無人機(jī)低空下的目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

夏小雨 韓成浩

（吉林建筑大學(xué)電氣與計算機(jī)學(xué)院）

0 引言

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle）是指能夠連續(xù)飛行并配有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)的飛行器。無人機(jī)越來越小，越來越穩(wěn)定，越來越智能。目前，無人機(jī)廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如戰(zhàn)場環(huán)境下的監(jiān)視、目標(biāo)攻擊、電子干擾等；民用領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)工作、緊急搜救、高速運(yùn)輸?shù)?。無人機(jī)目標(biāo)跟蹤，首先利用機(jī)載攝像頭拍攝目標(biāo)，將其傳輸?shù)揭曈X處理器中。然后根據(jù)目標(biāo)跟蹤算法把跟蹤命令發(fā)送到無人機(jī)系統(tǒng)，最后無人機(jī)執(zhí)行跟蹤任務(wù)。其中，目標(biāo)檢測與跟蹤研究對于無人機(jī)自主飛行與快速跟蹤目標(biāo)具有非常高的應(yīng)用價值，成為眾多研究人員的熱點研究方向。無人機(jī)的跟蹤目標(biāo)流程圖如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)跟蹤目標(biāo)流程圖

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

無人機(jī)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)主要分為硬件與軟件模塊。系統(tǒng)是由四旋翼無人機(jī)、圖像處理系統(tǒng)、地面站上位機(jī)構(gòu)成。四旋翼無人機(jī)是由飛行控制模塊、GPS 模塊、視覺處理系統(tǒng)、攝像頭、無人機(jī)動力系統(tǒng)等組成。四旋翼無人機(jī)通過攝像頭捕捉目標(biāo)的圖像，經(jīng)過圖像分析與處理、中央處理器對目標(biāo)的識別與跟蹤的算法解析，通過地面站發(fā)出跟蹤指令，利用圖像處理系統(tǒng)與中央處理器的跟蹤算法，飛行控制模塊控制四旋翼無人機(jī)識別跟蹤目標(biāo)體，四旋翼無人機(jī)目標(biāo)識別定位與跟蹤系統(tǒng)的整體構(gòu)造示意圖如圖2 所示。其中包括三大模塊，即飛行器模塊、傳輸模塊以及地面站模塊。

圖2 整體構(gòu)造示意圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

四旋翼無人機(jī)的硬件設(shè)備大部分都集中在飛行控制板中，飛行控制系統(tǒng)集中在主控芯片上，該芯片的接收傳感器獲取的數(shù)據(jù)，通過控制算法計算調(diào)整無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無人機(jī)飛行姿態(tài)的控制。硬件系統(tǒng)主要包括飛行控制器模塊、遙控與動力套件以及圖像采集與處理硬件等。

2.2 飛行控制器模塊

飛行控制器的選擇決定無人機(jī)飛行控制的能力。本文選用Pixhawk 飛控，Pixhawk 是一款運(yùn)算處理能力強(qiáng)大的飛行控制器，擁有兩個處理器，一個有強(qiáng)大運(yùn)算處理能力的處理器，另外一個是用于工業(yè)的協(xié)助處理器，它的特點就是安全穩(wěn)定。Pixhawk 的外觀結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 Pixhawk 外觀結(jié)構(gòu)圖

2.3 遙控與動力套件

2.3.1 遙控模塊

本文使用AT9S 的遙控設(shè)備，遙控器的兩個搖桿分別控制無人機(jī)的動作姿態(tài)。遙控器利用接收機(jī)接收信號，然后接收機(jī)依據(jù)遙控器發(fā)出的信號，導(dǎo)入到主控制器，主控制器利用輸入捕獲功能來進(jìn)行計算，進(jìn)而得到遙控器每個通道的搖桿量。AT9S 遙控設(shè)備示意圖如圖4 所示。

圖4 AT9S 遙控設(shè)備示意圖

2.3.2 無刷電機(jī)

無刷電機(jī)是在有刷電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，與普通有刷電機(jī)不同的是電樞繞組旋轉(zhuǎn)換向，無刷電機(jī)是線圈固定，通過改變電流的方向進(jìn)而產(chǎn)生變化的磁場，驅(qū)使磁極偏轉(zhuǎn)。本文的電機(jī)選用2812 無刷電機(jī)，其反應(yīng)速度迅速、速度調(diào)節(jié)范圍廣，耐用性強(qiáng)，螺旋槳選用1045 螺旋槳。無刷電機(jī)與螺旋槳示意圖如圖5 所示。

