一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統的製作方法
2023-09-19 18:26:10
本實用新型涉及視覺跟蹤技術領域，特別是一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤目標的控制系統。
背景技術：
近幾年，旋翼無人機頻繁地出現公眾的視野當中，如交通部門利用旋翼無人機實時檢查路況、隱蔽地抓拍高速公路上的違章駕駛行為；大型發電站利用旋翼無人機對太陽能電板進行巡檢；救援部隊利用旋翼無人機偵測受災情況並及時給受災群眾投送食物和藥品等必要物資。諸如此類的運用還有很多，可見旋翼無人機在民用、救援甚至軍事應用中都扮演著十分重要的角色。
然而，上述的這些應用幾乎都是在戶外GPS信號較強的情況下，利用機載的GPS來給旋翼無人機實時地提供導航信息或者通過預設航點來完成旋翼無人機按照預設航線飛行的任務。顯然，這種方法在一定程度上限制了旋翼無人機的應用範圍。一是使用環境得具有較強的GPS信號，除此之外，GPS導航的精度受多種因素的影響，其誤差也不能很好的控制在一定的範圍之內。因此，在無較好的GPS 信號的情況下，就需要利用計算機視覺來輔助旋翼無人機來完成其對移動目標穩定跟蹤等飛行任務，這就可以擴大旋翼無人機的使用環境。目前，常用的技術方案是機載部分將攝像頭模塊獲取的圖像信息發送至地面站處理，地面站再將處理得到的導航信息發送給旋翼無人機，從而控制旋翼無人機對於移動目標的跟蹤飛行。但採用這種技術方案具有以下不足：第一，在圖像傳輸過程中，圖像信息難以避免地受到環境的幹擾並且信息處理及傳輸的實時性也難以得到保證。第二，利用機載氣壓計或者GPS所獲取旋翼無人機實時飛行高度也具有較大的誤差。因此，採用這一技術方案難以實現旋翼無人機對移動目標準確穩定的跟蹤。
而實現旋翼無人機對地面移動目標準確並且穩定的跟蹤是未來實現無人機和運動的地面機器人進行空地協作的基礎。因此，迫切需要解決這一問題。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統，本實用新型有效地提高了跟蹤的精度與穩定性，結構簡單且成本低。
本實用新型為解決上述技術問題採用以下技術方案：
根據本實用新型提出的一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統，包括機載部分，所述機載部分包括旋翼無人機的飛行控制器、超聲波測距模塊和視覺導航模塊，所述視覺導航模塊包括圖像處理器、攝像頭模塊和固定在旋翼無人機正下方的兩軸無刷雲臺，所述攝像頭模塊和超聲波測距模塊均固定於兩軸無刷雲臺上，且保持攝像頭模塊的鏡頭和超聲波測距模塊均與水平面平行；超聲波測距模塊與飛行控制器連接，攝像頭模塊、圖像處理器、飛行控制器依次順序連接。
作為本實用新型所述的一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統進一步優化方案，超聲波測距模塊通過I2C總線接口與飛行控制器相連，攝像頭模塊通過USB接口與圖像處理器相連，圖像處理器通過USB轉TTL串口模塊與飛行控制器相連。
作為本實用新型所述的一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統進一步優化方案，還包括配備有動力單元的機架、安裝在旋翼無人機上的遙控接收機、第一無線通訊模塊和地面站部分，所述地面站部分包括第二無線通訊模塊和地面測試模塊，所述第一無線通訊模塊包括機載數傳模塊和機載圖傳發送模塊；所述第二無線通訊模塊包括地面站數傳模塊和地面站圖傳接收模塊；所述動力單元包括電機、與電機相連的電調和固定在電機上的螺旋槳；其中，
