四旋翼無人機(jī)自主循跡算法研究

魯建權(quán)，王文虎，成天樂

（湖南文理學(xué)院，常德　415000）

四旋翼無人機(jī)自主循跡算法研究

魯建權(quán)，王文虎，成天樂

（湖南文理學(xué)院，常德415000）

通過對四旋翼飛行特點(diǎn)的研究，為了保證四旋翼在簡單背景的賽道線上穩(wěn)定的起飛、降落，并且能夠跟蹤線路直飛和轉(zhuǎn)向飛行，該算法采用基于中值濾波與分區(qū)統(tǒng)計算法結(jié)合的方法，讓飛控芯片通過攝像頭采集的圖像自主決策飛行。最后，利用MATLAB軟件和基于STM32芯片的四旋翼飛行器分別進(jìn)行仿真和測試，實(shí)驗結(jié)果表明這種算法在簡單背景下能夠成功循跡。

四旋翼；循跡；自主飛行

國家自然科學(xué)基金（00000000）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2008AA000000）、2015年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗計劃項目資助（湘教通［2015］269號第385號）

0　引言

自主循跡四旋翼飛行器設(shè)計技術(shù)涉及多學(xué)科知識，該系統(tǒng)融合了信號采集、決策規(guī)劃、自動行駛等功能，尤其涉及許多當(dāng)今前沿領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。和固定翼飛行器相比它有很多優(yōu)點(diǎn)：能夠適應(yīng)各種環(huán)境；可以在超低空飛行；能夠?qū)崿F(xiàn)懸停、倒飛、側(cè)飛，可以垂直起降等。這些優(yōu)點(diǎn)給予了四旋翼飛行器更加廣闊的應(yīng)用前景。

1　系統(tǒng)設(shè)計原理

設(shè)計高效、可靠、智能的控制算法準(zhǔn)確的判斷賽道類型并加以決策，是設(shè)計與制作自主循跡算法的技術(shù)難點(diǎn)，特別是遇到有拐角時，很難繼續(xù)沿著循跡線的路徑移動。對此，本文根據(jù)全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽（其賽道如圖1所示）循跡線提出了一種新穎的智能控制算法［1］，即基于統(tǒng)計的自主循跡算法。該算法采用攝像頭作為傳感器采集賽道信息，使用時需要先將攝像頭裝在四旋翼飛行器的正下方，通過拍照得到的圖像判斷飛機(jī)所處的位置。算法流程圖如圖2所示，首先對采集到的圖像進(jìn)行濾波去噪，然后進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，最后根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行循跡姿態(tài)調(diào)整。

圖1　全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽賽道圖

圖2　自主循跡算法流程圖

2　圖像預(yù)處理

在對采集的賽道圖像進(jìn)行統(tǒng)計分析前，需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理來達(dá)到去噪的目的。本文飛行器使用的攝像頭型號為OV2460，由于該攝像頭主要噪聲是椒鹽噪聲，因此，本文采用去除椒鹽噪聲效率較高效果較好的中值濾波算法進(jìn)行預(yù)處理操作［2］。

中值濾波是常見的非線性濾波技術(shù)，所謂中值濾波，其原理是把以圖像中某個點(diǎn)（x，y）為中心的窗口中的所有像素點(diǎn)的灰度按從大到小的順序排列，如果窗口中的像素點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)個，則將中間值作為（x，y）處的灰度值，若窗口中的像素為偶數(shù)個，則取兩個中間值的平均值作為（x，y）處的灰度值，所以它的能夠在保護(hù)圖像邊緣的同時去除噪聲。

中值濾波排序的實(shí)現(xiàn)方法有很多的，如冒泡排序、二分排序法等。設(shè)有一個一維正數(shù)序列f1，f2，…，fi…，對該正數(shù)序列進(jìn)行中值濾波，就是利用滑動窗口進(jìn)行取數(shù)。設(shè)濾波窗口長度為J=2k+1，從輸入序列中抽出J個數(shù)（fi-k，…，fi，…fi+k），再把這J個數(shù)按其數(shù)值大小排列，取出序號為中心點(diǎn)的那個數(shù)作為濾波輸出結(jié)果。

其數(shù)學(xué)公式為：

式中median［］表示取出該數(shù)列的中間值，Z表示所有自然數(shù)的集合。例如：設(shè)有一個序列為｛0，1，7，1，9），濾波窗口長度取5，重新排序后為｛0，1，1，7，9｝，則yi= median［0，1，1，7，9］=1。

對于一個有限長序列fi，f2，…，fi，…fn，在實(shí)際選擇濾波窗口時，窗口的尺寸采用從小到大嘗試的方式進(jìn)行選擇，通常先用3×3再取5×5，逐漸增大，直到滿足濾波效果為止。對于不同的圖像課采用方形、圓形或十字形窗口［3］。

