四轴飞行器视觉组合导航系统设计

机电系统计算机控制作业姓名：侯中志学号：142105050202专业：机械制造及其自动化指导教师：于金四轴飞行器视觉组合导航系统设计侯中志1.引言四轴飞行器是一种能够垂直起降的小型低空四旋翼无人飞行器(UAV)，和固定翼飞行器相比，它具有机械结构简单、成本较低以及飞行稳定性好的特点。它可为海上、废墟等不适合人员进入的环境提供侦察、救援、绘图等服务。由于四轴飞行器具有欠驱动、多变量等复杂的特性，使飞行控制和导航控制变得相对复杂。目前，国内外对四轴飞行器的飞行姿态控制的研究已经比较成熟，但是对于导航控制及其控制精度问题尚处于研究阶段。UAV多数使用GPS或惯性导航系统，惯性导航是一种完全依靠系统自身提供的信息进行导航的自主导航方式，因此被广泛应用于UAV的导航。但是惯性导航的系统误差会随时间快速累积，不能满足长时间高精度的导航需求，需要辅助导航。然而在GPS信号不足或室内环境下同样影响导航的精度。视觉导航方法，即由机载的视觉传感器获得周围环境的图像信息，然后通过图像算法及相机的位置标定解算出载体的位置，有更大的发展空间，它成本低、质量轻，且易于实现。本文设计的四轴飞行器视觉组合导航系统主要是融合视觉传感器和惯性传感器给出载体最优位置，提高导航的精度。2.系统总体设计四轴飞行器视觉导航系统主要由飞行控制子系统和视觉导航子系统组成。系统整体原理框图如图１所示。飞行控制系统主控芯片采用ST公司的一款基于高性能、低成本、低功耗要求的STM32嵌入式处理器，可实现对MEMS（微机电系统）传感器的数据测量，从而实现对飞行姿态的有效控制。飞行控制部分采用四元数算法对MEMS传感器数据进行姿态解算，采用PID算法设计相应的控制律，实现飞行器稳定的飞行姿态控制。视觉导航子系统主要由机载摄像头实时捕获周围环境图像，以无线的方式传输到视觉计算机并经过图像算法及相机的位置标定解算出载体位置，实际情况中飞行目标不是实时存在其视线范围内，所以要融合惯性导航的局部位置信息并通过不敏卡尔曼滤波(UKF)给出载体最优位置，采用组合导航的方式提高导航的精度。姿态数据惯导位置视觉位置图1系统整体框图3.系统硬件设计3.1飞行控制子系统设计飞行控制器是系统的核心部分，所设计的控制器要能够通过采集处理ＭＥＭＳ传感器数据解算姿态，并根据导航指令和任务要求，结合相应的控制律给出适当的控制信号，控制飞行器的执行机构，改变飞行器的姿态和位置等。控制器主控芯片采用ST公司生产的基于ARMCORTE-M3内核的SMT32F103RBT6处理器，它具有低功耗、高性能、接口丰富等优点，同时有很强的数据处理能力，这使得在飞控系统中实现复杂滤波算法成为可能。主控芯片主要负责采集传感器检测到的三轴角速率、三轴加速度和三轴磁力，通过四元数算法解算姿态角，按所设计的控制规律计算输出到各电机的PWM波型，驱动四旋翼协调工作，保证四轴飞行器稳定的飞行姿态。此外还可通过文件系统操作SD卡，记录飞行状态数据。飞控系统硬件结构图如图2所示。MEMS传感器MIMU定位算法飞控器导航控制器计算机视觉内部flashSTM32F103(CortexM3)ADC高速GPIOSPIPWM输出SysTickUARTTIC看门狗电池电压检测电压报警信号灯SD卡无线通信电调电机三轴加速度计三轴陀螺仪三轴磁力计导航信息系统时间3.1.1微惯性测量单元微惯性测量单元采用全球首例整合性6轴运动处理组件MPU-6050，它整合了三轴加速度和三轴陀螺仪，通过串行总线IIC进行数据访问和传感器初始化配置控制，传感器检测数据经过四元数算法可得姿态角，此外还可通过惯性导航算法得到飞行器的惯导位置，将惯导位置与视觉位置融合可估算最优位置，从而提高导航的精度，导航信息通过UART和主控芯片通信，保证系统的实时性。用霍尼韦尔公司的三轴数字式罗盘HMC5883L为飞行器提供准确的航向信息。