遙控接收機與飛行控制器連接，飛行控制器、電調、電機依次順序連接，圖像處理器、機載圖傳發送模塊、地面站圖傳接收模塊、地面測試模塊依次順序連接，地面測試模塊、地面站數傳模塊、機載數傳模塊、飛行控制器依次順序連接。
作為本實用新型所述的一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統進一步優化方案，兩軸無刷雲臺為TAROT公司研製的GoPro兩軸無刷雲臺。
作為本實用新型所述的一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統進一步優化方案，超聲波測距模塊為I2CXL-MaxSonar-EZ4的工業級超聲波傳感器。
作為本實用新型所述的一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統進一步優化方案，還包括電源模塊，所述電源模塊包括一塊鋰電池和穩壓模塊；從鋰電池接出兩個電源端子，其中的一電源端子接動力單元，從而給電機供電，另一電源端子通過連接穩壓模塊來給圖像處理器、兩軸無刷雲臺和飛行控制器供電。
作為本實用新型所述的一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統進一步優化方案，機載數傳模塊通過UART串口與飛行控制器相連，地面站數傳模塊通過USB接口與地面測試模塊相連，機載圖傳發送模塊通過USB接口與圖像處理器相連，地面站圖傳接收模塊通過USB接口與地面測試模塊相連。
本實用新型採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
（1）本實用新型採用更優化的旋翼無人機機載結構設計，一方面將圖像處理器移至機載部分，所有的數據處理都可以在機載部分完成，提高實時性的同時又避免了環境的幹擾；本實用新型結構簡單，成本低；
（2）採用了一電源多用的方案，系統無需多塊鋰電池供電，減輕了旋翼無人機的重量，延長了續航的時間；
（3）本實用新型採用兩軸無刷雲臺可保證在旋翼無人機的飛行過程中，攝像頭鏡頭和超聲波測距模塊始終垂直朝下，而不受無人機姿態的影響，確保了超聲波測距模塊在整個跟蹤過程中所獲取的旋翼無人機飛行高度的精確性，有效地提高了跟蹤的精度與穩定性。
附圖說明
圖1是本實用新型控制系統的一種實施例的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明：
如圖1所示是本實用新型控制系統的一種實施例的結構示意圖，一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統，包括機載部分，所述機載部分包括旋翼無人機的飛行控制器、超聲波測距模塊和視覺導航模塊，所述視覺導航模塊包括圖像處理器、攝像頭模塊和固定在旋翼無人機正下方的兩軸無刷雲臺，所述攝像頭模塊和超聲波測距模塊均固定於兩軸無刷雲臺上，且保持攝像頭模塊的鏡頭和超聲波測距模塊均與水平面平行；其中，
兩軸無刷雲臺，用於當上電後保持攝像頭模塊的鏡頭和超聲波測距模塊始終垂直向下；
超聲波測距模塊，用於將獲取的旋翼無人機實時的飛行高度輸出至飛行控制器；
攝像頭模塊，用於拍攝旋翼無人機下方的圖像，並將圖像輸出至圖像處理器；
圖像處理器，用於對攝像頭模塊所拍攝的圖像進行分析處理得到目標物質點信息，目標物質點信息輸出至飛行控制器；
飛行控制器，用於根據接收到的目標物質點信息和實時的飛行高度，解算出旋翼無人機
與目標物之間的實際相對誤差距離，並根據得到的實際相對誤差距離控制旋翼無人機跟蹤目標物。
本實用新型還可以包括配備有動力單元的機架、遙控接收機、第一無線通訊模塊和地面站部分，所述地面站部分包括第二無線通訊模塊和地面測試模塊，所述第一無線通訊模塊包括機載數傳模塊和機載圖傳發送模塊；所述第二無線通訊模塊包括地面站數傳模塊和地面站圖傳接收模塊；所述動力單元包括電機、與電機相連的電調和固定在電機上的螺旋槳；其中，
