基于计算机视觉的四旋翼无人机自主悬停方法研究

摘 要：为实现四旋翼自主飞行并最终定点悬停，设计一种基于计算机视觉的自主飞行控制方法，充分考虑了视觉系统的特点，选用小巧，便携，合理的实验硬件，应用摄像头采集地面信息，并初步处理，通过图像检测算法和飞行控制算法结合，识别地面明显的黑线循迹标志，使四旋翼不断循着标志物来找到悬停点，并实现定点悬停[ 1 ]。考虑到飞行高度的控制，实验中还加入了超声波定高模块。实验结果表明，系统较为可靠，在室内环境下，实现了四旋翼自主悬停。

关键词：计算机视觉；四旋翼；自主飞行；悬停

目前，旋翼无人机得到了广泛应用，实现旋翼无人机在空中的准确定点悬停，具有非常重要的意义。本项目对基于计算机视觉伺服技术的四旋翼自主悬停进行研究，利用视觉伺服控制技术[ 2 ]，实现旋翼无人机完成目标视觉捕捉，并解决其在复杂环境下的准确悬停。

视觉伺服控制与传统传感器控制的旋翼无人机相比，具有较明显的优点：更高的灵活性、更高的精度、对旋翼无人机标定误差具有更强的现实作用。

1 系统概述

四旋翼要求即时处理图像并且需要装入opencv资源库，所以选用处理速度快，运算强大的的树莓派处理芯片，摄像头方面，配置一款重量轻，体积小，视角广，采集图像清晰的摄像头。

在树莓派芯片中，装入window系统，我们所采用的软件算法都是在vs2010上实现的，在图像处理上采用opencv库。通过摄像头采集到的图像信息，经过灰度化，边缘检测等初步处理，通过图像检测算法和飞行控制算法结合，识别地面明显的黑线循迹标志，使四旋翼不断循着标志物来找到悬停点，并实现定点悬停。

2 飞行控制的实现

智能控制算法对于飞行器来说是非常优秀的控制策略[ 1 ]，但其非常复杂的浮点型以及矩阵运算对处理器的计算能力要求过高，对微型低成本飞行器是个很大的限制，PID 算法的鲁棒性和可靠性强且算法简单，被广泛运用于过程控制和运动控制的，对飞行器姿态有非常卓越的控制性能，我们采用外环角度PID控制和内环角速度PID控制的双闭环的PID控制器。当其遇到外界干扰时，加速度计会产生失真，姿态解算出现错误，所以在只用角度的单环情况下，飞行器难以稳定飞行，而陀螺仪采集角速度很难受到外界的影响，并且采集到的角速度变化灵敏，可以更加准确的反映出飞行器姿态。

PID控制算法采用增量式数字PID控制，相对位置式数字PID控制方式，微处理器在进行增量式PID控制时每次只需输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，飞行器不会因为控制量陡增或突减二发生严重事故。

PID控制器具体方法：

控制器内环（角速度环）它提供飞行器坐标系三轴上的角速度，分别可以通过陀螺仪测得，输出即为四个直流电机的转速增量，从而控制调整四旋翼的姿态。

控制器外环（角度环）为控制系统的核心，角度的输入为摄像头采集到的飞行器的三个欧拉角，分别为翻滚角，俯仰角，偏航角。

在PID控制中，为使角度误差微积分满足要求，尤其在外环中，设置积分上限来避免饱和，从而获得可靠的参数。此处注意两点：

其一，同样不能直接使用内环输出结果直接进行输出，需要采取必要的限幅措施，避免因增量过大破坏系统稳定，造成飞行器飞行异常。

其二，整体的飞行器电机转速为基本飞行所需转速与增量之和，在不影响基本飞行的情况下，通过增量对整体电机转速的局部影响来进行微调，这样利用PID控制中对俯仰角和翻滚角的快速响应，因超调量足够小来避免震荡产生，从而使得姿态保持稳定，为后续准确到达悬停位置提供有力保障。

使用超声波测距基本原理：

使用IO接口触发测距，给至少10微秒的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，当有信号返回时，IO接口输出一个高电平，高电平持续的时间即为超声波发射到返回的时间。（测速距离=高电平持续时间*声速/2）；声速为340m/s。

通过温度补偿和倾斜角度的补偿，测出飞行器离地的真实高度，并通过滑动平均滤波器去除白噪声，得到真实高度。通过超声波的高度数据，进入外pid，对高度误差进行调整并将调整数据融合，以实现对油门的控制，实现悬停。

3 结论

本文通过摄像头采集图像信息，通过机载芯片即时处理图像，很好地利用了计算机视觉技术，实现了四旋翼无人机自主循迹飞行，并实现了自主悬停。

参考文献：

[1] 辛哲奎，方勇纯.无人机地面目标跟踪系统的建模与控制[J].高技术通讯，2009，19（4）：398-403.

[2] 吴显亮，石宗英，钟宜生.无人机视觉导航研究综述[J].系统仿真学报，2010，22（1）：62-65.

[3] 毛星云，冷雪飞.OPENCV3编程入门[M].北京：电子工业出版社，2015：4-5.