無人機低空下的目標識別與跟蹤系統設計

夏小雨 韓成浩

（吉林建筑大學電氣與計算機學院）

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle）是指能夠連續飛行并配有數據處理系統、通信系統和自動控制系統的飛行器。無人機越來越小，越來越穩定，越來越智能。目前，無人機廣泛應用于軍事領域，如戰場環境下的監視、目標攻擊、電子干擾等；民用領域，如農業工作、緊急搜救、高速運輸等。無人機目標跟蹤，首先利用機載攝像頭拍攝目標，將其傳輸到視覺處理器中。然后根據目標跟蹤算法把跟蹤命令發送到無人機系統，最后無人機執行跟蹤任務。其中，目標檢測與跟蹤研究對于無人機自主飛行與快速跟蹤目標具有非常高的應用價值，成為眾多研究人員的熱點研究方向。無人機的跟蹤目標流程圖如圖1 所示。

圖1 無人機跟蹤目標流程圖

1 系統的總體設計

無人機目標跟蹤系統主要分為硬件與軟件模塊。系統是由四旋翼無人機、圖像處理系統、地面站上位機構成。四旋翼無人機是由飛行控制模塊、GPS 模塊、視覺處理系統、攝像頭、無人機動力系統等組成。四旋翼無人機通過攝像頭捕捉目標的圖像，經過圖像分析與處理、中央處理器對目標的識別與跟蹤的算法解析，通過地面站發出跟蹤指令，利用圖像處理系統與中央處理器的跟蹤算法，飛行控制模塊控制四旋翼無人機識別跟蹤目標體，四旋翼無人機目標識別定位與跟蹤系統的整體構造示意圖如圖2 所示。其中包括三大模塊，即飛行器模塊、傳輸模塊以及地面站模塊。

圖2 整體構造示意圖

2 系統的硬件設計

2.1 硬件總體設計

四旋翼無人機的硬件設備大部分都集中在飛行控制板中，飛行控制系統集中在主控芯片上，該芯片的接收傳感器獲取的數據，通過控制算法計算調整無刷電機的轉速，實現無人機飛行姿態的控制。硬件系統主要包括飛行控制器模塊、遙控與動力套件以及圖像采集與處理硬件等。

2.2 飛行控制器模塊

飛行控制器的選擇決定無人機飛行控制的能力。本文選用Pixhawk 飛控，Pixhawk 是一款運算處理能力強大的飛行控制器，擁有兩個處理器，一個有強大運算處理能力的處理器，另外一個是用于工業的協助處理器，它的特點就是安全穩定。Pixhawk 的外觀結構圖如圖3 所示。

圖3 Pixhawk 外觀結構圖

2.3 遙控與動力套件

2.3.1 遙控模塊

本文使用AT9S 的遙控設備，遙控器的兩個搖桿分別控制無人機的動作姿態。遙控器利用接收機接收信號，然后接收機依據遙控器發出的信號，導入到主控制器，主控制器利用輸入捕獲功能來進行計算，進而得到遙控器每個通道的搖桿量。AT9S 遙控設備示意圖如圖4 所示。

圖4 AT9S 遙控設備示意圖

2.3.2 無刷電機

無刷電機是在有刷電機的基礎上發展而來，與普通有刷電機不同的是電樞繞組旋轉換向，無刷電機是線圈固定，通過改變電流的方向進而產生變化的磁場，驅使磁極偏轉。本文的電機選用2812 無刷電機，其反應速度迅速、速度調節范圍廣，耐用性強，螺旋槳選用1045 螺旋槳。無刷電機與螺旋槳示意圖如圖5 所示。

圖5 無刷電機與螺旋槳示意圖

2.3.3 電池

四旋翼無人機飛行時電量消耗快，普通電池容量低、續航時長短。因為要搭載視覺模塊，所以還要考慮整體載重，選用圖6 中的3S 5200mAh 30C 鋰電池來進行供電。

圖6 鋰電池示意圖

2.4 圖像采集與處理部分硬件組成

在穩定飛行的前提下，還要求無延時獲取跟蹤目標圖像、利用跟蹤算法計算目標位置，并將處理結果與圖像傳送給地面站，實現目標識別與跟蹤功能。考慮到整體重量、計算性能與功耗，機載嵌入式設備選擇樹莓派4B。攝像頭選用小型工業攝像頭。樹莓派4B 及攝像頭外觀如圖7 所示，同時該攝像頭利用任意長度的數據線來與樹莓派連接，便于機載安裝。