遙控接收機，安裝在旋翼無人機上，用於將接收到操控者發出的操控信號輸出至飛行控制器，飛行控制器接收到該操控信號後輸出控制信號至電調；
電調，用於根據控制信號通過調節電機的轉速和方向從而給旋翼無人機提供升力；
機載數傳模塊，用於將飛行控制器發送過來的旋翼無人機的飛行參數經地面站數傳模塊輸出至地面測試模塊，地面測試模塊用於輸出旋翼無人機規劃的飛行任務至地面站數傳模塊；
地面站數傳模塊，用於將旋翼無人機規劃的飛行任務經機載數傳模塊輸出至飛行控制器；
圖像處理器，還用於將處理過的帶有目標物信息的圖像輸出至機載圖傳發送模塊；
機載圖傳發送模塊，用於將圖像處理器處理過的帶有目標物信息的圖像經地面站圖傳模塊輸出至地面測試模塊；
地面測試模塊，用於實時顯示圖像處理器處理過的帶有目標物信息的圖像。
本實用新型還包括電源模塊，所述電源模塊包括一塊鋰電池和穩壓模塊；從鋰電池接出兩個電源端子，其中的一電源端子接動力單元，從而給電機供電，另一電源端子通過連接穩壓模塊來給圖像處理器、兩軸無刷雲臺和飛行控制器供電。
在本實用新型的旋翼無人機控制系統中，所述的飛行控制器作為旋翼無人機的「大腦」，並輔之於所述的視覺導航模塊、傳感器部分、無線通訊單元、動力單元及電源模塊，來完成旋翼無人機對移動目標的穩定視覺跟蹤等任務。
一種基於視覺的旋翼無人機穩定跟蹤移動目標的控制系統主要包括機載部分和地面站部分，兩者之間主要有三種通訊的方式，即2.4GHz的天地飛遙控器通訊器、433MHz的無線數傳通訊以及5.8GHz無線圖傳。天地飛遙控器是使用最多的國產航模遙控器，由深圳市天地飛科技開發有限公司製造，遙控器需和配套的接收機一起使用，遙控接收機安裝至旋翼無人機上，操控者可以通過撥動遙控器上的搖杆來實現對旋翼無人機的操控，接入遙控器是為了在旋翼無人機跟蹤飛行出現失控的情況下，可以立即切回手動控制，避免不必要的危險；本實用新型實施例使用的無線數傳模塊的傳輸頻率為433MHz，有效傳輸距離為500米，並有兩個模塊，兩模塊之間可以進行數據互傳，將其中的Air模塊（即機載數傳模塊）通過UART接口與飛行控制器相連，將Ground模塊（即地面站數傳模塊）通過USB接口與地面測試模塊相連；本實用新型實施例使用的圖傳模塊的傳輸頻率為5.8GHz，功率為200Mw，有效傳輸距離為800米，有發射和接收兩個模塊，將其中的發射機（即機載圖傳發送模塊）通過USB接口與圖像處理器相連，地面站圖傳接收模塊與地面測試模塊相連，操控者可以通過接收到的圖像信息來實時監控視覺跟蹤的效果。
本實用新型實施例中使用的旋翼無人機飛行控制器為在美國3DR公司生產的Pixhawk的基礎上優化的Pixraptor飛行控制器。採用主/協雙處理器結構，內置InvenSense MPU6000六軸陀螺加速度計、ST Micro L3GD20H陀螺儀、ST Micro LSM303D磁力計以及MEAS MS5611 氣壓計。其提供了豐富的外設接口，包括5路UART接口、1路I2C接口、1路SPI接口以及PPM脈位調製信號輸入等接口。其對旋翼無人機的控制分為內/外兩個控制迴路，內迴路稱為姿態迴路，實現對旋翼無人機姿態的精確控制；外迴路稱為位置迴路，實現對旋翼無人機位置的精確控制。飛行控制器通過UART接口接收圖像處理器發送的視覺導航信號（即實際相對誤差距離），作用於位置迴路，利用PID控制，實現旋翼無人機對移動目標的穩定跟蹤。
本實用新型的實施例中視覺導航模塊的硬體主要包括：
攝像頭模塊：本實用新型實施例中使用的是一款USB攝像頭，其最大像素為210W，鏡頭焦距為3.6毫米，考慮到幀率的需求，將其解析度設定為30W，視場角約為100度，幀率為100fgs/640*480，並且幀率不隨光線的變化而變化，其默認的圖片輸出格式為MJPEG，動態捕捉的視頻的存儲格式為AVI。本實施例使用的攝像頭設置同時兼顧了圖像清晰度需求和圖像處理速度要求，其通過USB接口與圖像處理器相連。