圖5 無刷電機(jī)與螺旋槳示意圖

2.3.3 電池

四旋翼無人機(jī)飛行時電量消耗快，普通電池容量低、續(xù)航時長短。因為要搭載視覺模塊，所以還要考慮整體載重，選用圖6 中的3S 5200mAh 30C 鋰電池來進(jìn)行供電。

圖6 鋰電池示意圖

2.4 圖像采集與處理部分硬件組成

在穩(wěn)定飛行的前提下，還要求無延時獲取跟蹤目標(biāo)圖像、利用跟蹤算法計算目標(biāo)位置，并將處理結(jié)果與圖像傳送給地面站，實現(xiàn)目標(biāo)識別與跟蹤功能?？紤]到整體重量、計算性能與功耗，機(jī)載嵌入式設(shè)備選擇樹莓派4B。攝像頭選用小型工業(yè)攝像頭。樹莓派4B 及攝像頭外觀如圖7 所示，同時該攝像頭利用任意長度的數(shù)據(jù)線來與樹莓派連接，便于機(jī)載安裝。

圖7 樹莓派4B 與攝像頭

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

根據(jù)目標(biāo)識別與跟蹤總體設(shè)計的要求，本文設(shè)計了目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括三大部分，目標(biāo)識別與跟蹤、無人機(jī)定位、目標(biāo)跟蹤方法。在目標(biāo)識別與跟蹤的結(jié)構(gòu)中，使用跟蹤算法得到目標(biāo)在圖像中的坐標(biāo)和偏移角等相關(guān)信息，并輸入到目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)中去。無人機(jī)定位目標(biāo)過程中，利用算法得到無人機(jī)的精準(zhǔn)坐標(biāo)，并將數(shù)據(jù)發(fā)到相應(yīng)的軟件系統(tǒng)中。利用識別與跟蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，無人機(jī)通過跟蹤目標(biāo)提取地面運(yùn)動目標(biāo)坐標(biāo)與無人機(jī)在空中的坐標(biāo)位置來進(jìn)行比對，依據(jù)坐標(biāo)位置在圖像的位置的不同，無人機(jī)的飛行運(yùn)動姿態(tài)也做出相應(yīng)的改變，實現(xiàn)無人機(jī)對地面運(yùn)動目標(biāo)實時定位與跟蹤的設(shè)計目的。目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)軟件構(gòu)造示意圖如圖8 所示。

圖8 目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

3.2 實時目標(biāo)跟蹤方法設(shè)計

參照目標(biāo)在圖像中的具體坐標(biāo)，本文計劃把目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)構(gòu)建三種狀態(tài)，分別為目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤與目標(biāo)丟失三種不同狀態(tài)，分別對每種飛行狀態(tài)設(shè)計相應(yīng)的無人機(jī)飛行控制模式，達(dá)到無人機(jī)對地面目標(biāo)實時識別與跟蹤的目標(biāo)。在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤任務(wù)之前，無人機(jī)首先升空到指定的高度進(jìn)行目標(biāo)搜索，檢測并識別到目標(biāo)之后，無人機(jī)進(jìn)入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，此刻無人機(jī)依照目標(biāo)在圖像中的坐標(biāo)來對飛行狀態(tài)進(jìn)行改變，從而讓地面目標(biāo)一直在無人機(jī)拍攝圖像中。假設(shè)因為目標(biāo)超出范圍而導(dǎo)致目標(biāo)丟失，則無人機(jī)進(jìn)入目標(biāo)丟失狀態(tài)。無人機(jī)利用增加高度擴(kuò)大攝像范圍，然后對運(yùn)動目標(biāo)重新搜尋，一旦找到目標(biāo)則立即鎖定目標(biāo)，重新進(jìn)入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，循環(huán)反復(fù)，達(dá)到無人機(jī)對地面運(yùn)動目標(biāo)穩(wěn)定地跟蹤的目標(biāo)。

