基于OV7670的无人机室内定位追踪

周寒宇，彭卫韶，黄相贤

（中南大学 信息科学与工程学院 湖南 长沙 410083）

1 引言

根据无人机自主飞行的原理和控制原则，本文设计了一款基于OV7670的无人机室内定位追踪的四旋翼，本文设计的四旋翼解决了以下问题：

在算法上，提高了姿态控制和定位导航稳定性。

在定位上，室外常常采用的是GPS定位，而室内信号太差，容易导致定位精度很低，因此选用摄像头来进行室内定位，提高定位精度。

2 系统总设计

2.1 室内无人机定位

摄像头定位核心采用的是STM32F407为核心的单片机，单片机通过DCMI数字图像通道进行采集通过DMA进行传输到缓冲区中，然后通过阈值算法进行二值化处理，再通过腐蚀算法进行像素点提取进行坐标计算和提取以实现定位效果。

腐蚀算法是处理的核心部分，用3*3的结构元素，扫描图像的每个像素，用结构元素与其覆盖的二值图像做“与”操作，把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba包括于X，我们记下这个a点，全部满足上述条件的a点组成的集合称做X被B腐蚀(Erosion)的结果。用公式表示为：E(X)={a|Ba->X}=X->B。见图1。

图1 腐蚀算法

O V767腐蚀处理后，将得到的图像进行位移的定位处理可以得目标标记物的具体坐标点和相对位移。

2.2 飞行器控制算法

（1）无人机姿态解算

欧拉角是用来唯一地确定定点转动明体位置的三个一组独立角参量，由翻滚角θ、俯仰角ψ和自转角φ组成。将一次刚体的旋拆分成三个坐标轴上的三次旋转，三次转动的旋转角度就是所谓的欧拉角。

q表示是一个四元数，归一化处理，然后得，

这里创造一个运算q(w，θ)，用于把绕单位向量w转θ角的旋转表示为四元数。通过q(w，θ)，引伸出一个更方便的运算q(f，t)

通过矩阵转换可以得到姿态角

其中，ψ是偏航角yaw，θ为俯仰角pitch，φ为翻滚角roll。

（2）无人机定位控制

通过对目标标记物进行目标位移捕捉和高度处理进行双闭环控制四个电机实现室内悬停[5]，控制流程图如图2所示。

图2 闭环控制流程

由于悬停控制主要对翻滚角和俯仰角的控制，而对航向角的控制要求并不高，因此摄像头对目标标记物的捕捉得到的x、y坐标偏移主要用于对无人机翻滚角和俯仰角的补偿。

测得四旋翼水平位移速度分量为vx，vy。vx正比于俯仰角误差φ'，vy正比于翻滚角误差θ'，且vx，vy∈(-1.0，1.0)m/s，期望的目标偏移为0。将位移偏差作为控制输入，采用PI控制器作为外环姿态角补偿控制器。控制输出为角度误差φ'，θ'。由于期望的姿态角均为0，将经过修正的Φ，Θ，Ψ作为控制输入，采用PID控制器作为内环控制，则姿态角控制量

式中，SΦ，SΘ，SΨ是三个姿态角从四旋翼起飞到当前时刻的累加和，k，I，d，分别是姿态角控制器的比例系数、积分系数、微分系数。

同理，对超声波测得的实际高度也进行控制，则高度控制量为：

式中，SH为高度H从起飞到当前时刻的累加和；kph、kih、kdh是高度控制器的比例系数、积分系数、微分系数。

3 系统测试与结果分析

3.1 测试方案

飞行器基于OV7670摄像头定位模组的定位测试是静止时室内定点坐标效果。

3.2 测试结果

根据测试方案的方法，表1给出了部分测试点的测试结果，在高度为1米的区域静止飞行器，观察测试标记点的波动数据如表1所示。

表1 静止坐标测试结果

4 结语

本文设计的系统的设计和分析可以进一步改进，无人机视觉标记稳定定点是基于特征视觉的定位方法实现的室内稳定定点，可根据定位的范围对目标物定点位移参数进行调整，实现更稳定的悬停。

[1]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京.清华大学出版社，2004.

[2]安鹏，马伟.S12单片机模块应用及程序调试[J].电子产品世界.2006.第211期：162-163.

[3]尹怡欣，陶永华.新型PID控制及其应用.北京:机械工业出版社，1998年.

[4]李慧敏，樊记明，杨笑.《基于STM32和OV7670的图像采集与显示系统设计》[J].《传感器与微系统》，2016(9)：4-7.

[5]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)：34-37.