本發(fā)明涉及多旋翼無人機技術領域，尤其涉及一種基于視覺導航的四旋翼無人機的自主飛行系統(tǒng)及控制方法。

背景技術：

在室內環(huán)境中，小型無人機往往采用微機電慣性導航裝置。微機電慣性導航依靠內部的加速度計測得三個軸向的運動加速度，積分運算后得到無人機位置信息，在短時間內有很高的定位精度。但微機電慣性系統(tǒng)的零漂較嚴重，隨時間的延長，誤差積累使得測量精度不斷降低，從而逐漸偏離準確值，不宜單獨使用。目前室內環(huán)境導航常用的是采用測距傳感器來獲取外界環(huán)境信息，如聲納傳感器、激光測距儀等。聲納傳感器利用發(fā)射一列聲波與接受發(fā)射波的時間間隔來感知周圍環(huán)境的距離信息。聲納傳感器有價格低廉、數(shù)據(jù)處理簡單、實時性好的優(yōu)點而被廣泛使用，但聲納傳感器存在測量誤差較大，容易受環(huán)境因素如溫度、濕度和反射聲納材料等影響。聲納傳感器在發(fā)射聲波時，是按著一個散射角發(fā)射的扇形區(qū)域，無法確定障礙在扇形區(qū)域的準確位置。使用多個聲納傳感器時，由于室內環(huán)境較擁擠可能產生串擾，即一個聲納傳感器發(fā)射的聲波被另一個聲納傳感器接受。聲波在復雜環(huán)境中多次反射造成能量損耗，如毛後等吸收聲能量，使反射的聲波能量迅速減少，導致返回時的聲波信號低于接受的響應閾值，而錯誤反饋障礙物的距離。根據(jù)聲納傳感器的特點，感知環(huán)境的信息量少、精度不高和可能出現(xiàn)錯誤距離反饋，因此聲納傳感器在室內導航上無法滿足精確度的要求。激光測距儀利用發(fā)射一列光束和接受光束的時間間隔來感知周圍環(huán)境的距離信息。由于光束的傳輸速度快于聲波的傳輸速度，激光測距儀的測量速度更快，激光測距儀的測量速度主要受儀器中機械結構的電機轉速限制。激光測距儀發(fā)射的光束散射角小，光波的發(fā)射性能好，不會有多次反射和錯誤反射情況，保證了數(shù)據(jù)的確定性，可以直接讀出真實距離。與聲納傳感器相比，激光測距儀在測量一傾數(shù)據(jù)時，可以測量較大角度和較多數(shù)據(jù)點，更能準確感知環(huán)境的距離信息。但是，激光測距儀價格昂貴，特別是測量三維距離信息的激光雷達。對于一般激光測距儀只能提供一個高度平面上一定測量角度的距離信息，激光接受不了鏡面反射損失的光束，對于環(huán)境中的玻璃或非常光滑表面的物體無法檢測，導致信息缺失。在室內環(huán)境中的導航，由于大部分障礙物都垂直地面，可以釆用與地面平行的平面距離信息進行導航。激光測距儀具有測量速度快，測量精度高，對環(huán)境中的噪聲、光照強度不敏感的特點，滿足無人機導航需要的實時性和精確性。但在導航中的路徑規(guī)劃缺乏智能性，在復雜樓道多房間導航時，無法比較判斷正確目標房間，在定位目標時，無法計算目標位置。因此，應該提供一種新的技術方案解決上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：針對目前室內導航裝置存在的不足，提供一種一種基于視覺導航的四旋翼無人機的自主飛行系統(tǒng)及控制方法。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種基于視覺導航的四旋翼無人機的自主飛行系統(tǒng)，包括飛行控制板，所述飛行控制板外接電源模塊、驅動模塊、高度測量模塊和視覺導航模塊，所述飛行控制板上設有飛控處理器模塊、飛行姿態(tài)采集模塊、顯示模塊和通訊模塊，