兩軸無刷雲臺：本實用新型實施例中使用的是TAROT公司研製的GoPro兩軸無刷雲臺，其處理器為雙32為高速ARM核處理器，並配備有三旋翼MEMS陀螺儀和三旋翼MEMS加速度計，控制精度可達到0.1度，在俯仰、滾轉兩方面控制角度的範圍分別為-135度~90度，-45度~45度。使用此兩軸無刷雲臺可保證在旋翼無人機的飛行過程中，攝像頭鏡頭和超聲波測距模塊始終垂直朝下，而不受無人機姿態的影響。
圖像處理器：本實用新型實施例使用的圖像處理器為型號是N29_2L J1900的工控板，集成Intel J1900四核處理器，8G的運行內存和32G的固態硬碟並提供4個USB接口，功能類似於一臺微型電腦，預裝Windows7系統和opencv函數庫，利用VS2010開發可對移動目標進行穩定視覺跟蹤的軟體平臺。並通過USB轉TTL模塊與飛行控制器的UART接口相連，實現視覺導航信號的傳輸。
本實用新型實施例中使用到的傳感器為：
超聲波測距模塊：本實用新型實施例中選用的是一款型號為I2CXL-MaxSonar-EZ4的工業級超聲波傳感器，檢測範圍為20釐米至765釐米，盲區為20釐米，解析度為1釐米，使用I2C總線與飛行控制器建立通信，並具有功耗低、較高的聲功率輸出、可實時自動校準和使用方便的特點。
將上述的攝像頭模塊保持攝像頭垂直向下固定於兩軸無刷雲臺上；同樣的，超聲波測距模塊也保持垂直向下固定在雲臺上，並保持攝像頭鏡頭與超聲波測距模塊的發射接收端在同一水平面，使得超聲波測距模塊測得的旋翼無人機的飛行高度與攝像頭鏡頭距離地面的高度相同。
再將上述的兩軸無刷雲臺固定在旋翼無人機的正下方，並給兩軸無刷雲臺進行配平，使得雲臺上電正常工作後，攝像頭鏡頭保持水平。
超聲波測距模塊通過I2C總線接口與飛行控制器相連；攝像頭模塊通過USB接口與圖像處理器相連，完成圖像信息的傳輸；圖像處理器通過USB轉TTL串口模塊與飛行控制器相連，完成目標物質點信息的傳輸；飛行控制器，用於控制旋翼無人機的自主飛行，結合得到的目標物質點信息和實時的飛行高度，得出旋翼無人機與目標物之間的實際相對誤差距離，並根據得到的實際相對誤差距離控制旋翼無人機跟蹤目標物。機載數傳模塊通過UART串口與飛行控制器相連，地面站數傳模塊通過USB接口與地面測試模塊相連，兩者以433MHz的頻率通訊，實現飛行控制器和地面測試模塊之間的數據互傳。機載圖傳發送模塊，用於傳輸圖像處理器處理過的圖像信息至地面站，通過USB接口與圖像處理器相連，並以5.8GHz的頻率與地面站圖傳模塊實現無線通訊。地面站圖傳接收模塊，用於接收圖像處理器處理過的圖像信息，通過USB接口與地面測試模塊相連。地面測試模塊，用於實時顯示圖像處理器處理過的圖像信息，便於操控者對整個跟蹤飛行過程進行監控，可以提前對意外情況作出反應。
本實用新型實施例中電源模塊包括一塊6000mAh、25C、22.2V的鋰電池、24V轉12V直流穩壓模塊和一UBEC降壓模塊。鋰電池一方面直接給旋翼無人機的動力單元供電，再通過UBEC降壓模塊輸出5V電壓給飛行控制器供電；另一方面配合12V穩壓模塊給圖像處理器和兩軸無刷雲臺供電。
上述的動力單元包括電機、電調、螺旋槳。動力單元的選型決定了旋翼無人機的最大負載能力。本實用新型以四旋翼無人機為例，採用4個朗宇X4110-KV580無刷電機、4個樂天40A電調搭配2對飛越Tarot A系列1238碳纖維螺旋槳。鑑於上述選型，可以給四旋翼無人機提供 的升力。
顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本實用新型的實質精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍屬於本實用新型的保護範圍。