3　基于分區(qū)統(tǒng)計的四旋翼循跡算法

進(jìn)行了中值濾波后，圖像中的大部分的噪點(diǎn)都能被有效清除，接下來將進(jìn)行飛行器的定位與循跡。通過攝像頭進(jìn)行四旋翼飛行器循跡，很重要的一步就是通過采集的圖像定位當(dāng)前飛行器所在位置。由于四旋翼的本身的特殊性，如飛行時的擺動、漂移等，智能車的循跡算法已經(jīng)不適用［4-6］。為此本文提出一種基于統(tǒng)計的循跡算法。

首先在飛行器飛行過程中采集一幅圖像并進(jìn)行預(yù)處理，采集時攝像頭分辨率設(shè)置為320×240像素，結(jié)果如圖3所示，然后將該圖片劃分為9個區(qū)域，其中，從左往右二根橫線縱坐標(biāo)分別為110、210，從上往下二根豎線橫坐標(biāo)分別為80、160。由于循跡圖像往往比較簡單，線和背景通常反差較大，可以通過閾值分割法［5-7］將背景和線變成更為簡單的二值圖像，賽道線是1，背景值為0，結(jié)果如圖4所示。然后將每個區(qū)塊為1的值的數(shù)量統(tǒng)計出來，結(jié)果如圖5。因為攝像頭安裝在飛行器的正下方，而在統(tǒng)計的結(jié)果中只有中間一列有賽道線信息，可知當(dāng)前飛行器位于賽道線正上方，此時只需要繼續(xù)往前飛就可以。

圖3　飛行中采集的圖像　

圖4　濾波閾值化后的圖像

圖5　統(tǒng)計像素點(diǎn)

采集圖像圖6（a）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為圖6（b）。可知飛行器已經(jīng)飛到了賽道線的右邊，需要調(diào)整ROLL角達(dá)到回到賽道上的目的。

圖6　飛行器偏向賽道線右邊

當(dāng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖7所示這種情況時，意味著飛行器得前方已經(jīng)沒有線，四旋翼遇到拐點(diǎn)，此時需要調(diào)整YAW角來進(jìn)行逆時針方向的旋轉(zhuǎn)。

圖7　飛行器遇到拐點(diǎn)

當(dāng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖8所示這種情況時，意味著飛行器方向出現(xiàn)了YAW角偏移，此時需要調(diào)整YAW角來矯正飛行方向。

圖8　飛行器已偏移

4　結(jié)語

本文提出一種基于攝像頭的自循跡四旋翼飛行器的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)方法，處理簡單，占用MCU資源少，執(zhí)行效率高。本文提到的算法在其他背景和賽道對比較大的情況也可以使用。仿真及四旋翼飛行器測試結(jié)果表明，該算法實(shí)時性好，易于硬件實(shí)現(xiàn)較快速循跡，缺點(diǎn)是飛行速度不能太快，不然容易飛出賽道。

［1］Milan Sonka，Vaclav Hlavac，Roger Boyle.Image Processing，Analysis，and Machine Vision，Second Edition［M］.Thomson Learning and PT Press，1999.

［2］劉紅莉，王國宇，馬原.基于水下圖像小波變換的圖像閾值去噪方法的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（15）：79-81.

［3］陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：1-56.

［4］徐飛，施曉紅.MATLAB應(yīng)用圖像處理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002：20-107.

［5］清源計算機(jī)工作室.MATLAB 6.0高級應(yīng)用：圖形圖像處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：34-215

［6］［史忠科，曹力.交通圖像檢測與分析［M］.北京：科學(xué)出版社，2007：118-187

［7］王世香.精通MATLAB接口與編程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：38-58

Four-Rotor；Tracking；Autonomous Flight

Quad-Rotor UAV Autonomous Tracking Algorithm

LU Jian-quan，WANG Wen-hu，CHENG Tian-le
（Hunan University of Arts and Science，Changde 415000）

Based on the research of four-rotor flight characteristics，in order to ensure a stable four-rotor taking off and landing in a simple background track line，and the ability to track a lines and steer the flight，the algorithm uses a combination of median filter and partition statistics based on statistical algorithms to let the flight control chip to autonomous decision-making flight with the image captured by camera.Finally，the use of MATLAB software and based on STM32 chip four-rotor aircraft are simulated and tested experimental results show that this algorithm can track line successfully in simple background.

1007-1423（2016）29-0014-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.29.003

成天樂（1983-），男，湖南常德人，研究生學(xué)位，研究方向為最優(yōu)化理論、算法設(shè)計與分析魯建權(quán)（1995-），男，湖南慈利人，湖南文理學(xué)院自動化專業(yè)13102班王文虎（1964－），男，湖南慈利人，高級工程師，副教授，從事電子技術(shù)教學(xué)及智能檢測技術(shù)及其自動化系統(tǒng)的研究

2016-07-19

2016-07-29