無(wú)人機(jī)三軸云臺(tái)視覺(jué)跟蹤技術(shù)研究

王娜 李強(qiáng)

摘要：無(wú)人機(jī)在執(zhí)行跟蹤或者拍攝任務(wù)時(shí)容易由于外界擾動(dòng)和自身機(jī)械震動(dòng)而產(chǎn)生視覺(jué)偏離，搭載云臺(tái)的無(wú)人機(jī)需要克服運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的載體方位、俯仰方位、橫擺方位的干擾，在獲取圖像后還需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行光電耦合。本設(shè)計(jì)選用STM32103Z作為四旋翼無(wú)人機(jī)的三軸控制器，運(yùn)用細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，采用ARM15作為圖像處理模塊，對(duì)攝像頭獲取的目標(biāo)圖像進(jìn)行濾波、光電耦合、特征對(duì)比，采用高精度陀螺儀采集角度及加速度信息，搭建了一套四旋翼無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制的閉環(huán)系統(tǒng)，減小了搭載攝像機(jī)的云臺(tái)及激光發(fā)射器在目標(biāo)鎖定過(guò)程中的慣性位移偏差。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了四旋翼無(wú)人機(jī)在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤及拍攝過(guò)程中的穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)人機(jī);STM32103Z;ARMl5;細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法;閉環(huán)控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）14-0038-03

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)搭載的任務(wù)載荷系統(tǒng)呈現(xiàn)向智能化、高精度化、多樣化方面發(fā)展，無(wú)人機(jī)視覺(jué)跟蹤及拍攝系統(tǒng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。由于執(zhí)行飛行任務(wù)的無(wú)人機(jī)穩(wěn)定性差干擾因素眾多，研發(fā)一款穩(wěn)定精準(zhǔn)的目標(biāo)鎖定及自動(dòng)跟蹤的無(wú)人機(jī)已經(jīng)迫在眉睫，本設(shè)計(jì)選用四旋翼無(wú)人機(jī)作為控制云臺(tái)的載體，用STM32103Z實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)電機(jī)的角度控制及陀螺儀的輸入輸出信號(hào)處理，用ARMl5進(jìn)行目標(biāo)圖像處理，以此搭建一個(gè)閉環(huán)的云臺(tái)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的視覺(jué)跟蹤及拍攝任務(wù)。該系統(tǒng)需要克服飛行過(guò)程中載體的各種振動(dòng)、顛簸、光照變化等干擾，保證搭載在云臺(tái)上的高清攝像頭能在干擾力的作用下實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整，保證高質(zhì)量地完成跟蹤及拍攝任務(wù)。

1控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

1.1云臺(tái)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云臺(tái)的結(jié)構(gòu)方式取決于四旋翼的運(yùn)動(dòng)方式，四旋翼運(yùn)動(dòng)可以用橫擺角、俯仰角、偏航角來(lái)描述，因此云臺(tái)的結(jié)構(gòu)采用橫擺一俯仰一偏航三軸式設(shè)計(jì)，其中每一軸對(duì)應(yīng)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示，陀螺儀是利用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)于慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或兩個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，可以精準(zhǔn)地提供無(wú)人機(jī)的方向和位置信號(hào)，加速度計(jì)可以提供無(wú)人機(jī)的加速度信號(hào)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片用來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)，以此來(lái)控制云臺(tái)的三個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法可以明顯地提高步進(jìn)電機(jī)的力矩，降低步進(jìn)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，大幅度有效地提高步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)的分辨率，而且采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的實(shí)現(xiàn)方法比直接采用算法產(chǎn)生的細(xì)分驅(qū)動(dòng)可靠性高，可控性強(qiáng)，可以直接配合其他算法進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制。

云臺(tái)控制系統(tǒng)的主要功能及具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：該系統(tǒng)以STM32103Z為中央控制器。

根據(jù)來(lái)自視覺(jué)圖像處理及拍攝系統(tǒng)的控制流信號(hào)，綜合來(lái)自陀螺儀和加速度計(jì)的方向、位置、加速度信號(hào)來(lái)判斷云臺(tái)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度：橫擺角、俯仰角、偏航，同時(shí)在角度調(diào)整過(guò)程中接收陀螺儀和加速度信號(hào)和ARM的目標(biāo)信號(hào)對(duì)角度進(jìn)行微調(diào)。

其中細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片選用東芝電子的THBl28，該芯片最高能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的256級(jí)細(xì)分，能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的電機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)及控制需求。陀螺儀采用三軸陀螺儀組建MPU-6050，能夠在惡劣的沖擊和振動(dòng)環(huán)境中提供高精度的監(jiān)測(cè)，加速度計(jì)采用ADIS16445型號(hào)，能在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)環(huán)境下精準(zhǔn)提供加速度信息。

