南京郵電大學(xué) 林靖凱 白 頔 顧晨暄

隨著無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展，多旋翼無人機(jī)已在電力巡檢、消防搜救、安防偵查、物流配送等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。其中，無人機(jī)的自主著陸是任務(wù)過程中的關(guān)鍵一環(huán)。本文以小型四旋翼無人機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種基于機(jī)器視覺的無人機(jī)自主著陸系統(tǒng)。通過采用地面人工標(biāo)識(shí)AprilTag與無人機(jī)的視覺引導(dǎo)跟蹤算法相結(jié)合的方案，對(duì)無人機(jī)在移動(dòng)平臺(tái)上的著陸系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目背景

隨著無人機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，無人機(jī)已在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，例如利用無人機(jī)進(jìn)行電力電網(wǎng)的日常巡檢、植保作業(yè)或通過搭載在貨車上進(jìn)行包裹遞送等。旋翼飛行器可垂直起降，更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)，但其劣勢(shì)是飛行器續(xù)航時(shí)間較短。為了增加續(xù)航時(shí)間，必須增加電池容量，但同時(shí)增加了機(jī)體重量，進(jìn)而導(dǎo)致飛行時(shí)間減短。

為突破固定充電平臺(tái)的局限性、擴(kuò)大無人機(jī)作業(yè)范圍，本文提出了一種基于機(jī)器視覺的無人機(jī)在移動(dòng)平臺(tái)上著陸的技術(shù)方案。通過自主跟蹤、著陸至移動(dòng)充電平臺(tái)進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)其活動(dòng)范圍的擴(kuò)大。飛行器通過搭載的攝像頭進(jìn)行圖像識(shí)別和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)著陸平臺(tái)的識(shí)別跟蹤、定位和穩(wěn)定降落。

無人機(jī)移動(dòng)平臺(tái)著陸技術(shù)作為一項(xiàng)通用的著陸技術(shù)，同時(shí)也可廣泛應(yīng)用于其他場(chǎng)景中，比如，智慧物流、電力巡檢、森林防火、生態(tài)監(jiān)測(cè)等。因此，本課題的研究方向具有較大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

2 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)包括飛行器和地面引導(dǎo)標(biāo)識(shí)兩部分構(gòu)成。

2.1.1 飛行器設(shè)計(jì)方案

目前常見的四旋翼無人機(jī)布局方式可分為十字型和X型兩種。十字型無人機(jī)的控制較為簡(jiǎn)單，X型無人機(jī)的控制則更為靈活，適合拓展功能。因此本方案選用X型無人機(jī)布局，搭載模塊包括飛行控制模塊、傳感器組、動(dòng)力模塊。綜合考慮搭載模塊的質(zhì)量、續(xù)航時(shí)間、飛行速度等因素，采用330mm機(jī)架。

2.1.2 地面引導(dǎo)標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)有的基于機(jī)器視覺的無人機(jī)定位技術(shù)主要分為識(shí)別自然場(chǎng)景和識(shí)別人工標(biāo)識(shí)兩類。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，多種成熟且有效的圖像識(shí)別算法已可以用于自然場(chǎng)景下的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤，其中包括利用攝像頭采集信息，通過傳回地面站或是自主分析的方式來完成任務(wù)目標(biāo)等。傳統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別與提取方法主要有光流法、CamShift目標(biāo)跟蹤算法、粒子濾波目標(biāo)跟蹤算法以及基于人工智能的算法等。相比于自然場(chǎng)景的識(shí)別，基于人工標(biāo)識(shí)的識(shí)別算法具有更高的識(shí)別準(zhǔn)確率。目前常見的人工標(biāo)識(shí)包括QR碼、ArUco碼、AprilTag碼等。除此之外，還有利用激光雷達(dá)、超聲波等來進(jìn)行定位的算法。

