基于GPS及光流傳感器的四旋翼飛行器

【摘 要】四旋翼飛行器作為一種新型的飛行器近幾年開(kāi)始流行了起來(lái)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，可擴(kuò)展性強(qiáng)，有很大的研究?jī)r(jià)值。本文簡(jiǎn)單的介紹了四旋翼飛行器中實(shí)現(xiàn)定位的方法，以及現(xiàn)有的定位技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】四旋翼飛行器 定位 IMU GPS 光流 UWB

一、引言

四旋翼飛行器具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活、姿態(tài)多樣、可擴(kuò)展性好和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因而其在勘探、測(cè)繪、救援、航拍等領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。而這些領(lǐng)域無(wú)一不要求相當(dāng)?shù)木_度、可靠性和自主性，這些都對(duì)飛行器的控制系統(tǒng)提出了苛刻的要求。系統(tǒng)中的傳感器給控制系統(tǒng)提供各種參數(shù)，控制系統(tǒng)處理這些參數(shù)后改變電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖冿w行器的飛行姿態(tài)。常規(guī)四旋翼平臺(tái)搭載的實(shí)現(xiàn)自主定位導(dǎo)航的傳感器是GPS模塊，辨識(shí)方向的是羅盤模塊，進(jìn)行飛行控制的是慣性測(cè)量模塊（IMU），用于測(cè)量高度的是壓力傳感器，另有超聲波測(cè)距儀、激光測(cè)距儀等傳感器用于探測(cè)航路中的障礙物進(jìn)而在飛行中動(dòng)態(tài)避障。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是一套通過(guò)圖像攝取裝置將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，通過(guò)專用的圖像處理系統(tǒng)，將像素分布及顏色、亮度等信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳送給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制設(shè)備動(dòng)作的一套系統(tǒng)。機(jī)器視覺(jué)具有被動(dòng)性和輕量化的特性，同時(shí)可依靠單一傳感器實(shí)現(xiàn)大量信息的采集和處理，在四旋翼飛行器這一對(duì)精度要求很高、數(shù)據(jù)量大、但空間有限的平臺(tái)上的應(yīng)用有十分廣闊的前景。光流傳感器便是一種可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)的簡(jiǎn)單裝置，主要由一個(gè)裝載在機(jī)身上的低像素?cái)z像頭組成，它與IMU及飛行控制計(jì)算機(jī)等配合，對(duì)攝像頭所得圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和解讀，還原出當(dāng)前所處的三位動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

本文重點(diǎn)探究基于機(jī)載小型GPS模塊及光流傳感器的四旋翼飛行器精確定位運(yùn)動(dòng)及其應(yīng)用展望。

二、GPS定位系統(tǒng)

GPS模塊是實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器定位和導(dǎo)航的首選，搭建平臺(tái)時(shí)可利用GPS模塊測(cè)定飛行器所在位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，并利用高度計(jì)和超聲波傳感器結(jié)合進(jìn)行飛行高度的測(cè)定，同時(shí)用IMU模塊（三維陀螺儀和加速度計(jì)）在GPS導(dǎo)航模塊的支持下實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的慣性導(dǎo)航自主飛行。

運(yùn)作時(shí)向機(jī)載單片機(jī)輸入一系列點(diǎn)的GPS坐標(biāo)，同時(shí)通過(guò)機(jī)載GPS系統(tǒng)得到當(dāng)前載體的定位數(shù)據(jù)，并與存儲(chǔ)的定位坐標(biāo)做實(shí)時(shí)比對(duì)，由機(jī)載飛行控制計(jì)算機(jī)計(jì)算生成對(duì)應(yīng)最優(yōu)航線，并根據(jù)IMU模塊及高度計(jì)、超聲波傳感器得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正航線，同時(shí)將定位坐標(biāo)實(shí)時(shí)發(fā)回地面站，由地面計(jì)算機(jī)處理并顯示當(dāng)前位置、線路及飛行狀態(tài)。

三、光流技術(shù)

一般而言，光流是由于場(chǎng)景中前景目標(biāo)本身的移動(dòng)、相機(jī)的運(yùn)動(dòng)，或者兩者的共同運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的，當(dāng)人的眼睛觀察運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，物體的景象在人眼的視網(wǎng)膜上形成一系列連續(xù)變化的圖像，這一系列連續(xù)變化的信息不斷“流過(guò)”視網(wǎng)膜（成像平面），像一種光的“流”，故稱之為光流。光流表達(dá)了圖像的變化，由于它包含了目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)的信息，因此可被觀察者用以確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況。

