四旋翼无人机自主追踪系统设计

宗伟林， 贾毅超， 李国荣， 邓泽江， 李聪聪

(中国矿业大学电力学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

四旋翼无人机是一种可垂直起降、定点悬停、性能优良、无需人工驾驶的飞行器，也是具有一定智能的空中机器人。目前遥控无人机技术已经成熟，自动飞行以及对目标跟踪方面功能的提升将具有更加深刻的意义。文献[1-2]提供了基础的单片机知识和相关硬件电路知识;文献[3]介绍了四旋翼控制基本算法;文献[4]提供了建立四旋翼数学模型的参考方法。四旋翼是一种欠驱动系统，文献[5]讲述了欠驱动系统的相关模型及控制;文献[6]中采用姿态传感器获取飞行器的姿态数据，为后面的PID控制提供输入，但此种处理数据相对繁杂。本文采用九宫格处理算法，在无人机姿态控制上具有更好的性能。本文设计了一种基于九宫格视野分割的摄像头目标追踪控制系统，将目标识别的输出结果作为外回路控制插入内回路姿态控制，实现目标识别与跟踪的同步控制，简化了系统结构和控制过程，并基于ARM嵌入式系统进行了硬件实现和验证。

1 硬件设计

系统包括控制部分、电机调速部分、高度测量部分、图像识别部分和通信部分[7]。系统总体架构如图1所示。

图1 总体架构图Fig.1 Overall architecture diagram

控制芯片选择瑞萨的R5F523T5ADFM，板上标有“NUEDC”的单片机。飞控芯片选择STM32F407，两者共同组成控制系统。相比于qq飞控代码不开放且控制效果不佳，STM32F407飞控芯片具有控制效果较好且开源代码丰富的优势。

HC-SR04超声波传感器作为高度测量模块，模块性能稳定、测距精确、精度高、盲区小。而bmp085气压传感器芯片价格较贵，且低空误差较大。电机调速模块选择无刷电机的电调。图像识别模块则选择OV767 0CAMERACHIPTM图像传感器。

通信模块选择ATK-HC05，是ALIENTEK生成的一款高性能主从一体蓝牙串口模块，ATK-HC05蓝牙串口模块所有的功能都是通过AT指令集控制的，比较简单。通过ATK-HC05蓝牙串口模块，所有单片机(3.3 V/5 V电源)都可以很方便地实现蓝牙通信。

2 获取待追踪目标相对飞行器位置

2.1 图像采集与处理

为提高系统的除噪声效果，本文采用中值滤波算法对摄像头所采集的图像进行预处理。

中值滤波是常见的非线性滤波技术，经处理后可得到图像中任一点的灰度值。因为是选定窗口中灰度值的平均值，所以它能够在保护图像边缘的同时去除噪声。

2.2 目标位置确定

首先将视野区域按九宫格算法划分(如图2所示)，便于后期的分区域统计。算法以飞行器追踪遥控赛车为例进行测试，由于车身与白色运动场地反差明显，使用阈值分割法将视野处理成二值图像，车身是1，背景是0。然后统计每个区域中像素点数可得目标位置[8]，以此作为采样反馈引入PID控制系统中，得到四电机的控制信号。

图2 九宫格分割图Fig.2 Segmentation graph

根据实际情况对点数采集与目标位置做如下讨论分析：1) 点数全部分布于区域5中，或者绝大多数分布于区域5中，区域4,2,6,8中几乎同等地分布很少，这两种情况与设置飞行器距离追踪目标的固定高度有关，此时目标在飞行器正下方；2) 点数集中分布于区域2或8，此时目标在分别是在飞行器的前下方或后下方；3) 点数集中分布于区域1,3,9或7，此时目标在飞行器的左前下方、右前下方、左后下方或右后下方。

2.3 控制系统输出控制信号

定高、悬停和飞行姿态控制三者共用的是PID控制。

对于定高采用串级PID进行调整，串级PID可有效实现对干扰的抑制，尤其是电源电压。串级PID内外两环并联调节，其优点是增加系统的稳定性和抗干扰性[6]。

内环P,从小到大，拉动四轴越来越困难，四轴抵抗拉动的感觉越来越强烈；内环I,从PID原理可知，积分只是用来消除静差；内环D，这里的微分项D为标准PID原理下的微分项，即本次误差-上次误差。外环P，当内环PID全部整定完成后，飞机已经可以稳定在某一个位置。

PID控制算法采用增量式数字PID控制。在此系统中输入的是由于飞行器的移动而导致像素点数的变化差值，不同于位置式数字PID控制方式，需要输入区域中的像素点数，飞行器不会因为飞行位置的较大偏移，即输入像素数的突变而难以控制。式(1)为增量式数字PID控制算法，输入误差E(k)经过式(1)运算即可得输出量[9]，即

ΔU(k)=U(k)-U(k-1)=KPE(k)+KIE(k)+

KD[ΔE(k)-ΔE(k-1)]

(1)

式中：ΔU(k)为PID的输出；KP为控制器比例放大系数；KI为控制器积分放大系数，其展开为KP/TI，TI为控制器的积分时间；KD为控制器的微分放大系数，其展开为KD·TD，TD为控制器微分时间。

3 结论

本文的设计稳定实现了四旋翼的常规功能:定高与悬停，还测试完成了遥控小车的追踪，确定目标的位置的思想亦具有很好的植入性。测试实验中小车与运动场地差别明显，图像处理工作较容易实现。真正的追踪环境是很复杂的，会增加跟踪难度。接下来的工作将完善所采图像的处理，改进对四旋翼的非线性控制。

[1] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社，2010.

[2] 李晓林.单片机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社，2010.

[3] ELFES A,BUENO S S,BERGERMAN M,et al.Robotic airships for exploration of planetary bodies with an atmos-phere:autonomy challenges[J].Autonomous Robots, 2003,14(2):147-164.

[4] MURRAY R M,SASTRY S S,LI Z.A mathematical introduction to robotic manipulation[M].Boca Raton:CRC Press Inc.,1994.

[5] MULLHAUPT P.Analysis and control of underactuated mechanical nonminimum-phase systems[D].Lausanne:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne,1999.

[6] 曲云鹏,董玉林,胡哲.基于32位单片机的四旋翼飞行器寻迹系统[J].黑龙江科技信息,2017(16):154-155.

[7] 孙洪超，纪志坚，刘显著.基于四旋翼飞行器图像采集系统的设计[J].青岛大学学报：工程技术版,2017,32(1):26-30.

[8] ZUFFEREY J C,FLOREANO D,LEEUWEN M V,et al.Evolving vision-based flying robots[C]//International Workshop on Biologically Motivated Computer Vision, London:Springer-Verlag,2002:592-600.

[9] 邵帅,廖仙华,代南明.基于计算机视觉的四旋翼无人机自主悬停方法研究[J].科技风,2016(11):141.