基于視覺的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜俊俊 李 明 張 宇

沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部

基于視覺的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜俊俊 李 明 張 宇

沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部

四旋翼無人機(jī)也稱四軸飛行器、四旋翼無人飛行器，是一種能垂直起降的無人飛機(jī)。它有四個螺旋槳，通過改變自身螺旋槳轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)各種飛行動作。

和固定翼無人機(jī)相比，四旋翼無人機(jī)有著很好的運(yùn)動特性，可以在狹小區(qū)域垂直起降，可以在固定目標(biāo)上懸停監(jiān)視，同時還可以貼地飛行從而有效的躲避雷達(dá)探測。同無人直升機(jī)相比，四旋翼無人機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡單，由于通過平衡四個螺旋槳產(chǎn)生的升力來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的盤旋和精確飛行，比較容易控制。

四旋翼無人機(jī)的上述特點(diǎn)，使得其非常適合做為在復(fù)雜的城市環(huán)境或山區(qū)下，用于對目標(biāo)偵測和跟蹤設(shè)備的機(jī)載平臺。在這種環(huán)境下，小型四旋翼無人飛機(jī)能夠垂直起降，具有“懸停和凝視”目標(biāo)能力，而且還可以抵近建筑物飛行，對目標(biāo)物提供精確定位，而且能依靠四個螺旋槳產(chǎn)生的升力進(jìn)行姿態(tài)與位置控制。

本文提出一種基于APM的四旋翼無人機(jī)搭載無線攝像頭的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。

以四旋翼無人機(jī)為平臺，以攝像頭為傳感器，建立的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，可以在低空、低速的條件下，對地面目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時的跟蹤飛行，在軍事和民用方面有著廣闊的應(yīng)用前景。在軍事方面，該系統(tǒng)能夠從狹小地域上放飛、在復(fù)雜空情中靈活機(jī)動的完成低空的偵察任務(wù)，監(jiān)視戰(zhàn)場進(jìn)行損傷評估等。在警用方面，可以在反恐任務(wù)中監(jiān)視犯罪分子的活動，也可完成緝毒和反走私任務(wù)。同時，在民用方面同樣大有可為，可負(fù)責(zé)重大的自然災(zāi)害后的監(jiān)視巡邏和跟蹤目標(biāo)的任務(wù)，可進(jìn)行大橋、高壓線、水壩以及地震后路段的檢查，航拍和成圖，可用于空中監(jiān)視城市的環(huán)境狀況和交通狀況，還可用在地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測上。因此，研究基于視覺的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)具有重要的科學(xué)意義。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并開發(fā)的基于視覺的四旋翼無人機(jī)跟蹤系統(tǒng)，主要包含了APM（ArduPilotMega）飛控板、攝像頭和圖像傳輸模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊四個主要模塊。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖像傳輸模塊固定在四旋翼上。跟蹤開始時，攝像頭觀察運(yùn)動物體的位置，完成視場內(nèi)視頻圖像的拍攝，拍攝的視頻圖像通過無線視頻傳輸方式傳到地面PC機(jī)，用于圖像處理，以獲得目標(biāo)位置。

四旋翼無人機(jī)飛行原理

四旋翼無人飛機(jī)是由固定在剛性十字交叉的結(jié)構(gòu)上四個獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動的系統(tǒng)。四只螺旋槳分別安裝在十字形機(jī)體的四個頂點(diǎn)位置，首先規(guī)定了一個正方向，位于同一對角線上兩只螺旋槳為同一組，左右電機(jī)安裝正槳逆時針旋轉(zhuǎn)（產(chǎn)生順時針方向的扭矩），前后電機(jī)安裝反槳并且順時針旋轉(zhuǎn)（產(chǎn)生順時針方向的扭矩），因此連接在同一十字架結(jié)構(gòu)上可以抵消兩兩相互之間的反扭距，通過控制四個電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度來實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行控制。

根據(jù)飛行器的飛行原理可以知道，飛行器的飛行狀態(tài)主要包括偏航飛行，左右（橫滾）飛行，前后（俯仰）飛行以及懸停；

（1）懸停飛行：如圖2.1所示，四個旋翼以相同轉(zhuǎn)動速度旋轉(zhuǎn)時可以抵消兩兩相互之間的反扭力矩；懸停飛行模式通過同時增大或同時減小四個旋翼的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)飛行器上升或者下降運(yùn)動；

（2）俯仰或者橫滾飛行：如圖2.2所示，由于飛行器結(jié)構(gòu)的對稱，對角線方向增加其中一個螺旋槳的轉(zhuǎn)速，同時減小另一個螺旋槳的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)俯仰或者橫滾飛行運(yùn)動；

圖1 基于視覺的四旋翼無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 四旋翼無人機(jī)飛行原理示意圖

（3）偏航飛行：如圖2.3所示，增加對角線一組螺旋槳的轉(zhuǎn)速，同時等量減小另一組對角線螺旋槳的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)飛行器偏航運(yùn)動。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）主控單元選擇

ArduPilotMega（APM）是市面上比較強(qiáng)大的基于慣導(dǎo)的開源自駕儀。

特性包括：

免費(fèi)的開源固件，支持多旋翼（四旋翼，六旋翼等），飛機(jī)（"ArduPlane”），地面車輛（"ArduRover”）以及直升機(jī)（"ArduCopter”）。

