基于超聲波與視覺的飛行安全探測研究

摘" 要：隨著科技不斷進(jìn)步，無人機(jī)得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，無人機(jī)具有驅(qū)動簡單和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其飛行安全仍有待進(jìn)一步探討研究。該文利用對射式超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的目標(biāo)跟蹤算法，基于超聲波傳感器的指向性，調(diào)整超聲波傳感器之間的安裝方式以擴(kuò)大對目標(biāo)的檢測范圍，同時設(shè)計(jì)目標(biāo)跟蹤算法，搭建跟蹤算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺。利用反演法的思想設(shè)計(jì)無人機(jī)的軌跡跟蹤控制算法，并利用李雅普諾夫函數(shù)證明整個系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性。最后，通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)的方法利用無人機(jī)對圓形軌跡和直線軌跡進(jìn)行跟蹤，驗(yàn)證算法的有效性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);飛行安全探測;超聲波傳感器;軌跡跟蹤;反演法

中圖分類號：V279" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0141-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， UAV has been rapidly developed and widely used. UAV has the advantages of simple drive and strong adaptability， but its flight safety still needs further discussion and research. In this paper， the target tracking algorithm of UAV is realized by using the shooting ultrasonic sensor. Based on the directivity of the ultrasonic sensor， the installation mode between the ultrasonic sensors is adjusted to expand the target detection range. At the same time， the target tracking algorithm is designed and the tracking algorithm experimental verification platform is built. The trajectory tracking control algorithm of UAV is designed by using the idea of inversion method， and the global stability of the whole system is proved by Lyapunov function. Finally， the circular trajectory and straight line trajectory are tracked by UAV through numerical simulation and experiments to verify the effectiveness and stability of the algorithm.

Keywords： UAV; flight safety detection; ultrasonic sensor; trajectory tracking; inversion method

隨著無人機(jī)的民用化、對軍民融合的倡導(dǎo)與發(fā)展，無人直升機(jī)因具有高機(jī)動性、可垂直起落、懸停等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、民用等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)植保方面，因無人直升機(jī)相對于多旋翼擁有續(xù)航時間久、負(fù)載大的優(yōu)點(diǎn)被更加廣泛的應(yīng)用。利用無人直升機(jī)噴灑農(nóng)藥和對農(nóng)作物生長狀態(tài)進(jìn)行整體觀測時，由于應(yīng)用場合復(fù)雜、飛行任務(wù)多變，對其可靠性有較高的要求，因此保障無人直升機(jī)的飛行安全有非常重要的意義。

1" 飛行安全探測硬件設(shè)計(jì)

1.1" 超聲波測距技術(shù)

無人直升機(jī)在飛行過程中的感知與避障功能的實(shí)現(xiàn)依賴于高可靠性的傳感器系統(tǒng)，而超聲波系統(tǒng)靈敏度高、穿透性強(qiáng)，能夠在夜間和黑暗環(huán)境中使用，測量精度較高，根據(jù)無人直升機(jī)實(shí)際飛行過程中出現(xiàn)的問題，對飛行安全探測系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證。

1.1.1" 超聲波測距原理

超聲波測距原理主要包括相位差檢測法、多頻測距法、渡越時間檢測法。相位差檢測法測距精度高[1-2]，但實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜;多頻測距法對硬件要求較高[3];渡越時間檢測法的原理是通過檢測從超聲波發(fā)射到接收回波的時間來計(jì)算距離[4-5]，原理簡單，對系統(tǒng)硬件要求較低，適用于實(shí)時性要求較高的場合，是目前大多數(shù)超聲波傳感器的工作原理。本文采用渡越時間檢測法對距離進(jìn)行探測，原理式如式（1）所示

s=， （1）

式中：s為超聲波測得距離，m;v為超聲波的傳播速度，m/s;t為時間，s。

1.1.2" 超聲測距數(shù)據(jù)預(yù)處理與概率模型

無人直升機(jī)平臺在建立周圍環(huán)境時，傳感器讀取的數(shù)據(jù)極易受周圍環(huán)境干擾，經(jīng)常會引入一些偏差較大的錯誤數(shù)據(jù)，使得環(huán)境地圖的建立精確度下降?；谏鲜鲈?，需要對超聲波測距技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，去除錯誤數(shù)據(jù)。具體措施如下。

1）設(shè)定閾值范圍Rmin～Rmax。

2）去除連續(xù)數(shù)據(jù)中的跳變數(shù)據(jù)。

3）超聲波傳感器組間數(shù)據(jù)互擾處理。

超聲波讀數(shù)時，由于波束角大、角分辨率低，會導(dǎo)致無人直升機(jī)與障礙物的相對位置具有不確定性?？刹捎贸暩怕誓Ｐ徒档驼系K物相對位置的不確定性。

