王博 錢(qián)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(cè)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(cè)和跟蹤功能的四旋翼飛行器、可遙控移動(dòng)的有色信標(biāo)小車(chē)和遙控終端（地面站）。四旋翼飛行器、可遙控移動(dòng)的有色信標(biāo)小車(chē)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(cè)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(chē)任意方向移動(dòng)，四旋翼飛行器能快速跟蹤信標(biāo)的移動(dòng)。當(dāng)四旋翼飛行器在有色信標(biāo)小車(chē)上方一定距離和范圍內(nèi)時(shí)，四旋翼飛行器和小車(chē)同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；探測(cè)和跟蹤；顏色識(shí)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(diǎn)，適用多種空間場(chǎng)所，可以在任何小平臺(tái)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(chǎng)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(dòng)信標(biāo)自主探測(cè)和跟蹤系統(tǒng)能有效快速、穩(wěn)定地對(duì)地面目標(biāo)實(shí)時(shí)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(zhuān)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(jì)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(cè)識(shí)別、自動(dòng)定位、自主跟蹤地面上運(yùn)動(dòng)的信標(biāo)小車(chē)等功能。該系統(tǒng)由三部分組成：具有探測(cè)和跟蹤功能的四旋翼飛行器、可遙控移動(dòng)的有色信標(biāo)小車(chē)和遙控終端（地面站）。四旋翼飛行器借助pixHawk飛控平臺(tái)，負(fù)責(zé)飛行姿態(tài)檢測(cè)；飛行控制以?xún)蓧K瑞薩RX23T單片機(jī)為核心，由openMV圖像識(shí)別模塊、超聲波測(cè)距模塊、聲光報(bào)警模塊等幾部分構(gòu)成，飛行過(guò)程中，經(jīng)過(guò)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(chē)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(shí)解算出相應(yīng)通道值（pitcH、yaw、roll和tH rottle等），通過(guò)ppm信號(hào)控制飛控板及時(shí)來(lái)調(diào)整電機(jī)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(shí)到達(dá)相應(yīng)的位置，從而對(duì)地面信標(biāo)實(shí)現(xiàn)探測(cè)和跟蹤等功能。遙控終端（地面站）控制信標(biāo)小車(chē)的移動(dòng)并實(shí)時(shí)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(jī)構(gòu)框圖如圖2所示。四旋翼飛行器借助PixHawk平臺(tái)以及兩塊瑞薩開(kāi)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(guò)I2C進(jìn)行通信，作飛行控制的RX23T與PixHawk通過(guò)Mavlink進(jìn)行通信。圖像數(shù)據(jù)借助。penMV實(shí)現(xiàn)采集：高度信息借助超聲波模塊實(shí)現(xiàn)采集。高度信息和圖像信息在信息處理板中進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，經(jīng)I2C傳輸給飛行控制板和經(jīng)無(wú)線數(shù)傳模塊傳給小車(chē)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(xiě)入PPM編碼中傳給Pixhawk。小車(chē)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(lái)供用戶(hù)查看飛行器當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)信息。

3 有色信標(biāo)小車(chē)制作

在本次系統(tǒng)中移動(dòng)的信標(biāo)用遙控小車(chē)來(lái)模擬。為讓信標(biāo)小車(chē)能被四旋翼飛行器唯一探測(cè)和跟蹤到，在小車(chē)頂部用紅色布片作為信標(biāo)特征以便攝像頭識(shí)別。

信標(biāo)小車(chē)為四輪機(jī)械小車(chē)，核心控制板采用的是TI公司的TM4C123G開(kāi)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(jī)，通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)。信標(biāo)小車(chē)將接收到的控制信號(hào)解碼后換算為小車(chē)左右兩邊電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，并借助霍爾編碼器對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行的PID調(diào)控，精確快速的控制小車(chē)移動(dòng)。

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(chē)的移動(dòng)和人性化展示系統(tǒng)的狀態(tài)信息 飛行器當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及檢測(cè)到的信標(biāo)位置坐標(biāo)值和信標(biāo)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)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(chē)的油門(mén)，即控制小車(chē)的前行速度的快慢；右搖桿負(fù)責(zé)小車(chē)的方向，即控制小車(chē)的左右移動(dòng)的快慢。遙桿輸出的模擬量通過(guò)ADC采樣后輸入給單片機(jī)，單片機(jī)將其轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸給信標(biāo)小車(chē)。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€(gè)信標(biāo)存在時(shí)，可通過(guò)顯示屏上的控制面板選擇飛行器探測(cè)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(diǎn)之一在于如何實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器對(duì)信標(biāo)的快速探測(cè)和動(dòng)態(tài)跟蹤。對(duì)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(chē)的周?chē)鷧^(qū)域劃分為內(nèi)外兩個(gè)“環(huán)”，外環(huán)區(qū)域內(nèi)飛行器的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)具有小的比例（P）控制和大的微分（D）控制。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是“外環(huán)大P小D，內(nèi)環(huán)大D小P”，探測(cè)和跟蹤的運(yùn)動(dòng)控制PID圖解如圖4所示。為求解飛行器對(duì)信標(biāo)小車(chē)的相對(duì)位置，我們?cè)跀z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(diǎn)M坐標(biāo)為（x0，y0）可看成飛行器在地面上的投影位置，通過(guò)簡(jiǎn)單的視覺(jué)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(duì)坐標(biāo)差 飛行器探測(cè)和跟蹤控制PID的重要輸入?yún)?shù)。當(dāng)M點(diǎn)在“外環(huán)”時(shí)，根據(jù)前述的控制算法，飛行器會(huì)快速調(diào)整運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向信標(biāo)移動(dòng)：當(dāng)M點(diǎn)位于“內(nèi)環(huán)”之中時(shí)，飛行器的運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩和，最終穩(wěn)定懸停在信標(biāo)的正上方，實(shí)現(xiàn)對(duì)信標(biāo)的快速探測(cè)和穩(wěn)定跟蹤。