所述飛行控制板采用stm32f407飛控處理器模塊，用于通過mpu-6050整合的3軸陀螺儀、3軸加速器以及地磁傳感器來采集姿態(tài)數(shù)據(jù)并且采取pid控制，調制pwm信號輸出不同的占空比信號驅動無刷直流電機，控制飛行姿態(tài)；

所述飛行姿態(tài)采集模塊包括加速度傳感器和角速度傳感器用于對四旋翼無人機進行姿態(tài)測量；

所述高度測量模塊采用us-100超聲波傳感器用于測量飛行高度，通過測量超聲波模塊返回的高電平時間，得到高度，再通過低通濾波進行數(shù)據(jù)平滑處理，得到穩(wěn)定的高度信息作為反饋，對四旋翼飛行器飛行高度的進行控制；

所述視覺導航模塊采用k60單片機控制ov7725攝像頭，用于處理圖像數(shù)據(jù)，并通過串口將路線信息發(fā)送給飛行控制板使其調整飛行路線達到巡線的目的，使四旋翼飛行器自主循跡，在規(guī)定區(qū)域起降、懸停；

所述驅動模塊采用無刷電機和電調作為四旋翼無人機的驅動模塊，用于實現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定運行；

所述通訊模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送；

所述顯示模塊用于顯示實時的數(shù)據(jù)輸出。

一種基于視覺導航的四旋翼無人機的自主飛行的控制方法，包括如下步驟：

a)飛行姿態(tài)控制

飛行控制板通過飛行姿態(tài)采集模塊獲得四旋翼無人機的各種姿態(tài)信息，作為反饋量，經過pid控制算法得出無人機4個旋漿上對應的4個電機應有的轉速，然后通過pwm定時器接口發(fā)送給電調，調整4個電機的轉速來實現(xiàn)對其姿態(tài)的控制；

b)飛行器超聲波定高控制

定高控制算法采用的是位置式pid控制，定高控制的輸出最后與姿態(tài)控制的輸出疊加到4個電機的控制中，對超聲波的數(shù)據(jù)濾波使用的是低通濾波，采用近三次的平均值，使用歐拉角來校正高度值，高度控制程序每60ms執(zhí)行一次，把計算出的高度控制輸出分成30次疊加到電機控制；

c)飛行器自主循跡控制

采用ov7725攝像頭模塊來采集線道信息，安裝在飛機的下面正中心的位置，在飛行器上裝配us-100超聲波傳感器來采集高度信息，用k60芯片專門處理圖像數(shù)據(jù)，通過攝像頭對實時圖像進行采集，得到線道的信息，對當前采集到的圖像信息做出判斷，從而得到道路的情況，之后將處理完的結果通過串口發(fā)送給飛控主控制芯片達到循跡的目的；

一般線道圖像都由黑線和白色背景構成，在處理時將一幀圖像轉換成“0”、“1”的信息保存其中0為背景，1為賽道，然后提取黑線中心以得到黑線位置，自主循跡算法分為4步：

(3)對圖像進行中值濾波；

(4)提取每一行的黑線中心點；具體方法，從第一行開始，并且從左往右開始依次尋找白色到黑色的跳變點，記下該點所在的列數(shù)x，即為該行黑線的左邊界。再繼續(xù)從右往左尋找白色到黑色的跳變點，記下該點所在的列數(shù)y，即為該行黑線的右邊界，那么該行黑線中心點所在的列數(shù)＝(x+y)/2，就這樣，從第1行尋找到第30行；

(3)把前30行找到的所有中心點所在的列數(shù)相加以后求均值，即將前30行所有中心點列數(shù)求和然后除以30；

(4)由于攝像頭被安裝在飛機的下面正中心的位置，根據(jù)提取到的黑線中心可以得到飛機是否偏離了方向，進而可以根據(jù)偏移量適當?shù)卣{整飛機的飛行角度，使其回到賽道線的正上方。

