來(lái)的姿態(tài)間的誤差規(guī)范化處理 aX，ay，az

陀螺儀體軸角速度修正后，得到更新四元數(shù)：

其中 Pi（n+1），i=0，1，2，3為更新的四元數(shù)；Pi（n），i=0，1，2，3修正陀螺儀體軸角速度ωx（n），ωy（n），ωz（n）；T為陀螺采樣周期。從而最終的得到載體姿態(tài)角的計(jì)算公式：

（6）

3.3圖像識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)

3.3.1鷹眼攝像頭

利用野火stm32所帶的鷹眼野火攝像頭，野火硬件攝像頭，速率去噪點(diǎn)能力極強(qiáng)，直接輸出二值化圖像，一次輸出8個(gè)像素。圖像像素先輸出高位，后輸出低位，輸出順序是從左到右

3.3.2圖像采集思路

①開(kāi)場(chǎng)中斷；②啟行中斷；③行中斷for循環(huán)延時(shí)采集圖像；④關(guān)閉行中斷，圖像采集完畢。

4系統(tǒng)測(cè)試

將做好的電路板加上5V電源，加電后檢測(cè)電路連接是否有短路和斷路故障，依據(jù)原理圖在各主要電路節(jié)點(diǎn)上用萬(wàn)用表檢測(cè)電路連接是否有故障。再檢測(cè)各芯片通電情況，檢查芯片電源引腳上所加的電壓是否在芯片所要求的電壓范圍內(nèi)。

將飛控代碼下載到飛控板，進(jìn)行地面調(diào)試，檢測(cè)系統(tǒng)是否接收遙控器信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)向是否正常。進(jìn)行外場(chǎng)試飛，檢測(cè)系統(tǒng)飛行姿態(tài)是否穩(wěn)定，對(duì)控制信號(hào)響應(yīng)是否迅速。

第一步的仿真試驗(yàn)已經(jīng)完成，第二部的室內(nèi)測(cè)試正在進(jìn)行。

5結(jié)論

本文將無(wú)人機(jī)的路徑跟蹤與圖像識(shí)別功能結(jié)合在一起，通過(guò)測(cè)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。不論從軍用還是民用的角度來(lái)看無(wú)人機(jī)的路徑跟蹤與圖像識(shí)別功能將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，并且在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域?qū)?huì)有很好的發(fā)展空間。

致謝：感謝大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào) 201410702056）的資助；感謝劉智平老師、石俊老師、熊杰老師的耐心指導(dǎo)他們以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度和誨人不倦的風(fēng)尚幫助和教導(dǎo)我們改正錯(cuò)誤，不斷提高。老師勤懇的工作態(tài)度、一絲不茍的治學(xué)方法和誨人不倦的教學(xué)精神給我留下了深刻的印象，使課題組全體同學(xué)受益非淺，他們淵博的知識(shí)開(kāi)拓了我們的視野，必將在將來(lái)的工作和學(xué)習(xí)中激勵(lì)我們繼續(xù)努力。

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（作者單位：西安工業(yè)大學(xué)）