通過點(diǎn)擊式的工具簡單設(shè)置和上傳固件。

通過點(diǎn)擊式的桌面程序完全的規(guī)劃任務(wù)腳本。

可以支持上百個三維航點(diǎn)。

使用MAVLink協(xié)議，支持飛行中的控制命令模式和雙向遙測功能。

多種免費(fèi)的地面站平臺，包括Mission planner，支持任務(wù)規(guī)劃，空中參數(shù)調(diào)整和完整的帶回放的數(shù)據(jù)記錄。

跨平臺性。支持Windows，Mac以及Linux。在Windows下使用圖形任務(wù)規(guī)劃設(shè)置的工具（Mac下可用模擬器）或者在任何操作系統(tǒng)下使用命令行界面。以上三種操作系統(tǒng)都有可用的地面站開發(fā)源程序。基于Arduino編程環(huán)境編寫，也是完全跨系統(tǒng)的。

自動起飛，降落和特殊的動作命令，例如視頻和照相控制。

（2）攝像頭的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)要求選定的帶云臺的高清航拍攝像頭。如圖3所示。

（3）無線傳輸模塊

無線傳輸模塊包括無線圖像傳輸模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線圖像傳輸模塊采用創(chuàng)興科BOSCAM 5.8G 32頻點(diǎn)圖像傳輸模塊，該模塊包含無線圖像發(fā)送模塊（TS832）和無線圖像接收模塊（RS832），如圖4所示。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用3DR 433MHz數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊包含無線數(shù)據(jù)發(fā)送和無線數(shù)據(jù)接收模塊，如圖5所示。

圖3 攝像頭

圖4 圖像傳輸模塊

圖5 數(shù)據(jù)傳輸模塊

四軸飛行器的軟件設(shè)計(jì)

四軸飛行器的軟件設(shè)計(jì)主要包括PC機(jī)處理接收機(jī)接收的圖像信息以及Mission Planner地面站的二次開發(fā)，用于將目標(biāo)的位置轉(zhuǎn)化為航跡點(diǎn)，實(shí)時發(fā)送至四旋翼，達(dá)到跟蹤目標(biāo)的目的。整體軟件在Visual Studio環(huán)境下采用C#語言編寫。

在視覺跟蹤系統(tǒng)中，要保證目標(biāo)始終在攝像機(jī)視野范圍內(nèi)，這是實(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航和四旋翼控制前提，比較常見的辦法是安裝攝像機(jī)云臺，控制云臺的三維姿態(tài)使目標(biāo)始終位于攝相機(jī)的圖像中心位置。當(dāng)目標(biāo)丟失的時侯，要采取比較恰當(dāng)?shù)乃阉鞣椒ǎ沟媚繕?biāo)位于圖像的中心位置，常見的搜索方法是固定航線搜索機(jī)制同時控制攝像機(jī)云臺視角，使得目標(biāo)位于圖像的中心，實(shí)現(xiàn)搜索到目標(biāo)。由于考慮到四旋翼機(jī)載重量的限制，所以選用的跟蹤平臺不帶攝像機(jī)云臺，采用四旋翼機(jī)載單目固定的攝像機(jī)結(jié)構(gòu)，故而選取提升四旋翼飛行高度的搜索方法。當(dāng)丟失目標(biāo)以后，首先要根據(jù)目標(biāo)預(yù)測的運(yùn)動軌跡跟蹤一會兒，在搜索不到目標(biāo)的情況下使用爬升搜索模式。當(dāng)搜索到目標(biāo)后立刻切換到跟蹤模式。四旋翼跟蹤移動目標(biāo)的飛行方式流程圖如圖6所示。當(dāng)接到地面站發(fā)送移動目標(biāo)方位命令給四旋翼后，首先要進(jìn)行目標(biāo)搜索直到目標(biāo)進(jìn)入機(jī)載相機(jī)的視野，然后根據(jù)目標(biāo)移動的信息進(jìn)行目標(biāo)軌跡預(yù)測，再根據(jù)預(yù)測的運(yùn)動軌跡進(jìn)行四旋翼的跟蹤控制模式，實(shí)現(xiàn)對地面移動目標(biāo)的實(shí)時跟蹤。

圖6 跟蹤流程圖

結(jié)語

本文描述了一個簡易四軸飛行器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并搭載圖像傳輸模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤，整個方案分為APM控制板和攝像頭及圖像傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊四部分，通過無線數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行控制通信。圖像傳輸模塊用于將采集的圖像傳輸至PC機(jī)，用于地面控制四旋翼無人機(jī)跟蹤目標(biāo)。APM飛控板采用一體設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)簡單、緊湊，圖像傳輸模塊使得圖像采集簡單易行，且不影響主控制器處理速度，最終實(shí)現(xiàn)飛行器的基本運(yùn)動以及圖像的實(shí)時傳輸。實(shí)踐證明，該四軸飛行器飛行穩(wěn)定、可靠，圖像畫面及時，清晰，取得了較好的效果。

姜俊俊，就讀于沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)院探測制導(dǎo)與控制技術(shù)專業(yè)大四學(xué)生。