基于OpenMV的自動(dòng)巡線無(wú)人機(jī)研究

劉軒宇，李浩陽(yáng)，胡子琨

（北京信息科技大學(xué)，北京，100089）

0 引言

1 硬件設(shè)計(jì)

四旋翼無(wú)人機(jī)是一架由遙控站管理、不搭載操作人員的一種動(dòng)力空中飛行器，四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)一般包括地面系統(tǒng)、支撐和外觀系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、任務(wù)載荷。

動(dòng)力系統(tǒng)：電動(dòng)機(jī)；電子調(diào)速器；電調(diào)連接板；槳葉；電池。

支撐和外觀系統(tǒng)：支撐和外觀系統(tǒng)是指無(wú)人機(jī)的承載平臺(tái)，無(wú)人機(jī)上所有設(shè)備都是用機(jī)架承載起來(lái)飛上天上的，無(wú)人機(jī)的機(jī)架好壞，很大程度上決定了這部無(wú)人機(jī)的使用壽命?，F(xiàn)在常見的無(wú)人機(jī)，機(jī)架的組成大同小異，主要由中心板、力臂、腳架組成。

飛控系統(tǒng)：四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：飛行控制和無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)通過IMU慣性測(cè)量單位（陀螺傳感器和加速度傳感器組成），用于監(jiān)測(cè)飛行姿態(tài)，通過無(wú)線通訊模塊與地面遙感通訊。

4個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總線與飛行控制器通信，通過4個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變飛行姿態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)采用低壓電池供電。四旋翼飛行器是通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置，是一種六自由度的垂直升降機(jī)。

地面系統(tǒng)：典型的地面站由一個(gè)或多個(gè)操作控制分站組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制、任務(wù)控制、載荷操作、載荷數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)維護(hù)等。

(1)系統(tǒng)控制站：在線監(jiān)視系統(tǒng)的具體參數(shù)，包括飛行期間飛行器的健康狀況、顯示飛行數(shù)據(jù)和告警信息。

由表3可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 h時(shí)酶解基本完全，此時(shí)的提取率最高。反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，可能導(dǎo)致水解蛋白質(zhì)變性分解，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 h時(shí)最佳。

(2)飛行器操作控制站：它提供良好的人機(jī)界面來(lái)控制無(wú)人機(jī)飛行，其組成包括命令控制臺(tái)、飛行參數(shù)顯示、無(wú)人機(jī)軌道顯示和一個(gè)可選的載荷視頻顯示。

(3)任務(wù)載荷控制站：用于控制無(wú)人機(jī)所攜帶的傳感器，它由-個(gè)或幾個(gè)視頻監(jiān)視儀和視頻記錄儀組成。

(4)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)：用于分析和解釋從無(wú)人機(jī)獲得的圖像。

(5)數(shù)據(jù)鏈路地面終端：包括發(fā)送上行鏈路信號(hào)的天線和發(fā)射機(jī)，捕獲下行鏈路信號(hào)的天線和接收機(jī)數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用于不同的UAV系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以下主要功能:用于給飛行器發(fā)送命令和有效載荷;接收來(lái)自飛行器的狀態(tài)信息及有效載荷數(shù)據(jù)。

(6)中央處理單元：包括一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)， 主要功能:獲得并處理從UAV來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；顯示處理；確認(rèn)任務(wù)規(guī)劃并上傳給UAV；電子地圖處理：數(shù)據(jù)分發(fā)；飛行前分析；系統(tǒng)診斷。

本項(xiàng)目的自動(dòng)巡線無(wú)人機(jī)主要以飛行控制模塊，OpenMV模塊，動(dòng)力模塊以及接收機(jī)構(gòu)成。當(dāng)無(wú)人機(jī)巡線飛行時(shí)，OpenMV模塊中的攝像頭會(huì)將采集到的圖像進(jìn)行分析，判斷循跡線的位置，并通過相應(yīng)的串口通信把相應(yīng)飛行指令傳輸給飛控模塊。飛控模塊接收到指令后，向動(dòng)力模塊輸出PWM值，控制電機(jī)速度，改變無(wú)人機(jī)的當(dāng)前飛行姿態(tài)，完成糾偏過程。整體結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)總計(jì)結(jié)構(gòu)

1.1 巡線模塊

巡線模塊采用OpenMV開發(fā)板。OpenMV是一款低功耗，小巧靈活，低成本的單片機(jī)攝像頭，旨在搭建一種簡(jiǎn)單，便捷的單目機(jī)器視覺模塊。其核心為STM32H743VI ARM Cortex M7 處理器，480 MHz ，1MB RAM，2 MB flash. 所有的 I/O引腳輸出 3.3V 并且 5V 耐受。其搭載可拆卸的攝像頭模塊系統(tǒng)，可選擇不同的感光元件模組。