3.1.2电机驱动模块四轴飞行器使用无刷电机取代传统的有刷电机，很大程度上增强了飞行器的稳定性。无刷电机具有效率高、转速快、噪音低、稳态转速误差小、没有电火花产生等优点。本系统使用新西达A2212无刷电机，配以好盈30A商品电调，既简化了系统设计，又能满足四轴飞行器快速响应的要求。主控芯片根据飞行姿态信息，结合导航指令和所设计的控制律计算输出PWM控制量协调控制4个电机，实现稳定飞行。STM32F103RBT6的定时器有4个捕获比较寄存器TIM*CCR1-4，在输出模式下，该寄存器的值与计数器TIM*CCR1-4的值比较，根据比较结果产生相应的动作。所以在程序设计中改变TIM*CCR1-4的值就可以控制PWM的输出脉宽，从而控制电机转速。3.2视觉导航子系统设计视觉导航子系统的基本思想是融合惯性传感器解算的位置和视觉传感器经过图像算法解算的位置，估计载体最优位置，并将生成的导航指令实时传送至飞行控制系统，从而指引四轴飞行器进行相应的动作。视觉导航子系统同样选用基于ARMCORTE-M3内核的STM32F103RBT6处理器作为导航控制器，它一方面负责对采集到的惯性传感器数据进行惯导位置解算，另一方面控制机载摄像头实时采集环境图像并通过无线模块将视频图像传回地面PC上位机，然后将PC上位机传回的飞行器视觉位置和惯导位置进行ＵＫＦ滤波。导航控制器与飞行控制器之间通过串口通信，构成双CPU结构，各部分分工协作，满足整体系统性能要求。计算机视觉结构框图如图3所示。图3计算机视觉结构框图3.2.1图像采集模块图像采集部分使用机载OV7670摄像头模块，该模块完全兼容STM32F103系列处理器。OV7670图像传感器体积小、工作电压低，提供单片摄像头和影像处理器的所有功能，VGA图像高达30帧/S。OV7670模块内部自带高速缓存的视频帧存储器AL422B，OV7670输出的图像数据先暂存在AL422B中，然后由STM32处理器读取，这在一定程度上可缓解导航控制器处理速度不快的问题。3.2.2无线模块为了减轻导航控制器的工作负担，采用机载无线模块将摄像头采集的实时视频图像传到地面PC上位机进行处理。无线模块选用常用的NRF24L01，它是一款新型单片低功耗射频收发器件，具有自动应答和自动再发射功能，通过配置寄存器可将NRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式。3.2.3PC上位机PC上位机部分主要负责对无线模块接收的视频进行基于光流法的图像处理，解算出飞行器的视觉位置并将其传回导航控制器。此外上位机还可对四轴飞行器的姿态进行监控等。4.系统软件分析系统软件设计主要是基于嵌入式实时操作系统ΜC/OSII，用C语言进行模块化开发，系统任务流程图如图4所示。系统上电后首先是各模块初始化并自检，摄像头导航控制器视频传输环境图像无线模块PC上位机无线模块视频接收自检成功才运行系统并进入任务调度。其中数据采集过程中一方面飞行控制器对MEMS传感器数据进行采集并处理，另一方面导航控制器控制机载摄像头采集环境视频图像并由无线模块传回地面PC上位机。稳定的姿态控制是四轴飞行器导航的前提，在姿态控制中，采用四元数法解算姿态获得所需的姿态角，结合控制律改变PWM输出，从而控制4个电机转速，完成姿态调整。然后导航控制器融合惯导位置和地面PC上位机解算的视觉位置给出飞行器最优位置估计，对控制律解算后生成导航指令反馈给飞行控制系统，指引飞行器下一步动作。5.结束语本研究给出了四轴飞行器视觉组合导航系统的软、硬件设计方法，通过融合视觉位置和惯导位置这种组合导航的方式。该系统能满足起飞、悬停和定点降落等控制要求，适合近地面的侦查、监视和航拍等任务，具有广泛的应用范围。由于四轴飞行器基于视觉的组合导航涉及许多跨学科技术，系统本身复杂性高，本文许多地方存在不完善性，后续可通过记录的飞行数据建模分析，从而对整个系统进行更深入的研究和应用开发。