本課題由于對(duì)飛行器位置的實(shí)時(shí)性要求較高，因此在導(dǎo)航和目標(biāo)跟蹤算法的選擇上較為關(guān)鍵。對(duì)比多種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題采用AprilTag作為識(shí)別標(biāo)識(shí)。AprilTag是一個(gè)視覺基準(zhǔn)系統(tǒng)，在機(jī)器人技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。與其他人工標(biāo)識(shí)不同，AprilTag增加了對(duì)圖表的識(shí)別編碼，在存在變形、遮擋的情況下也能保持較高的準(zhǔn)確率，具有更好的魯棒性。同時(shí)，其檢測(cè)程序可以計(jì)算出攝像頭相對(duì)于標(biāo)識(shí)的3D位置。AprilTag標(biāo)識(shí)包括TAG16H5、TAG25H7、TAG36H11等多種，不同種類的標(biāo)識(shí)其有效區(qū)域大小不同，較小的有效區(qū)域可在較遠(yuǎn)處被識(shí)別，但同時(shí)由于校驗(yàn)信息的減少，識(shí)別錯(cuò)誤率也會(huì)上升。典型的AprilTag如圖1所示。

圖1 AprilTag實(shí)例

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和測(cè)試得出，TAG16H5識(shí)別距離遠(yuǎn)、錯(cuò)誤率高，TAG36H11識(shí)別距離近、錯(cuò)誤率低。因此分別選用兩種大小不同的標(biāo)識(shí)搭配進(jìn)行識(shí)別，以滿足在不同高度情況下的識(shí)別精度要求。將OpenMV安裝在無人機(jī)下方，豎直向下進(jìn)行圖像信息采集。由于OpenMV攝像頭為定焦鏡頭，在下降過程中無法變換焦距，將導(dǎo)致無法完整識(shí)別較大的標(biāo)識(shí)，導(dǎo)致識(shí)別精度降低。采用兩種不同大小規(guī)格的標(biāo)識(shí)，在不同的飛行高度階段識(shí)別不同規(guī)格的標(biāo)識(shí)，以滿足識(shí)別準(zhǔn)確度的要求。

2.2 系統(tǒng)工作流程

飛行器啟動(dòng)后開始系統(tǒng)的初始化，初始化完成后起飛執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。在接收到返航著陸的指令后，飛行器開始跟蹤移動(dòng)目標(biāo)上尺寸較大的識(shí)別標(biāo)志。當(dāng)識(shí)別圖像滿足著陸要求時(shí)，開始降低高度。高度降低至1m左右后，飛行器維持高度并保持跟蹤，同時(shí)對(duì)較小的識(shí)別標(biāo)志進(jìn)行識(shí)別，調(diào)整飛行位置，繼續(xù)執(zhí)行降落程序。

3 理論分析

3.1 飛行器動(dòng)力模型分析

四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型輸入為速度和角速度，輸出為位置和姿態(tài)。在地面坐標(biāo)系下，研究四旋翼的運(yùn)動(dòng)下位置與速度的關(guān)系，有：

其中，Pe=[x y z]T表示四旋翼重心的位置坐標(biāo)，Ve=[Vx Vy Vz]T表示四旋翼的速度。

根據(jù)姿態(tài)角變化率與機(jī)體角速度的關(guān)系，可得：

3.2 飛行器控制方式分析

無人機(jī)采用基于PID的閉環(huán)控制方式。PID算法是將偏差的比

圖2 高度PID控制

例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量并對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制。降落過程中無人機(jī)采用雙閉環(huán)PID控制。其中角度作為外環(huán)，角速度作為內(nèi)環(huán)，進(jìn)行姿態(tài)PID控制。當(dāng)需要穩(wěn)定高度時(shí)，z軸加速度作為內(nèi)環(huán)，進(jìn)行高度PID控制，PID輸出值至電子調(diào)速器，電子調(diào)速器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂茻o人機(jī)高度。控制流程框圖如圖2所示。

3.3 AprilTag識(shí)別算法分析

3.3.1 邊緣檢測(cè)