光流的概念由Gibson在1950年提出，指空間運(yùn)動(dòng)中的物體在觀察成像平面上的像素運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，光流技術(shù)就是利用圖像序列中像素在時(shí)間域上的變化及相鄰幀之間的相關(guān)性來(lái)找到上一幀與當(dāng)前幀之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而計(jì)算出相鄰幀之間物體的運(yùn)動(dòng)信息的一種方法。研究光流場(chǎng)的目的就是從圖片序列中近似得到不能直接得到的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。其中運(yùn)動(dòng)場(chǎng)可理解為物體在三維真實(shí)世界中的運(yùn)動(dòng)，光流場(chǎng)是運(yùn)動(dòng)場(chǎng)在二維圖像平面（人眼或者攝像頭）的投影。

從生物學(xué)中昆蟲(chóng)飛行時(shí)將光流用于3D飛行控制的行為得到啟發(fā)，光流技術(shù)被應(yīng)用在了飛行器的動(dòng)態(tài)定位和導(dǎo)航中。四旋翼飛行器搭載的光流傳感器所利用的攝像頭有分辨率低、幀率高的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較快的數(shù)據(jù)處理與更新。利用光流傳感器對(duì)捕捉的圖像進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)獲取飛行器自身位置及運(yùn)動(dòng)情況，并將測(cè)得數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸回地面站PC機(jī)分析處理。

為計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)信息，如今已發(fā)展出了很多確定當(dāng)前時(shí)刻下一幀的被測(cè)物位置的光流計(jì)算方法。由二維速度場(chǎng)與灰度的聯(lián)系，引入光流約束方程，可得到光流計(jì)算的基本算法，接下來(lái)基于不同的理論基礎(chǔ)，各種光流計(jì)算方法被創(chuàng)造出來(lái)，如今利用OpenCV庫(kù)代碼向單片機(jī)系統(tǒng)的移植可以比較容易地實(shí)現(xiàn)所需的光流計(jì)算。

四、空間定位技術(shù)

在室內(nèi)不具備室外的開(kāi)擴(kuò)環(huán)境，因此定位也出現(xiàn)了許多困難。人們通常使用電磁波進(jìn)行定位，常見(jiàn)的定位方式有時(shí)差定位技術(shù)、信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量技術(shù)、到達(dá)時(shí)間定位和到達(dá)時(shí)間差定位等。近年來(lái)隨著科技的發(fā)展又產(chǎn)生了UWB定位技術(shù)，它的頻帶從3.1GHz到10.6GHz，如此高的頻率非常適合于短距離快速通訊，非常適合室內(nèi)這種環(huán)境。在接收到精確的位置以及物體分布后便可在狹窄的室內(nèi)計(jì)算出導(dǎo)航路線。這種探測(cè)方式在一定程度上彌補(bǔ)了光流傳感器不能提前預(yù)知周圍環(huán)境的不足，與光流傳感器相互糾錯(cuò)可將錯(cuò)誤率降低，也進(jìn)一步保證了室內(nèi)的安全。

五、應(yīng)用及市場(chǎng)

四旋翼飛行器的輕量、靈活、操作靈敏的特性決定了其在物品短距離遞送中的應(yīng)用前景十分廣闊，尤其是一些特殊場(chǎng)景下滿足特殊要求的遞送業(yè)務(wù)中，四旋翼飛行器的角色將很難替代。如今市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了四旋翼飛行器用于快遞蛋糕、書(shū)籍等服務(wù)的嘗試，而其價(jià)值可以在一些有特別需求的行業(yè)中利用本文所述的精確定位運(yùn)動(dòng)技術(shù)得以體現(xiàn)，如飲料精準(zhǔn)遞送、寫字樓室內(nèi)精確快遞等領(lǐng)域的需求一旦被發(fā)掘，其市場(chǎng)潛力將會(huì)十分巨大。

六、總結(jié)

為實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的精確定位及導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)，機(jī)身需搭載的傳感器除了常規(guī)的IMU模塊（陀螺儀和加速度計(jì)）、高度計(jì)和GPS模塊以外，還可以使用光流傳感器、超聲波探測(cè)器等模塊提高測(cè)量精度。其中光流傳感器可以利用圖像匹配在修正路徑、保持懸停等動(dòng)作中起到重要作用，還可以在GPS信號(hào)不可用等情況下實(shí)現(xiàn)精確定位導(dǎo)航；超聲波探測(cè)器在機(jī)身高度測(cè)量中普遍可以提供高于普通高度計(jì)的測(cè)量精度，為后續(xù)基于載體空間位置信息的路經(jīng)計(jì)算、姿態(tài)調(diào)整等過(guò)程提供更加精確和可靠的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王波：《淺談UWB定位技術(shù)》：《中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品》 2011年23期