基于OpenMV的四旋翼无人机目标跟踪系统设计与实现

马晓琳，周弘斌，黄福龙

（陆军工程大学石家庄校区，河北石家庄，050003）

1 概述

四旋翼无人机因灵巧、方便、易操作，等优点，搭载摄像头可实现侦察监视和目标搜索任务，在军事和民用领域得到广泛的应用。四旋翼无人机通过相机获得的视觉信息计算得到目标与无人机间的水平位移，将信息回传给飞控，进而自动调整无人机的姿态和位置，实现目标锁定与跟踪[1]。在跟踪过程中，如何实现自主定位、寻找并跟随目标等复杂功能是无人机识别跟踪的关键，涉及图像的实时采集、高效高精度的目标跟踪算法和图像数据反馈与飞控指令的配合等多个难点问题。本文旨在基于四旋翼无人机为平台，应用计算机视觉技术完成对地面任务目标的侦查、监视、跟踪，通过智能分析技术，迅速辨别运动目标；配合算法研究，对目标进行精准跟踪，从而获取目标信息并进行有效跟踪。

2 系统总体设计

本系统由数据信息采集、数据信号处理、飞行姿态稳定和航向控制等部分组成。系统以STM32F407飞控单元为核心，完成飞机的自稳，通过光流传感器来定位飞行高度，将Openmv4模块镜头获取的图像经过处理识别，发送数据给飞控，飞控对接收的数据进行旋转解耦、滤波、PID调节，控制飞机姿态，从而实现对地面目标的自动跟踪[2]。整个系统采用开源设计，可进行目标识别跟踪算法移植，按需更换Openmv4摄像头，方便灵活，通用性强。

3 系统硬件组成

四旋翼无人机硬件系统如图1所示，主要包括：动力系统、遥控器模块、无线数传、STM32F407飞控模块、识别定位系统等。四旋翼无人机的动力系统主要包括电机、电调、螺旋桨和电池；飞控模块为四旋翼无人机的核心部分，通过接收遥控器端的指令，采集并处理传感器模块返回的姿态位置信息，根据控制算法的结果向动力系统发送指令，控制无人机完成飞行任务；无线数传模块一端接入计算机（地面站软件），一端接入四旋翼无人机飞控系统，通信采用一定协议进行，从而保持无人机与地面站的双向通讯[3]；光流模块与飞控相连，集成光流传感器和惯性传感器，实现对四旋翼无人机的高精度定位；OpenMV是一款基于STM32F765VI ARM Cortex M7处理器的单片机和OV2640图像传感器的机械视觉模块。图像传感器为OV9V034彩色标配，本项目选用5MP 2.8mm 1/2.5"无畸变镜头，提高画面清晰度，从而大大提高自动跟踪过程有效性。

图1 四旋翼无人机平台硬件系统结构

4 软件系统设计

4.1 软件系统总体设计

如图2所示，软件系统由视觉模块、串口通信模块、飞行控制模块组成，视觉模块进行图像获取并识别，通过串口通信模块发送数据到飞行控制模块进行四旋翼姿态控制，自动跟踪。

图2 软件系统总体设计框图

4.2 解耦与色块跟踪算法

STM32F07飞控对Openmv传回的数据进行处理，并解除因机体俯仰、横滚旋转而造成追踪目标坐标变化的耦合，也称作“旋转解耦”或“旋转补偿”。并用解算出的像素偏差耦合高度计算到地面偏差，用地面偏差控制期望速度，以减小偏差，实现自动跟踪。STM32F07飞控对Openmv传回的数据进行处理并解析数据，通过旋转解耦解除因机体俯仰、横滚旋转而造成追踪目标坐标变化的耦合，解算出的像素偏差耦合高度计算到地面偏差，用地面偏差控制期望速度，进入色块计算处理模块，得到地面偏差，计算微分偏差，得到地面目标的速度，通过距离偏差PD控制和速度前馈处理，进行飞行跟踪控制，自动跟随地面目标。

5 系统调试

5.1 四旋翼无人机的调试

飞控连接电脑地面站，成功打开连接后，观察地面站主界面的RX计数器，开始增长表示连接成功。在飞控已正确连接地面站并打开连接的情况下，进行飞控参数配置。最后进行电调与电机检查，接电解锁，推油门让电机开始旋转，然后让飞机倾斜，确认处于低处的电机转速上升，高处的电机转速下降，四个方向都确认一遍。确认完所有电机后，分别根据不同电机的转向，安装相应螺旋桨，保证每个螺旋桨都向下吹风[4]。

5.2 OpenMV图像调试

运用OpenMV IDE显示图像，并标记识别的图像，如图3所示。解析串口数据后，按照串口通信协议，将用户数据打包发送到飞控。在进行自动跟踪与识别的调试时，为确保四旋翼与人员的安全，将螺旋桨拆卸掉后，将色块放置于OpenMV镜头下方，移动色块观察电机转向及趋势模拟四旋翼实际飞行姿态的变化。四旋翼安装发送端数传，电脑连接接收端数传，通过无线数传将四旋翼飞行数据实时发送到电脑端地面站，实时检验自动跟踪效果，如图4所示。

图3 OpenMV IDE

图4 实时监控图

6 结语

本文应用模块化思想，应用STM32F103C8T6 控制器，采用姿态结算、坐标系转换、PID 调节等算法，配合硬件外设实现四旋翼飞行器的稳定飞行；光流法与GPS配合，在室内外对飞行器实现高精度的定位和稳定的控制，搭建四旋翼识别跟踪平台。结果表明，所述系统飞行稳定，可对地移动目标智能化进行识别、标记和跟踪。