1.2視覺(jué)圖像處理及拍攝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云臺(tái)搭載的視覺(jué)處理系統(tǒng)包括如下五個(gè)子系統(tǒng)：供電電源系統(tǒng)、信息存儲(chǔ)系統(tǒng)、圖像獲取系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、LCD顯示系統(tǒng)、調(diào)試接口。

本設(shè)計(jì)的圖像處理及拍攝系統(tǒng)為嵌入式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備高集成化、低功耗、小型化的特點(diǎn)，主控制芯片是ARM處理器s3e2440，該系統(tǒng)對(duì)視頻幀進(jìn)行圖像處理：圖像預(yù)處理、目標(biāo)檢測(cè)、根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像位置計(jì)算偏差量，并運(yùn)行控制算法，發(fā)送導(dǎo)引信號(hào)控制云臺(tái)的合理轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于本系統(tǒng)需要完成視頻數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，并經(jīng)圖像處理器對(duì)獲取的圖像進(jìn)行運(yùn)算，因此視頻質(zhì)量對(duì)跟蹤效果影響很大，圖像的分辨率很大程度上取決于感光芯片，感光芯片的作用是把獲取的光子信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，目前國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)同的感光芯片分為兩類(lèi)：CCD與CMOS感光芯片，對(duì)于CCD（電荷耦合）芯片，其具備高靈敏度、小噪聲、小信噪比、低成本、低功耗等特點(diǎn)，而CMOS在上述方面的性能明顯不如CCD，因此本設(shè)計(jì)采用CCD類(lèi)型的傳感器用來(lái)完成視頻采集的任務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的通訊任務(wù)，本設(shè)計(jì)采用RS232串口實(shí)現(xiàn)通訊，該芯片與ARM芯片s3e2440連接，采用芯片MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化。

本設(shè)計(jì)采用FLASH和SDRAM進(jìn)行識(shí)別過(guò)程中的信息存儲(chǔ)，可以自由擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，海量存儲(chǔ)各種信息。

調(diào)試接口采用JTAG方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中JTAG接口分為四類(lèi)：JTD0數(shù)據(jù)輸出、JTDl數(shù)據(jù)輸入、JTCK時(shí)鐘、JTMS模式選擇。

2電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法

步進(jìn)電機(jī)是依據(jù)電磁原理由電磁力驅(qū)動(dòng)的，由脈沖力來(lái)實(shí)現(xiàn)控制：對(duì)步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組施加幅值不同的PWM波時(shí)，兩組磁極線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生不一樣的磁力矩，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在磁力矩的合力作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。但傳統(tǒng)的控制方法容易產(chǎn)生電機(jī)的失步和抖動(dòng)，使電機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。

為了改善步進(jìn)電機(jī)的抖動(dòng)和失步問(wèn)題，可以采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)控制電機(jī)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本原理：給電機(jī)輸入一步一個(gè)臺(tái)階的階梯波，使電機(jī)每輸入一個(gè)階梯波轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小的步長(zhǎng)，階梯波細(xì)分的階數(shù)越高，電擊轉(zhuǎn)動(dòng)越穩(wěn)定，控制越精確。

對(duì)于二項(xiàng)混合電機(jī)，假設(shè)在理想環(huán)境無(wú)互感干擾的情況下，可以建立平衡方程：

以上公式組成了步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，其中Te，TL分別是電磁力矩和負(fù)轉(zhuǎn)矩，J是步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B是電機(jī)的阻尼系數(shù)，w是電機(jī)的角速度，θ是電機(jī)的位移角度。

根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)搭建兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)模塊，如圖3，其中Inverter是細(xì)分驅(qū)動(dòng)模塊，step motor是根據(jù)公式x得到的電機(jī)模型。

利用仿真工具Simulink對(duì)該模型進(jìn)行仿真，給電機(jī)輸入出圖4、圖5、圖6的4細(xì)分、8細(xì)分、64細(xì)分的控制電流波形圖，可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖如圖7所示，從對(duì)比結(jié)果可以看出64細(xì)分能有效過(guò)濾電機(jī)干擾，實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)由兩部分組成：圖像采集及處理系統(tǒng)和云臺(tái)細(xì)分控制系統(tǒng)，分別由ARM控制器s3c2440和STM32103Z作為主控制器芯片，外圍電路分為：小型電源供電電路、陀螺儀驅(qū)動(dòng)電路、加速度器驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。能根據(jù)圖像識(shí)別的結(jié)果，用64步細(xì)分驅(qū)動(dòng)的方式精確控制三軸云臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)精度，減少了電機(jī)抖動(dòng)。綜上，該系統(tǒng)能應(yīng)用于對(duì)精度要求較高的場(chǎng)景比如無(wú)人機(jī)目標(biāo)跟蹤和無(wú)人機(jī)自動(dòng)航拍，具有一定的實(shí)用價(jià)值，成本較低。