基于四旋翼飛行器對地面移動信標(biāo)自主探測和跟蹤系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

王博 錢家琛 邱城偉 肖建

摘要：介紹了一種基于四旋翼飛行器快速、穩(wěn)定探測和跟綜地面上有色信標(biāo)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三部分組成：具有探測和跟蹤功能的四旋翼飛行器、可遙控移動的有色信標(biāo)小車和遙控終端（地面站）。四旋翼飛行器、可遙控移動的有色信標(biāo)小車和遙控終端均采用Cortex-M3內(nèi)核處理器。四旋翼飛行器能準(zhǔn)確探測到地面上的有色信標(biāo)位置，并在信標(biāo)靜止的情況下能快速穩(wěn)定懸停在信標(biāo)的正上方。在遙控終端控制有色信標(biāo)小車任意方向移動，四旋翼飛行器能快速跟蹤信標(biāo)的移動。當(dāng)四旋翼飛行器在有色信標(biāo)小車上方一定距離和范圍內(nèi)時，四旋翼飛行器和小車同時發(fā)出聲光報警。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；探測和跟蹤；顏色識別；PID控制

DOI： 10.396 9/j.issn.1005-5517.2 01 8.7.009

0 引言

四旋翼飛行器具有體積小、重量輕、易組裝、靈活度高、隱藏性好等特點，適用多種空間場所，可以在任何小平臺上靈活起降。它方便攜帶，低空飛行性好，能執(zhí)行各種不適合人體環(huán)境的特種任務(wù)，可在復(fù)雜環(huán)境下如洞穴隧道等幽閉場所快速執(zhí)行偵察、勘察任務(wù)。

基于四旋翼飛行器的地面移動信標(biāo)自主探測和跟蹤系統(tǒng)能有效快速、穩(wěn)定地對地面目標(biāo)實時跟蹤，因此在軍事偵察、交通監(jiān)控、抗災(zāi)救援、民用領(lǐng)域等都有著廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)得到很多專家們的高度關(guān)注，成為當(dāng)前該領(lǐng)域下最活躍的研究方向之一。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)整體功能框圖如圖1所示。本系統(tǒng)旨在設(shè)計并制作一架能穩(wěn)定飛行的四旋翼飛行器，且具有目標(biāo)物體探測識別、自動定位、自主跟蹤地面上運動的信標(biāo)小車等功能。該系統(tǒng)由三部分組成：具有探測和跟蹤功能的四旋翼飛行器、可遙控移動的有色信標(biāo)小車和遙控終端（地面站）。四旋翼飛行器借助pixHawk飛控平臺，負(fù)責(zé)飛行姿態(tài)檢測；飛行控制以兩塊瑞薩RX23T單片機為核心，由openMV圖像識別模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊等幾部分構(gòu)成，飛行過程中，經(jīng)過瑞薩芯片處理各外設(shè)采集的包括飛行器高度、色塊位置、小車位置等數(shù)據(jù)，結(jié)合PID控制算法給出飛行器的飛行決策，同時解算出相應(yīng)通道值（pitcH、yaw、roll和tH rottle等），通過ppm信號控制飛控板及時來調(diào)整電機轉(zhuǎn)速值，使飛行器穩(wěn)定在指定高度，調(diào)整飛行姿態(tài)，使飛行器及時到達相應(yīng)的位置，從而對地面信標(biāo)實現(xiàn)探測和跟蹤等功能。遙控終端（地面站）控制信標(biāo)小車的移動并實時反饋顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息。

2 四旋翼飛行器控制與導(dǎo)航

四旋翼飛行器控制部分機構(gòu)框圖如圖2所示。四旋翼飛行器借助PixHawk平臺以及兩塊瑞薩開發(fā)板RX23T協(xié)同控制；一塊RX23T作飛行控制，另一塊RX23T作信息處理。兩塊RX23T之間通過I2C進行通信，作飛行控制的RX23T與PixHawk通過Mavlink進行通信。圖像數(shù)據(jù)借助。penMV實現(xiàn)采集：高度信息借助超聲波模塊實現(xiàn)采集。高度信息和圖像信息在信息處理板中進行數(shù)據(jù)融合后，經(jīng)I2C傳輸給飛行控制板和經(jīng)無線數(shù)傳模塊傳給小車遙控器（地面站），飛行控制板結(jié)合Pixhawk回傳的飛行器當(dāng)前姿態(tài)等信息給出正確的飛行決策，并將此次的飛行決策寫入PPM編碼中傳給Pixhawk。小車遙控器將接收到的的融合數(shù)據(jù)重新解碼，并在串口屏上顯示出來供用戶查看飛行器當(dāng)前的運動信息。