圖7 樹莓派4B 與攝像頭

3 系統的軟件設計

3.1 軟件總體設計

根據目標識別與跟蹤總體設計的要求，本文設計了目標識別與跟蹤系統的軟件結構。目標識別與跟蹤系統的軟件結構包括三大部分，目標識別與跟蹤、無人機定位、目標跟蹤方法。在目標識別與跟蹤的結構中，使用跟蹤算法得到目標在圖像中的坐標和偏移角等相關信息，并輸入到目標識別與跟蹤系統中去。無人機定位目標過程中，利用算法得到無人機的精準坐標，并將數據發到相應的軟件系統中。利用識別與跟蹤系統的數據庫，無人機通過跟蹤目標提取地面運動目標坐標與無人機在空中的坐標位置來進行比對，依據坐標位置在圖像的位置的不同，無人機的飛行運動姿態也做出相應的改變，實現無人機對地面運動目標實時定位與跟蹤的設計目的。目標識別與跟蹤系統軟件構造示意圖如圖8 所示。

圖8 目標識別與跟蹤系統構造示意圖

3.2 實時目標跟蹤方法設計

參照目標在圖像中的具體坐標，本文計劃把目標識別與跟蹤系統構建三種狀態，分別為目標搜索、目標跟蹤與目標丟失三種不同狀態，分別對每種飛行狀態設計相應的無人機飛行控制模式，達到無人機對地面目標實時識別與跟蹤的目標。在進行目標跟蹤任務之前，無人機首先升空到指定的高度進行目標搜索，檢測并識別到目標之后，無人機進入目標跟蹤狀態，此刻無人機依照目標在圖像中的坐標來對飛行狀態進行改變，從而讓地面目標一直在無人機拍攝圖像中。假設因為目標超出范圍而導致目標丟失，則無人機進入目標丟失狀態。無人機利用增加高度擴大攝像范圍，然后對運動目標重新搜尋，一旦找到目標則立即鎖定目標，重新進入目標跟蹤狀態，循環反復，達到無人機對地面運動目標穩定地跟蹤的目標。

3.2.1 目標搜索

在目標搜索狀態下，無人機飛行到指定高度進行目標檢測，確認目標之后如果出現目標丟失，再次進入目標搜索狀態，并且通過目標識別與跟蹤算法對目標物體進行自動識別并鎖定。

3.2.2 目標跟蹤

無人機搜尋到目標后，無人機識別與跟蹤系統進入目標跟蹤狀態，接著系統利用目標在圖像中的坐標來對無人機的飛行狀態進行改變，實現運動目標的實時跟蹤。目標跟蹤狀態幾何模型示意圖如圖9 所示，構建二維圖像坐標系（xv，yv）和無人機相對于圖像的二維坐標系（xq，yq）。劃分五個區域在二維坐標系中，當目標在0 號位置時，無人機懸停在目標正上方，當目標在1、2、3、4 號位置時，無人機參照目標的位置坐標來對路徑進行優化，重新捕捉目標，并讓目標再次進入0 號位置，達到目標跟蹤的目標。假設目標坐標在1 號位置，圖像中的坐標信息為（x，y），所以目標與無人機坐標系xq軸的夾角δ可以利用式（1）計算：

圖9 目標跟蹤狀態幾何模型示意圖

取得夾角δ 后，將目標坐標放到無人機的二維坐標系中，此時無人機對于原點位置的增量由式（2）計算：

式中，xt，yt為優化無人機路徑取得的坐標點；x0，y0為無人機坐標系的原點。

計算無人機路徑位置坐標之后，利用無人機位置進行目標跟蹤，并一直檢測目標位置坐標，查看目標是否在坐標系的0 號位置。假設目標位置坐標相對于無人機坐標系的偏角發生改變，則系統會對無人機的飛行路徑進行調整，重新優化路徑，讓無人機參照新優化的路徑進行目標跟蹤。

3.2.3 目標丟失

假設目標速度太快，則目標會超出跟蹤范圍，出現目標跟丟的現象。因此，目標識別與跟蹤系統進入目標丟失狀態，利用上升高度來增加無人機攝像頭的攝像范圍，重新尋找目標并鎖定目標的坐標，目標丟失狀態示意圖如圖10 所示。因為目標識別與跟蹤系統的算法對目標在圖像中的大小有要求，所以無人機飛行高度最高是3m。在3m 飛行高度范圍內，假設目標再次被系統檢測到，則無人機會對目標重新進行跟蹤。假設無人機已經到了3m 的高度，但沒有檢測到目標，則無人機會依照目標消失的方向前行，重新搜索目標，并找到目標為止。

圖10 目標丟失狀態示意圖

4 結束語

通過無人機低空下的目標識別與跟蹤學習與研究，設計了目標識別與跟蹤系統的硬件結構與軟件框架，利用系統硬件與軟件對目標識別與跟蹤系統進行全面的分析。并對目標識別與跟蹤的三種狀態進行設計，完成無人機對地面目標的目標搜索、目標跟蹤和目標丟失三個狀態的飛行調節和優化路徑，達到無人機穩定跟蹤地面目標的設計要求，本文所提出的方案和方法為無人機低空下的目標識別與跟蹤系統提供理論借鑒。