四軸飛行器視覺導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

樊冬雪，成 怡，金海林，修春波

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387)

無(wú)人飛行器UAV(Unmanned Aerial Vehicle)簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)，是指利用空氣動(dòng)力抵消自身重量，可以實(shí)現(xiàn)自主飛行而不需要操作人員的飛行器。近幾年，無(wú)人飛行器得到了迅速的發(fā)展，其使用范圍已經(jīng)拓展到軍事、民用和科學(xué)研究三大領(lǐng)域[1]。

四軸飛行器屬于旋翼式無(wú)人飛行器的一種，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)對(duì)稱；(2)4個(gè)螺旋槳能產(chǎn)生較大的升力；(3)易于實(shí)現(xiàn)上下、前后、側(cè)向、水平等飛行姿態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，四軸飛行器的開發(fā)和研制取得了重大進(jìn)步，成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[2]。其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、低空偵查、信號(hào)干擾等領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。

由于四軸飛行器主要面對(duì)近地面環(huán)境，為了解決GPS在近地面環(huán)境失效的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了視覺導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的定位與導(dǎo)航。

1 視覺導(dǎo)航技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺是研究用計(jì)算機(jī)和成像設(shè)備來(lái)模擬人和生物視覺系統(tǒng)功能的技術(shù)學(xué)科[4]，在許多人類視覺無(wú)法感知的場(chǎng)合(如精確定量感知、危險(xiǎn)場(chǎng)景感知、不可見物體感知等)，計(jì)算機(jī)視覺更顯示出它的優(yōu)越性。圖像處理技術(shù)以及攝像機(jī)硬件的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以引入到無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航問(wèn)題中[5]。一個(gè)完整的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)由圖像采集、圖像處理與位姿解算、導(dǎo)航控制三部分組成，如圖1所示。

圖1 視覺導(dǎo)航系統(tǒng)組成

目前常用的導(dǎo)航方式有慣性導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航過(guò)程中慣性器件具有累積誤差,對(duì)初始值過(guò)于敏感;而GPS并不總是可獲取的,并且即使可以獲取，其精度上往往滿足不了無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的需要[6]。視覺導(dǎo)航技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、信息量豐富、智能化水平高、信號(hào)探測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，并且依靠計(jì)算機(jī)視覺提供的實(shí)時(shí)信息可以與慣性導(dǎo)航和GPS信息進(jìn)行融合，彌補(bǔ)后兩者的缺陷，提高導(dǎo)航精度[7]，因此視覺導(dǎo)航被大量地采用。

2 導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用機(jī)載攝像頭實(shí)時(shí)捕捉環(huán)境信息，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將圖像數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，采用攝像機(jī)標(biāo)定方法解算四軸飛行器的位姿信息及其與著陸平臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系，并生成導(dǎo)航指令發(fā)送至主控制器，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的飛行控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 飛控模塊

飛行控制模塊是整個(gè)飛行器的核心，需要執(zhí)行多種復(fù)雜的任務(wù)。STM32f103系列處理器主要有以下特性：(1)32位的 ARM Cortex-M3架構(gòu)；(2)支持 3.3 V低電壓供電；(3)72 MHz 運(yùn)行頻率，1.25 DMIPS/MHz；(4)AD/DA、IIC、SPI、UART、USB 等多種接口功能；(5)4 個(gè) 16 位定時(shí)器和2個(gè)帶有電機(jī)控制的 PWM高級(jí)控制定時(shí)器,作為主控的核心,其在開發(fā)應(yīng)用和處理器功能上有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

2.3 攝像頭

STM32開發(fā)板板載了一個(gè)攝像頭接口(P8)，用來(lái)鏈接OV7670攝像頭模塊。OV7670是OV(OmniVision)公司的一顆1/6英寸的CMOS VGA圖像傳感器,其體積小，工作電壓低，有效像素為 640×480，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。

2.4 無(wú)線收發(fā)模塊

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，具有125個(gè)可選工作頻道,數(shù)據(jù)傳輸率為1或2 Mb/s,SPI接口數(shù)據(jù)速率為0～8 Mb/s，工作電壓為 1.9～3.6 V，擁有自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能。

3 圖像處理與位姿解算

圖像處理與位姿解算是視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵，是四軸飛行器能否實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)降落的前提。當(dāng)系統(tǒng)獲得一幅圖像時(shí)，需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、理解，并從中提取出對(duì)飛行器著陸有用的信息，解算出飛行器實(shí)時(shí)的位置和姿態(tài)信息。導(dǎo)航系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的位姿參數(shù)作為自主飛行控制算法的主要輸入?yún)?shù)，以達(dá)到飛行器自主飛行控制的目的[8]。圖像處理與位姿解算的流程如圖3所示。

3.1 圖像預(yù)處理

圖3 圖像處理與位姿解算流程

在圖像生成、傳輸和記錄過(guò)程中,成像系統(tǒng)、傳輸介質(zhì)、工作環(huán)境和記錄設(shè)備的不完善均會(huì)引入噪聲而使圖像質(zhì)量下降。圖像預(yù)處理的目的是采用一系列技術(shù)降低噪聲的影響和圖像的失真程度[9],包括圖像的去噪、灰度化、二值化等。