1.2 飛控模塊

無(wú)人機(jī)飛控，即無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，器采用了STM32F765VI單片機(jī)，STM32F765VI 采用ARM Cortex-M7為內(nèi)核，內(nèi)置陀螺儀（用作飛行姿態(tài)的感知），加速幾，地磁感應(yīng)，氣壓傳感器，超聲波傳感器，光流傳感器，GPS模塊，控制電路組成。無(wú)人機(jī)飛控保證了無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制及其正常飛行。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 圖像處理

圖像采集或傳輸過程會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾，為了保證我們處理時(shí)，圖像的完好性、抑制干擾，以及增強(qiáng)某些對(duì)后續(xù)處理重要的圖像特征，我們首先需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行灰度化處理與濾波噪音。接下來(lái)，基于我們確定的某種循跡線的顏色，在OpenMV IDE中的閾值編輯器設(shè)置相應(yīng)的閾值，來(lái)判斷像素是否在閾值threshold中，接著將圖像中的像素設(shè)置為白色或黑色（如果檢測(cè)到符合閾值，則設(shè)置為白色，非閾值中設(shè)置為黑色），這樣，我們就得到了一張只有黑色背景和白色循跡線的圖像。這一過程又叫做圖像的二值化。圖像二值化效果如圖一所示。

2.2 尋線識(shí)別

當(dāng)我們得到一幅二值化圖像后，我們需要調(diào)用get_regression線性回歸的函數(shù)，對(duì)圖像內(nèi)的所有閾值像素（白色部分）進(jìn)行線性回歸，線性回歸后的效果就是將圖像二值化分割為綠白兩部分（綠色為循跡線，白色為無(wú)關(guān)區(qū)域），其中magnitude函數(shù)可以表示我們線性回歸的效果，其值越大，表明線性回歸的效果越好。其中綠色的回歸線即為我們需要的line對(duì)象[2]。我們要利用這個(gè)得到的line對(duì)象來(lái)計(jì)算我們需用的兩個(gè)pid，來(lái)判斷無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置。

當(dāng)我們得到經(jīng)過線性回歸得到line圖像后，我們需要通過對(duì)其引導(dǎo)參數(shù)，判斷無(wú)人機(jī)的位置。通過函數(shù)計(jì)算和坐標(biāo)變換得到line對(duì)象角度的偏移和左右距離的偏離。接下來(lái)，設(shè)置兩組pid，即rho_pid和theta_pid，將角度偏移距離傳遞theta_pid，左右距離的偏離傳遞rho_pid。我們用這兩組pid識(shí)別當(dāng)前位置，控制無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)無(wú)人機(jī)向循跡線左邊方向偏離時(shí)，距離偏移減小，循跡線處在視野左方。此時(shí)我們可以通過pid的調(diào)整使無(wú)人機(jī)向右偏航。同理，當(dāng)無(wú)人機(jī)向循跡線右邊方向偏離時(shí)，距離偏移增大，循跡線處在視野左方。此時(shí)我們可以通過pid的調(diào)整使無(wú)人機(jī)向左偏航。

2.3 無(wú)人機(jī)飛行設(shè)置

當(dāng)巡線模塊將計(jì)算的pid數(shù)據(jù)傳遞飛控時(shí)，飛控需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電機(jī)的pwm值，通過控制四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速差達(dá)到各種偏航動(dòng)作。本項(xiàng)目 針對(duì)電力巡線，故不存在直角轉(zhuǎn)彎情況，故將飛行分為以下3種（本項(xiàng)目無(wú)人機(jī)以“X模式飛行”）。

（1）當(dāng)巡線模塊正常識(shí)別到循跡線時(shí)，無(wú)人機(jī)開始向前直線飛行，此時(shí)電機(jī)M1,M2減速，M3,M4加速。

（2）向左偏離，當(dāng)無(wú)人機(jī)位于識(shí)別線左方，則無(wú)人機(jī)已經(jīng)向左偏離航線，此時(shí)應(yīng)在原有直線飛行的前提下提高M(jìn)2,M3轉(zhuǎn)速，無(wú)人機(jī)向右偏航，直至循跡線處在巡線視野中。

（3）向右偏離，當(dāng)無(wú)人機(jī)位于識(shí)別線右方，則無(wú)人機(jī)已經(jīng)向左偏離航線，此時(shí)應(yīng)在原有直線飛行的前提下（也可適當(dāng)降低航速）提高M(jìn)1,M4轉(zhuǎn)速，無(wú)人機(jī)向右偏航，直至循跡線處在巡線視野中。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)視覺研究的關(guān)注度越來(lái)越高，吸引了大批科研工作者前來(lái)研究[3]。而OpenMV作為一款入門級(jí)別的機(jī)器視覺開發(fā)模塊，其便捷性及便利性也被人認(rèn)可。本文即通過OpenMV模塊無(wú)人機(jī)連接，最終實(shí)現(xiàn)自主巡線飛行。