3 有色信標(biāo)小車制作

在本次系統(tǒng)中移動的信標(biāo)用遙控小車來模擬。為讓信標(biāo)小車能被四旋翼飛行器唯一探測和跟蹤到，在小車頂部用紅色布片作為信標(biāo)特征以便攝像頭識別。

信標(biāo)小車為四輪機械小車，核心控制板采用的是TI公司的TM4C123G開發(fā)板；采用工作電壓為12 V、帶有霍爾編碼器、減速比為30：1的直流有刷電機，通過L298N驅(qū)動。信標(biāo)小車將接收到的控制信號解碼后換算為小車左右兩邊電機的轉(zhuǎn)速值，并借助霍爾編碼器對其轉(zhuǎn)速進行的PID調(diào)控，精確快速的控制小車移動。

4 小型遙控器（地面站）的制作

遙控器終端（地面站）采用TI公司的TM4C123G芯片作為處理器。遙控器的主要功能是控制信標(biāo)小車的移動和人性化展示系統(tǒng)的狀態(tài)信息 飛行器當(dāng)前的運動姿態(tài)及檢測到的信標(biāo)位置坐標(biāo)值和信標(biāo)小車的運動狀態(tài)。

遙控器終端的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。左遙桿負(fù)責(zé)控制小車的油門，即控制小車的前行速度的快慢；右搖桿負(fù)責(zé)小車的方向，即控制小車的左右移動的快慢。遙桿輸出的模擬量通過ADC采樣后輸入給單片機，單片機將其轉(zhuǎn)換成控制電機轉(zhuǎn)速的PWM信號并通過無線數(shù)據(jù)傳輸給信標(biāo)小車。顯示屏上有人性化的信息界面和控制面板，當(dāng)?shù)孛嫔嫌卸鄠€信標(biāo)存在時，可通過顯示屏上的控制面板選擇飛行器探測和跟蹤指定的信標(biāo)。

5 信標(biāo)的快速定位和追蹤

本系統(tǒng)的難點之一在于如何實現(xiàn)四旋翼飛行器對信標(biāo)的快速探測和動態(tài)跟蹤。對此，提出一種新型的pid控制方法 將攝像頭視野中信標(biāo)小車的周圍區(qū)域劃分為內(nèi)外兩個“環(huán)”，外環(huán)區(qū)域內(nèi)飛行器的運動具有大的比例（P）控制和小的微分（D）控制，內(nèi)環(huán)區(qū)域內(nèi)飛行器的運動具有小的比例（P）控制和大的微分（D）控制。簡單來講，就是“外環(huán)大P小D，內(nèi)環(huán)大D小P”，探測和跟蹤的運動控制PID圖解如圖4所示。為求解飛行器對信標(biāo)小車的相對位置，我們在攝像頭視野中建立如圖5所示的虛擬坐標(biāo)圖。攝像頭置于飛行器底部，所以攝像頭視野中心點M坐標(biāo)為（x0，y0）可看成飛行器在地面上的投影位置，通過簡單的視覺處理，可算出信標(biāo)在坐標(biāo)圖中的位置（xl，yl），xl- x0和yl- y0就是飛行器與信標(biāo)的相對坐標(biāo)差 飛行器探測和跟蹤控制PID的重要輸入?yún)?shù)。當(dāng)M點在“外環(huán)”時，根據(jù)前述的控制算法，飛行器會快速調(diào)整運動狀態(tài)向信標(biāo)移動：當(dāng)M點位于“內(nèi)環(huán)”之中時，飛行器的運動相對緩和，最終穩(wěn)定懸停在信標(biāo)的正上方，實現(xiàn)對信標(biāo)的快速探測和穩(wěn)定跟蹤。