進一步的技術方案：

所述四旋翼無人機為四軸飛行器，四軸飛行器配有四個旋漿，四個旋漿兩兩相對交叉呈十字交叉結構，每個旋漿配有一個無刷直流電機和電調，飛行控制板采調制pwm信號輸出不同的占空比信號驅動無刷直流電機，控制飛行姿態(tài)。

由于上述技術方案的采用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明的四旋翼無人機的自主飛行系統(tǒng)及控制方法，擴大了無人機的室內導航能力和應用的范圍，同時提高了無人機躲避障礙的能力，以及無人機的機動性、智能性。無人機室內飛行技術對于防恐偵查，室內營救、拾取室內目標等具有重要意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明飛行器自主飛行系統(tǒng)方框圖。

圖2為飛行器超聲波定高控制流程圖。

圖3為飛行器自主循跡控制流程圖。

其中：1、飛行控制板，2、電源模塊，3、驅動模塊，4、高度測量模塊，5、視覺導航模塊，6、飛控處理器模塊，7、飛行姿態(tài)采集模塊，8、顯示模塊，9、通訊模塊。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，一種基于視覺導航的四旋翼無人機的自主飛行系統(tǒng)，包括飛行控制板1，所述飛行控制板1外接電源模塊2、驅動模塊3、高度測量模塊4和視覺導航模塊5，所述飛行控制板1上設有飛控處理器模塊6、飛行姿態(tài)采集模塊7、顯示模塊8和通訊模塊9，

所述飛行控制板1采用stm32f407飛控處理器模塊6，用于通過mpu-6050整合的3軸陀螺儀、3軸加速器以及地磁傳感器來采集姿態(tài)數(shù)據(jù)并且采取pid控制，調制pwm信號輸出不同的占空比信號驅動無刷直流電機，控制飛行姿態(tài)；

所述飛行姿態(tài)采集模塊7包括加速度傳感器和角速度傳感器用于對四旋翼無人機進行姿態(tài)測量；

所述高度測量模塊4采用us-100超聲波傳感器用于測量飛行高度，通過測量超聲波模塊返回的高電平時間，得到高度，再通過低通濾波進行數(shù)據(jù)平滑處理，得到穩(wěn)定的高度信息作為反饋，對四旋翼飛行器飛行高度的進行控制；

所述視覺導航模塊5采用k60單片機控制ov7725攝像頭，用于處理圖像數(shù)據(jù)，并通過串口將路線信息發(fā)送給飛行控制板1使其調整飛行路線達到巡線的目的，使四旋翼飛行器自主循跡，在規(guī)定區(qū)域起降、懸停；

所述驅動模塊3采用無刷電機和電調作為四旋翼無人機的驅動模塊，用于實現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定運行；

所述通訊模塊9用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送；

所述顯示模塊8用于顯示實時的數(shù)據(jù)輸出。

在本實施中飛行控制板1采用stm32f407飛控處理器，該芯片搭載arm公司的cortex-m3內核，內部集成1mbflash和192kbram，內置高速片上振蕩器時鐘，最高頻率可達168mhz，支持看門狗定時器，內置上電復位、按鍵中斷、時鐘輸出、蜂鳴器輸出控制電路等，該芯片具有出色的實時性和優(yōu)越的功耗控制；同時，它還有豐富的外設，如iic接口、usart接口等，方便連接數(shù)傳、超聲波、gps、wifi、osd等模塊，大大提高系統(tǒng)的拓展性。

在本實施例中，驅動模塊3采用無刷電機和電調作為四旋翼無人機的驅動模塊，無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。無刷電機具有低干擾，噪聲低，運轉順暢，壽命長等優(yōu)點。而且無刷電機轉速快且平穩(wěn)，這些優(yōu)點對于模型運行穩(wěn)定性是一個巨大的支持，完全可以適合本設計要求。

