基于圖像處理技術(shù)的四旋翼定點(diǎn)降落研究

任麗莉，李申亮，楊鳳濱，滕 悅，康 冰

(1.長春師范大學(xué)高性能計(jì)算中心，吉林長春130032； 2.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，吉林長春130022；3.中國石油遼陽石化公司，遼寧遼陽111003)

近年來，四旋翼飛行器逐漸成為航空學(xué)術(shù)研究中新的前沿和熱點(diǎn)。四旋翼飛行器是一種能實(shí)現(xiàn)垂直起降的非共軸式多旋翼飛行器[1]，可以只通過調(diào)節(jié)蝶形分布的四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的控制。由于不需要尾翼，四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)更加緊湊，四個(gè)旋翼的提升力比單旋翼更加均勻，因而飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定。另外，四旋翼飛行器還具有起飛要求低、可懸停等特點(diǎn)[2]。其典型代表分別是：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的OS4、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4和佐治亞理工大學(xué)的GTMARS[3]。地面控制系統(tǒng)是四旋翼飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，在數(shù)據(jù)接收、圖像處理、任務(wù)規(guī)劃等方面有著不可或缺的作用[4]。能夠控制四旋翼定點(diǎn)精確降落的地面站系統(tǒng)在日后四旋翼的集群化管理方面有重要的作用。本系統(tǒng)綜合了嵌入式控制、無線通訊、圖像處理和自動(dòng)控制等技術(shù)，可用于相關(guān)專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

1 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

在專門的四旋翼調(diào)試場地進(jìn)行四旋翼的試飛和調(diào)試工作。場地大小10 m×7 m×2.5 m，在金屬框架四軸固定繩網(wǎng)，為防止意外事故人員于場地外調(diào)試。四旋翼飛控芯片使用STM32F103系列單片機(jī)，地面站采用USB彩色廣角攝像頭，在QT平臺(tái)上使用OPENCV庫進(jìn)行圖像處理上位機(jī)的構(gòu)建。

1.2 試驗(yàn)方案

購買相關(guān)元器件進(jìn)行四旋翼硬件的搭建，在恒拓開源飛控程序的基礎(chǔ)上編寫相關(guān)的控制函數(shù)，如自動(dòng)起降、定點(diǎn)定高和無線通信程序，之后在場地內(nèi)進(jìn)行調(diào)試。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行圖像處理上位機(jī)環(huán)境的配置和程序的編寫工作，并進(jìn)行二者聯(lián)動(dòng)調(diào)試。

2 數(shù)學(xué)模型

歐拉角特別適合描述物體的姿態(tài)和方向[5](圖1)，但由于其含有三角運(yùn)算導(dǎo)致程序?qū)崿F(xiàn)效率不高，基于四元數(shù)的姿態(tài)角(圖2)表示比較復(fù)雜但程序上容易實(shí)現(xiàn)，因此四旋翼的姿態(tài)解算采取的是先獲得關(guān)于四旋翼旋轉(zhuǎn)信息的四元數(shù)，再將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角的方法。

圖1 歐拉角表示坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)

圖2 四元數(shù)表示姿態(tài)變換

φ，θ，ψ分別為四旋翼對(duì)X,Y,Z軸的夾角。四元數(shù)是一種有四個(gè)自由度的超復(fù)數(shù)，定義如下：

(1)

向量(i,j,k)T指旋轉(zhuǎn)軸，w刻畫繞該軸旋轉(zhuǎn)的角度值。飛行器姿態(tài)可以看作繞通過機(jī)體坐標(biāo)原點(diǎn)的某軸旋轉(zhuǎn)一定角度得到的。二者之間有如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(2)

(3)

在四旋翼的姿態(tài)控制部分，采用的是串級(jí)PID控制策略，即外環(huán)的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入。外環(huán)為角度環(huán)，內(nèi)環(huán)為角速度環(huán)。將四旋翼當(dāng)前姿態(tài)角與目標(biāo)姿態(tài)角比較得到姿態(tài)角偏差，作為PID控制器的輸入，輸出4個(gè)電機(jī)的控制量。相應(yīng)流程圖如圖3所示，其中，t表示throttle,p表示pitch,r表示roll,y表示yaw。

圖3 串級(jí)PID下的四旋翼姿態(tài)調(diào)節(jié)過程

在四旋翼的水平控制部分，使用了Pix4Flow光流傳感器模塊，該模塊通過檢測圖像中明暗點(diǎn)的變化情況可以得到四旋翼的對(duì)地速度。將四旋翼實(shí)際對(duì)地速度與目標(biāo)速度比較得到偏差，經(jīng)過PID控制調(diào)節(jié)得到輸出為目標(biāo)姿態(tài)角，再通過姿態(tài)控制串級(jí)PID最終輸出為4個(gè)電機(jī)的控制量。相應(yīng)流程圖如圖4所示。

圖4 水平位置調(diào)節(jié)過程

圖5 圖像處理過程

圖像處理部分中，二值化操作使用的是inRange函數(shù)，該函數(shù)可根據(jù)設(shè)定的HSV閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化轉(zhuǎn)換。腐蝕膨脹操作使用morphologyEx函數(shù)，該函數(shù)可根據(jù)初始條件進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的形態(tài)學(xué)濾波，包括腐蝕膨脹、開運(yùn)算閉運(yùn)算等。使用findContours獲取輪廓信息，最后使用QT5自帶的QserialPort類進(jìn)行串口發(fā)送輪廓信息，包括輪廓大小、中心坐標(biāo)和數(shù)量。圖像處理過程如圖5所示。

3 計(jì)算結(jié)果與比較

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在調(diào)試場地進(jìn)行了大量的調(diào)試工作。

圖6顯示的是四旋翼定高飛行時(shí)的狀態(tài)信息，其中曲線表示的是高度信息，可以算出整個(gè)過程的上升時(shí)間Tr=3.125 s，調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=7.950 s，超調(diào)量為8.75%，滿足控制要求。圖7顯示的是圖像處理對(duì)于四旋翼的黑色底架識(shí)別效果。圖像處理系統(tǒng)將識(shí)別到的物體的坐標(biāo)信息通過藍(lán)牙發(fā)送給四旋翼，四旋翼自身根據(jù)自身的坐標(biāo)信息不斷調(diào)整自身位置。

圖6 四旋翼實(shí)際飛行效果

圖7 實(shí)際識(shí)別效果

圖8中4條曲線分別代表4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，顯示的是四旋翼朝某一方向進(jìn)行水平位置的調(diào)節(jié)。圖9為場地示意圖。

圖8 飛行數(shù)據(jù)信息

圖9 場地示意圖

從表1可以看出，在光照條件良好，無側(cè)光影響的中午測試結(jié)果較好。在傍晚時(shí)刻，由于側(cè)光對(duì)于四旋翼底部有影響會(huì)導(dǎo)致識(shí)別出現(xiàn)一定程度的偏差。

表1 測試結(jié)果

續(xù)表

4 結(jié)語

綜上所述，將計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)運(yùn)用于四旋翼飛行器中，建立了一套近距離定點(diǎn)自動(dòng)降落系統(tǒng)，為四旋翼的定點(diǎn)降落提供了一種新的解決思路。由于場地因素實(shí)驗(yàn)條件限制，未能對(duì)現(xiàn)實(shí)中各種復(fù)雜的情況加以模擬，有待進(jìn)一步優(yōu)化。