3.2.1 目標(biāo)搜索

在目標(biāo)搜索狀態(tài)下，無人機(jī)飛行到指定高度進(jìn)行目標(biāo)檢測，確認(rèn)目標(biāo)之后如果出現(xiàn)目標(biāo)丟失，再次進(jìn)入目標(biāo)搜索狀態(tài)，并且通過目標(biāo)識別與跟蹤算法對目標(biāo)物體進(jìn)行自動識別并鎖定。

3.2.2 目標(biāo)跟蹤

無人機(jī)搜尋到目標(biāo)后，無人機(jī)識別與跟蹤系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，接著系統(tǒng)利用目標(biāo)在圖像中的坐標(biāo)來對無人機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行改變，實現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的實時跟蹤。目標(biāo)跟蹤狀態(tài)幾何模型示意圖如圖9 所示，構(gòu)建二維圖像坐標(biāo)系（xv，yv）和無人機(jī)相對于圖像的二維坐標(biāo)系（xq，yq）。劃分五個區(qū)域在二維坐標(biāo)系中，當(dāng)目標(biāo)在0 號位置時，無人機(jī)懸停在目標(biāo)正上方，當(dāng)目標(biāo)在1、2、3、4 號位置時，無人機(jī)參照目標(biāo)的位置坐標(biāo)來對路徑進(jìn)行優(yōu)化，重新捕捉目標(biāo)，并讓目標(biāo)再次進(jìn)入0 號位置，達(dá)到目標(biāo)跟蹤的目標(biāo)。假設(shè)目標(biāo)坐標(biāo)在1 號位置，圖像中的坐標(biāo)信息為（x，y），所以目標(biāo)與無人機(jī)坐標(biāo)系xq軸的夾角δ可以利用式（1）計算：

圖9 目標(biāo)跟蹤狀態(tài)幾何模型示意圖

取得夾角δ 后，將目標(biāo)坐標(biāo)放到無人機(jī)的二維坐標(biāo)系中，此時無人機(jī)對于原點位置的增量由式（2）計算：

式中，xt，yt為優(yōu)化無人機(jī)路徑取得的坐標(biāo)點；x0，y0為無人機(jī)坐標(biāo)系的原點。

計算無人機(jī)路徑位置坐標(biāo)之后，利用無人機(jī)位置進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，并一直檢測目標(biāo)位置坐標(biāo)，查看目標(biāo)是否在坐標(biāo)系的0 號位置。假設(shè)目標(biāo)位置坐標(biāo)相對于無人機(jī)坐標(biāo)系的偏角發(fā)生改變，則系統(tǒng)會對無人機(jī)的飛行路徑進(jìn)行調(diào)整，重新優(yōu)化路徑，讓無人機(jī)參照新優(yōu)化的路徑進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。

3.2.3 目標(biāo)丟失

假設(shè)目標(biāo)速度太快，則目標(biāo)會超出跟蹤范圍，出現(xiàn)目標(biāo)跟丟的現(xiàn)象。因此，目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)丟失狀態(tài)，利用上升高度來增加無人機(jī)攝像頭的攝像范圍，重新尋找目標(biāo)并鎖定目標(biāo)的坐標(biāo)，目標(biāo)丟失狀態(tài)示意圖如圖10 所示。因為目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的算法對目標(biāo)在圖像中的大小有要求，所以無人機(jī)飛行高度最高是3m。在3m 飛行高度范圍內(nèi)，假設(shè)目標(biāo)再次被系統(tǒng)檢測到，則無人機(jī)會對目標(biāo)重新進(jìn)行跟蹤。假設(shè)無人機(jī)已經(jīng)到了3m 的高度，但沒有檢測到目標(biāo)，則無人機(jī)會依照目標(biāo)消失的方向前行，重新搜索目標(biāo)，并找到目標(biāo)為止。

圖10 目標(biāo)丟失狀態(tài)示意圖

4 結(jié)束語

通過無人機(jī)低空下的目標(biāo)識別與跟蹤學(xué)習(xí)與研究，設(shè)計了目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件框架，利用系統(tǒng)硬件與軟件對目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析。并對目標(biāo)識別與跟蹤的三種狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計，完成無人機(jī)對地面目標(biāo)的目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)丟失三個狀態(tài)的飛行調(diào)節(jié)和優(yōu)化路徑，達(dá)到無人機(jī)穩(wěn)定跟蹤地面目標(biāo)的設(shè)計要求，本文所提出的方案和方法為無人機(jī)低空下的目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)提供理論借鑒。