3.2 特征提取

角點(diǎn)是圖像很重要的特征,對(duì)圖像圖形的理解和分析有很重要的作用[10]。角點(diǎn)提取是一種典型的幾何特征提取方法。Harris算法是基于亮度變化的角點(diǎn)檢測(cè)算法，不依賴于目標(biāo)的其他局部特征，利用角點(diǎn)本身的特點(diǎn)直接提取角點(diǎn)，計(jì)算簡(jiǎn)單，具有較高的穩(wěn)定性和魯棒性，能夠在圖像旋轉(zhuǎn)、灰度變化以及噪聲干擾等情況下準(zhǔn)確地檢測(cè)特征點(diǎn)，具有較高的點(diǎn)重復(fù)度和較低的誤檢率。Harris算法提取棋盤格角點(diǎn)如圖4所示，棋盤格旋轉(zhuǎn)后提取的角點(diǎn)如圖5所示。

圖4 Harris算法提取棋盤格角點(diǎn)

圖5 棋盤格旋轉(zhuǎn)后提取的角點(diǎn)

3.3 位姿解算

由于攝像頭是安裝在四軸飛行器上的，其與飛行器的相對(duì)位置關(guān)系已確定，因此可由攝像頭的位姿信息來(lái)推算四軸飛行器的實(shí)時(shí)位姿信息。常用的位姿測(cè)量方法其實(shí)質(zhì)是攝像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定的過(guò)程。攝像機(jī)標(biāo)定是確定攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的一個(gè)過(guò)程，其中內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定是指確定攝像機(jī)固有的、與位置參數(shù)無(wú)關(guān)的內(nèi)部幾何與光學(xué)參數(shù)；而外部參數(shù)的標(biāo)定是指確定攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的三維位置和方向關(guān)系，可用3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣R和一個(gè)平移向量t來(lái)表示。從攝像機(jī)采集到的圖像中提取并區(qū)分各個(gè)特征點(diǎn)之后，得到了一系列特征點(diǎn)的物理世界坐標(biāo)系和圖像像素坐標(biāo)系坐標(biāo)對(duì)。對(duì)于像素坐標(biāo)，利用攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程測(cè)得攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，在得到內(nèi)部參數(shù)之后，就可以進(jìn)一步確定相對(duì)于每一副圖像的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量t。

(1)位置解算

攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為：

平移向量t是世界坐標(biāo)系原點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，而所需求解的攝像機(jī)位置參數(shù)T是指攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，因此需要對(duì)式(1)進(jìn)行修改。將攝像機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過(guò)程描述為先進(jìn)行平移，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則其關(guān)系可表示為：

結(jié)合式(1)、式(2)可得攝像機(jī)的位置參數(shù)：

(2)姿態(tài)角計(jì)算

姿態(tài)角(翻滾角 α、俯仰角 β和航向角 γ)參數(shù)則需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣R并結(jié)合坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)幾何關(guān)系來(lái)進(jìn)行求解。

其中:

由此可得姿態(tài)角的計(jì)算公式為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用VC++設(shè)計(jì)上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。攝像機(jī)標(biāo)定是在飛行器飛行前進(jìn)行的，因此該過(guò)程不會(huì)占用飛行時(shí)圖像處理時(shí)間，只需將得到的內(nèi)部參數(shù)值記錄到飛行器控制系統(tǒng)中，方便求解位姿狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程在室內(nèi)進(jìn)行，四軸飛行器從世界坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0,0)(單位：cm)起飛，著陸平臺(tái)鋪設(shè)在地面上,中心位于世界坐標(biāo)系(450,450,0)(單位：cm)。當(dāng)著陸平臺(tái)不在視野范圍內(nèi)時(shí)(如圖6所示),則發(fā)送導(dǎo)航指令控制飛行器繼續(xù)搜尋。一旦出現(xiàn)著陸平臺(tái)(如圖7所示),就引導(dǎo)飛行器飛行至著陸平臺(tái)正上方(如圖8所示)，最后垂直降落到著陸平臺(tái)上，運(yùn)行軌跡如圖9所示。

在相同條件下，分別進(jìn)行10次試驗(yàn)，四軸飛行器著陸地點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于著陸平臺(tái)的四軸飛行器視覺導(dǎo)航系統(tǒng)在室內(nèi)具有一定的導(dǎo)航精度，能夠?qū)崿F(xiàn)四軸飛行器的起飛、懸停、定點(diǎn)降落這一系列過(guò)程。但是由于需要進(jìn)行大量的圖像處理，耗時(shí)較多，還很難滿足高實(shí)時(shí)性的要求。室內(nèi)環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，不受天氣等的影響，系統(tǒng)的抗干擾能力還有待提高。單一的視覺導(dǎo)航方式在精度、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等方面還有待提高和發(fā)展。因此融合其他導(dǎo)航方式的組合導(dǎo)航將成為接下來(lái)的研究重點(diǎn)。

圖6 著陸平臺(tái)不在視野范圍內(nèi)

圖7 著陸平臺(tái)出現(xiàn)在視野范圍內(nèi)

圖8 飛行器懸停于著陸平臺(tái)正上方

圖9 飛行器運(yùn)動(dòng)軌跡

表1 10次試驗(yàn)結(jié)果(cm)

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