1.1.3" 超聲波實(shí)物與應(yīng)用

本文采用HC-SR04和SRF02兩種超聲波傳感器模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到不同距離下的測距數(shù)據(jù)。HC-SR04模塊的成本低，測距的盲區(qū)也只有30 mm，然而穩(wěn)定性和精度較SRF02模塊低;SRF02模塊測距穩(wěn)定，精度高，但分辨率為厘米級。因此，可選用以SRF02模塊為主，HC-SR04模塊為輔的形式進(jìn)行障礙物定位。

1.2" 視覺避障技術(shù)

1.2.1" 雙目攝像頭

在無人直升機(jī)執(zhí)行農(nóng)保任務(wù)的飛行過程中需要及時反應(yīng)，避免與障礙物發(fā)生碰撞[6]，因此不僅需要較快的處理速度與較遠(yuǎn)的探測距離，同時還需要較輕的質(zhì)量與相對合適的尺寸，并適應(yīng)系統(tǒng)在PC端統(tǒng)一處理數(shù)據(jù)的需求。如圖1所示。

雙目立體相機(jī)[6]是通過傳感器同步獲取雙目圖像并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行深度計(jì)算，擁有高分辨率與較遠(yuǎn)的檢測距離的同時適用于飛行區(qū)安全探測系統(tǒng)在PC端處理數(shù)據(jù)的要求。

1.2.2" 雙目立體相機(jī)性能參數(shù)

可以捕捉高分辨率和高幀率的3D視頻，20 m的室內(nèi)和室外的深度感知距離和6自由度的位置跟蹤是雙目立體相機(jī)的主要特征。雙目立體相機(jī)捕捉的視頻的基本模式與速度見表1。

雙目立體相機(jī)的每個傳感器都有4 M像素的分辨率，可對相機(jī)的分辨率、幀率、曝光、亮度、對比度和飽和度等進(jìn)行設(shè)置。雙目立體相機(jī)的幾何參數(shù)與連接方式見表2。

1.3" 飛行安全探測硬件測試

檢測平臺需要保證功能的實(shí)現(xiàn)并與直升機(jī)主飛控隔離，避免干擾主飛控。故對于設(shè)備的可靠性與安全性要求較高，先對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采集板與傳感器進(jìn)行測試。

系統(tǒng)硬件組成后需要對傳感器進(jìn)行測試與標(biāo)定，以確保測量的準(zhǔn)確性。視覺傳感器采用棋盤格的方法進(jìn)行標(biāo)定，而溫度、轉(zhuǎn)速等傳感器和采集板采用實(shí)驗(yàn)對比的方法進(jìn)行標(biāo)定。

1）雙目立體視覺標(biāo)定。雙目立體視覺相機(jī)的標(biāo)定選用棋盤格法，使用標(biāo)準(zhǔn)的棋盤格圖片，以不同位置不同角度拍攝多張圖片，對每張圖片提取角點(diǎn)，為了提高標(biāo)定精度，降低相機(jī)的標(biāo)定偏差，在提取的角點(diǎn)上進(jìn)一步提取亞像素角點(diǎn)信息，將偏差控制在0.5個像素之內(nèi)。獲得棋盤標(biāo)定圖的內(nèi)角點(diǎn)坐標(biāo)后，對棋盤的空間坐標(biāo)系進(jìn)行初始化，生成相機(jī)的內(nèi)參矩陣和畸變系數(shù)。最后利用棋盤格對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2）傳感器與采集板標(biāo)定。為了使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，需要設(shè)置地面站軟件的標(biāo)定系數(shù)。以開發(fā)板進(jìn)行傳感器標(biāo)定參數(shù)測試，從而確定需要設(shè)置的標(biāo)定系數(shù)[7]。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的設(shè)備連接圖如圖2所示。

先將通過系統(tǒng)測得的溫度與實(shí)際測量溫度進(jìn)行對比，進(jìn)行傳感器的測試。再將傳感器分別與開發(fā)板和采集板連接后從地面站軟件讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對采集板進(jìn)行測試。

利用雙目立體相機(jī)標(biāo)定經(jīng)過初步的測試，傳感器和采集板的性能基本穩(wěn)定，可滿足設(shè)計(jì)要求，功能基本實(shí)現(xiàn)。

2" 飛行安全探測軟件設(shè)計(jì)

2.1" 通信協(xié)議

信息采集部分基于CAN總線進(jìn)行模塊間串行級聯(lián)，并通過CAN總線接收上位機(jī)指令，來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序，并返回測得的數(shù)據(jù)。

2.2" 地面站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用自主研制的某型號無人直升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究，其系統(tǒng)主要包括無人直升機(jī)機(jī)體系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、遙控接收系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。圖3展示了該型號無人直升機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理。

2.2.1" 地面站系統(tǒng)介紹

地面站系統(tǒng)分為飛行控制與信息收集2部分，由飛行控制系統(tǒng)控制無人直升機(jī)的飛行，由信息收集部分采集無人直升機(jī)相關(guān)參數(shù)監(jiān)測無人直升機(jī)的飛行狀態(tài)。