將采集到的圖像通過自適應(yīng)閾值進(jìn)行灰度處理，得到灰度圖。再經(jīng)過濾波處理后，為每個(gè)像素分配白色或黑色值并對(duì)其進(jìn)行二值化處理。通過識(shí)別具有相反顏色且相鄰的邊緣像素進(jìn)行邊緣檢測(cè)和分割。

3.3.2 四邊形檢測(cè)

首先對(duì)無序的輪廓點(diǎn)按照對(duì)重心的角度進(jìn)行排序，接著按照順序選取距離中心點(diǎn)一定范圍內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行直線擬合并不停地進(jìn)行迭代，同時(shí)計(jì)算每條直線的誤差總和。選取誤差總和最大的四條直線對(duì)應(yīng)的邊角點(diǎn)索引作為四邊形的邊角角點(diǎn)。取角點(diǎn)間的點(diǎn)擬合直線，計(jì)算得四條直線的角點(diǎn)作為四邊形的頂點(diǎn)。

3.3.3 解碼與編碼

通過調(diào)用OpenMV機(jī)器視覺模塊的庫函數(shù)tag.x_translation()、tag.y_translation()、tag.z_translation()和tag.x_rotation()、tag.y_rotation()、tag.z_rotation()得到AprilTag相對(duì)于攝像頭的3個(gè)空間位置量和3個(gè)旋轉(zhuǎn)量。

根據(jù)選用的OV7725攝像頭的焦距、像素及感光元件長(zhǎng)度，可通過公式計(jì)算得到AprilTag相對(duì)于攝像頭在x,y,z軸三個(gè)方向上的實(shí)際距離。通過串口，將相對(duì)位置和角度數(shù)據(jù)傳送至飛控進(jìn)行進(jìn)一步處理。

4 控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 系統(tǒng)硬件總體框圖

系統(tǒng)硬件部分主要包括飛行控制模塊、傳感器組、動(dòng)力模塊三部分，總體框圖如圖3所示。

4.1.2 飛行控制模塊設(shè)計(jì)及選擇

飛行控制模塊為無人機(jī)的核心控制模塊，其作用包括實(shí)時(shí)處理傳感器采集的信息得到飛行器的姿態(tài)信息，通過PID控制算法得到控制量，轉(zhuǎn)化為所需要的控制量輸出并控制四個(gè)電機(jī)工作，從而保證飛行器的穩(wěn)定飛行。常見的核心飛控板芯片包括stm32、tm4c123、pixhawk、樹莓派等。綜合考慮飛控的開源性、穩(wěn)定性、可用接口及資源，選擇tm4c123作為飛控板芯片。其主頻為80MHz，F(xiàn)lash容量為256KB，RAM容量32KB，自帶2K的EEPROM，支持UART串口多達(dá)8路、I2C通訊6路、PWM輸出多達(dá)16路以及12個(gè)定時(shí)器，可以滿足任務(wù)的需求。

圖3 系統(tǒng)硬件總體框圖

4.1.3 傳感器組設(shè)計(jì)及選擇

飛行器上搭載的傳感器包括陀螺儀模塊、超聲波模塊、光流模塊以及用于OpenMV攝像頭。

（1）IMU姿態(tài)傳感器選擇

IMU姿態(tài)傳感器選用MPU6050，為6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸加速度計(jì)，通過I2C接口與飛控芯片進(jìn)行通訊和信息傳送。陀螺儀可采集無人機(jī)包括沿3個(gè)坐標(biāo)軸方向的線運(yùn)動(dòng)和沿3個(gè)坐標(biāo)軸方向的角運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的6個(gè)自由度的數(shù)據(jù)信息。通過測(cè)量角速率和積分并由飛控進(jìn)行處理后得到姿態(tài)角，來得知無人機(jī)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)信息。

