基于圖像識(shí)別的四軸飛行器跟蹤設(shè)計(jì)

于會(huì)泳+宋洪亮+劉有成+胡濤

摘 要：本文以STM32F407為主控芯片，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的四軸飛行器。利用加速度、角速度、磁場、溫度、氣壓等參數(shù)得到姿態(tài)數(shù)據(jù)，再用PID控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。本文例用Meanshift算法，通過相似函數(shù)快速識(shí)別目標(biāo)。經(jīng)過試飛測試，四軸飛行器能夠較好識(shí)別圖像，并能夠準(zhǔn)確飛行。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別；Meanshift算法；姿態(tài)求解；PID控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.176

0 引言

近幾年來，四軸飛行器得到了大力發(fā)展，許多成熟的方案已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到航拍領(lǐng)域。隨著機(jī)器視覺的發(fā)展，數(shù)字圖像的處理應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展[1]，利用機(jī)器視覺進(jìn)行目標(biāo)追蹤已經(jīng)成為現(xiàn)代研究的熱點(diǎn)。本文采用圖像識(shí)別對目標(biāo)進(jìn)行追蹤，通過對圖像處理，提出特征，將物體特征識(shí)別進(jìn)行定位跟蹤。本系統(tǒng)極大的發(fā)揮了STM32F407的性能，具有一定的應(yīng)用領(lǐng)域與商業(yè)價(jià)值。

1 圖像識(shí)別

本系統(tǒng)的圖像識(shí)別處理算法采用Meanshift算法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，對采集的圖像進(jìn)行HSL色域空間轉(zhuǎn)換，再用Meanshift算法匹配特征值和進(jìn)行標(biāo)記，最終實(shí)現(xiàn)對特定區(qū)域目標(biāo)的識(shí)別定位。在目標(biāo)提取時(shí)，通過統(tǒng)計(jì)中央0.5的區(qū)域的HUE直方圖來獲得，當(dāng)光線變化時(shí)可以自動(dòng)修改目標(biāo)鎖定值的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)參數(shù)修改，從而提高了追蹤算法的魯棒性[2，3]。對于圖像的采集采用微型攝像頭，采集圖像后交由后端上位機(jī)進(jìn)行處理與顯示在顯示屏上。Meaanshift算法是核密度估計(jì)法，依靠特征空間中的樣本點(diǎn)對其密度函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。核密度估計(jì)法的原理與直方圖法相似，增加了一個(gè)核函數(shù)用于平滑數(shù)據(jù)。在充分采樣的情況下，可以逐漸收斂于任意的密度函數(shù)，因此可以對滿足任何分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行密度估計(jì)。

2 四軸飛行器的控制

由于四軸飛行器采用多旋翼飛行，各個(gè)漿翼之間在旋轉(zhuǎn)過程中存在相互干擾，這就導(dǎo)致飛行器飛行的穩(wěn)定性較差[4]。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)要著重考慮飛行器的穩(wěn)定性，這樣使得姿態(tài)測量在飛行器系統(tǒng)中顯得格外重要，利用傳感器來對飛行器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行檢測，不斷反饋當(dāng)前姿態(tài)，確保飛行穩(wěn)定。對于姿態(tài)控制使用多環(huán)PID控制，經(jīng)過限幅和死區(qū)控制，準(zhǔn)確的融合了四軸飛行器的多個(gè)控制量[5]。電機(jī)控制部分采用航模電子調(diào)速器控制航模無刷電機(jī)，其具有信號(hào)丟失保護(hù)與低電壓保護(hù)功能，并且能夠線性控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。在姿態(tài)解算中，采用梯度下降法融合加速度、角速度和磁場力數(shù)據(jù)，利用加速度和磁場強(qiáng)度，糾正陀螺儀積分的漂移誤差；能夠得到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)穩(wěn)定性，并用四元數(shù)矩陣表示飛行器的綜合旋轉(zhuǎn)情況。

3 結(jié)論

經(jīng)試飛實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，控制響應(yīng)迅速可靠；能夠很好地對圖像信息進(jìn)行采集處理，并能實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)體進(jìn)行短距離實(shí)時(shí)追蹤。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳汗青，萬艷玲，王國剛.數(shù)字圖像處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013（01）：72-74.

[2]樊冬雪，成怡，金海林，修春波.四軸飛行器視覺導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014（08）：140-142+146.

[3]王宇慶，朱明.評價(jià)彩色圖像質(zhì)量的四元數(shù)矩陣最大奇異值方法[J].光學(xué)精密工程，2013（02）：469-478.