2.2.2" 無人直升機(jī)機(jī)載信息采集系統(tǒng)地面站任務(wù)

無人直升機(jī)機(jī)載信息采集系統(tǒng)地面站需實(shí)現(xiàn)顯示與存儲功能，通過點(diǎn)擊地面站采集按扭控制設(shè)備開始顯示與存儲所測數(shù)據(jù)。

2.3" 地面站搭建

地面站搭建主要依靠Visual Studio軟件，通過MFC（Microsoft Foundation Classes）程序設(shè)計(jì)繪制窗口界面，給每個按鍵賦值，實(shí)現(xiàn)開啟采集、保存記錄等功能。MFC有著清晰的類層次結(jié)構(gòu)、操作簡單、完成的程序資源占用較少等優(yōu)點(diǎn)，是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。

2.3.1" 串口庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集其實(shí)是對串口庫進(jìn)行多線程調(diào)用。通過串口程序可以實(shí)現(xiàn)讀取、查詢、調(diào)用當(dāng)前采集的電氣狀態(tài)，包括采集板采集的油量、溫度、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

2.3.2" 視覺感知信息處理

無人直升機(jī)系統(tǒng)采集地面站上加入視覺感知部分回傳的圖像信息，以確定無人直升機(jī)前方障礙物的形狀、距離等信息。雙目立體相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)結(jié)果見表3。

利用SIFT特征提取特征點(diǎn)，提取后通過Ratio Test方法對匹配結(jié)果進(jìn)行誤匹配的排除，得到匹配點(diǎn)的坐標(biāo)，通過findEssentialMat（）函數(shù)求取本征矩陣，分解后得到R、T變換矩陣，最后利用OpenCV的三角化函數(shù)進(jìn)行重建。其中Ratio Test方法利用KNN算法找到與之最匹配的2個特征，若2個特征的匹配距離之比小于設(shè)定閾值，則認(rèn)為匹配正確，否則視為誤匹配。

3" 飛行安全探測系統(tǒng)測試

3.1" 系統(tǒng)標(biāo)定

將傳感器與開發(fā)板連接后從地面站軟件讀取數(shù)據(jù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將溫度傳感器測得的溫度與溫度計(jì)對比，確定標(biāo)定系數(shù)。

由于油量傳感器自身分為5檔的原因，采用分級標(biāo)定的方式進(jìn)行油量傳感器的標(biāo)定，將油量傳感器放入滿油量20 L的油箱中，記錄阻值，隨著油量的減少，每減少4 L為一個等級，記錄阻值，確定標(biāo)定系數(shù)。將轉(zhuǎn)速傳感器連接至發(fā)動機(jī)上，將測得的數(shù)據(jù)與FUTABA遙控器顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定速度調(diào)節(jié)系數(shù)（周期系數(shù)與分頻系數(shù)）。標(biāo)定系數(shù)見表4。

軟硬件結(jié)合標(biāo)定的最大好處就是在傳感器需要更換時，無須將系統(tǒng)整個卸下，僅需要拆卸需要更換的傳感器，更換后通過軟件進(jìn)行修正補(bǔ)償即可。省去了后期煩瑣的修繕工作。

3.2" 采集系統(tǒng)測試

檢測平臺需要保證功能的實(shí)現(xiàn)并與無人直升機(jī)主飛控隔離，避免干擾主飛控。故對于設(shè)備的可靠性與安全性要求較高。

經(jīng)過初期階段的摸索，并發(fā)現(xiàn)大量問題之后，意識到需要制作出適合本項(xiàng)目使用的多接口、多芯片的采集板，所以對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了升級，去掉了之前煩瑣的設(shè)備，取而代之的是自主制作的帶有減振設(shè)施與電源隔離的主控板。較之初期的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，現(xiàn)階段的設(shè)備主要有以下方面的優(yōu)勢：

1）可同時將多組傳感器數(shù)據(jù)回傳至地面站中進(jìn)行顯示與記錄;

2）安裝時增加了減振墊，使無人直升機(jī)在飛行過程中采集板不會因振動過大而發(fā)生破壞;

3）設(shè)計(jì)的采集板增設(shè)了電源隔離與電磁屏蔽，在采集板電源不干涉直升機(jī)主控電源的同時保證了傳輸信號的準(zhǔn)確性。

4" 結(jié)論

本文搭建了農(nóng)用無人直升機(jī)飛行安全探測系統(tǒng)，對農(nóng)用無人直升機(jī)飛行安全探測系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。基于流體擾動的航路規(guī)劃，并將其與無人直升機(jī)的飛行性能融合，制定了避障策略;以超聲波測距作為預(yù)警，保證直升機(jī)不與障礙物發(fā)生碰撞，保障了直升機(jī)可以安全飛行。但由于超聲波傳感器存在一定的指向性與互擾性，無法實(shí)現(xiàn)四周探測，后續(xù)將依靠視覺系統(tǒng)優(yōu)化無人直升機(jī)的四周安全。

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