（2）定位模塊選擇

選用光流LC306模塊作為飛行器空間定位模塊。該模塊通過實(shí)時(shí)采集圖像，根據(jù)前后幀地面的圖像差異實(shí)時(shí)檢測(cè)飛行器的水平移動(dòng)距離，通過飛控輸出控制量控制電機(jī)修正位移，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的懸停。

（3）定高模塊選擇

選用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊作為飛行器定高模塊。該模塊用于實(shí)現(xiàn)飛行器的高度控制。其可實(shí)現(xiàn)0-0.45m的非接觸測(cè)距功能，具有功耗低、成本低的特點(diǎn)，同時(shí)具有GPIO、串口等多種通信方式，工作穩(wěn)定可靠。

（4）視覺處理模塊選擇

選用OpenMV攝像頭用于獲取圖像以進(jìn)行視覺導(dǎo)航。OpenMV攝像頭包括主頻為480MHz的ARM Cortex M7處理器，以及一顆OV7725攝像頭，通過串口實(shí)現(xiàn)與飛控的信息交互。OpenMV可采用Python進(jìn)行編程，易于進(jìn)行機(jī)器視覺的各項(xiàng)開發(fā)和應(yīng)用。

4.1.4 動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)及選擇

動(dòng)力模塊由無刷電機(jī)、電子調(diào)速器、鋰電池、分電板組成。

電機(jī)選用2212 KV1400無刷電機(jī)。對(duì)比傳統(tǒng)直流電機(jī)，無刷電機(jī)具有體積小、扭矩大、響應(yīng)速度快、控制精度高的特點(diǎn)，滿足四旋翼飛行器實(shí)時(shí)及高精度的控制需求。根據(jù)無刷電機(jī)的功率需求，選用30A的電子調(diào)速器。鋰電池選用一塊11.1-12.6V的航模鋰電池，通過各四個(gè)電子調(diào)速器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)通過分電板穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換為5V輸出給飛控及其余傳感器組供電。

4.2 軟件程序設(shè)計(jì)

飛控軟件基于Keil軟件進(jìn)行開發(fā)，采用可移植性較強(qiáng)的C語言進(jìn)行程序的編寫。軟件的主要設(shè)計(jì)思路如下：

（1）飛行器上電、飛控接通電源后，進(jìn)行加速度計(jì)、陀螺儀等各項(xiàng)硬件的初始化程序和校準(zhǔn)。

（2）遙控飛行器起飛，執(zhí)行指定任務(wù)。此時(shí)飛控處在自穩(wěn)模式，通過姿態(tài)解算和控制維持無人機(jī)穩(wěn)定飛行。

（3）通過遙控器上的開關(guān)發(fā)送著陸信號(hào)指令，飛控通過中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)入自主著陸模式，執(zhí)行跟蹤著陸程序。

（4）跟蹤著陸程序首先通過攝像頭尋找TAG16H5系A(chǔ)prilTag。由OpenMV采集到的圖像經(jīng)過圖像預(yù)處理、圖像灰度化、圖像濾波、圖像二值化等步驟后，通過函數(shù)解算得到無人機(jī)相對(duì)于標(biāo)識(shí)二維碼的方位位置信息。

（5）根據(jù)解算得到的位置角度信息進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整并下降高度。高度降至1m左右時(shí)，切換識(shí)別較小的TAG36H11系A(chǔ)prilTag，繼續(xù)通過攝像頭識(shí)別、解算相關(guān)位置參數(shù)信息，根據(jù)得到的信息調(diào)整姿態(tài)直至最終著陸。軟件流程框圖如圖4所示。

圖4 飛控軟件流程框圖

結(jié)束語：本文以小型四旋翼無人機(jī)為研究對(duì)象，通過搭載OpenMV機(jī)器視覺及相關(guān)輔助模塊，研究并設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行跟蹤和著陸的方案。通過識(shí)別AprilTags將無人機(jī)引導(dǎo)著陸至目標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)上，提高了無人機(jī)的自主飛行能力。