在本實施例中，所述飛行姿態(tài)采集模塊7包括加速度傳感器和角速度傳感器用于對四旋翼無人機進行姿態(tài)測量，用加速度的測量數(shù)據(jù)來互補角速度傳感器測量的不足，本設計采用6軸運動處理組件mpu-6050，其特點有：

a.內部3軸角速度傳感器具有±250、±500、±1000與±2000(°/s)全格測量范圍；3軸加速度量程可程序控制，控制范圍為±2g、±4g、±8g和±16g。

b.具備較低功耗：芯片供電電壓vdd為2.5v±5％、3.0v±5％、3.3v±5％；陀螺儀工作電流5ma，待機電流僅5μa；加速計工作電流500μa，在10hz低功耗模

式下僅40μa。

c.陀螺儀和加速計都具備16位adc同步采樣；另外陀螺儀具備增強偏置和溫度穩(wěn)定的功能，減少了用戶校正操作，且具備改進的低頻噪聲性能；加速計則具備

可編程中斷和自由降落中斷的功能。

d.接口采用可高達400khz的快速模式iic，內建頻率發(fā)生器在所有溫度范圍僅有1％頻率變化。

e.具備較小的4mm×4mm的qfn封裝，減少占據(jù)面積；

在本實施例中，使用ov7725模塊作為飛行器的圖像采集模塊，ov7725是一款cmos攝像頭器件，屬于硬件二值化攝像頭，速率可達150幀每秒，去噪點能力極強，二值化效果非常理想。輸出8位圖像數(shù)據(jù)，具有自動增益和自動白平衡控制,能進行亮度、對比度、飽和度、γ校正等多種調節(jié)功能。其視頻時序產生電路可產生行同步、場同步、混合視頻同步等多種同步信號和像素時鐘等多種時序信號。5v電源供電,工作時功耗<120mw，待機時功耗<10μw。針對于本次設計，ov7725能夠采集相應場地情況，在姿態(tài)較為平穩(wěn)的條件，實現(xiàn)場地數(shù)據(jù)讀取，可姿態(tài)飛行控制，是實現(xiàn)巡線起飛降落等多個功能的關鍵因素。

如圖2和3所示，一種基于視覺導航的四旋翼無人機的自主飛行的控制方法，包括如下步驟：

a)飛行姿態(tài)控制

飛行控制板通過飛行姿態(tài)采集模塊獲得四旋翼無人機的各種姿態(tài)信息，作為反饋量，經過pid控制算法得出無人機4個旋漿上對應的4個電機應有的轉速，然后通過pwm定時器接口發(fā)送給電調，調整4個電機的轉速來實現(xiàn)對其姿態(tài)的控制；

本飛行器中姿態(tài)解算利用的是mpu6050dmp(digitalmotionprocess)輸出的四元數(shù)。為了有較好的線性度，將需要的姿態(tài)差轉換為歐拉角后再進行pid控制。姿態(tài)解算后出來三個角度，即橫滾角(roll)、俯仰角(pitch)、偏航角(yaw)

解算出的姿態(tài)需要通過控制電機的轉動來讓四軸飛行器穩(wěn)定飛行?？刂齐姍C較為經典的是采用pid算法，但四軸飛行器是個需要穩(wěn)定性很強的系統(tǒng)，單閉環(huán)pid控制器穩(wěn)定性不強，會使四軸飛行器飛行效果不好。由于姿態(tài)速度響應的速度比姿態(tài)響應的速度快，四軸飛行器飛行的時候引起的姿態(tài)速度變化也比姿態(tài)速度變化大，故姿態(tài)速度控制作為內環(huán)，姿態(tài)控制作為外環(huán)，也就是角度外環(huán)和角速度內環(huán)組成的串級pid控制器。將四元數(shù)轉換后的歐拉角與陀螺儀測出來的角速度進行串級pid控制，其中歐拉角作為外環(huán)，每5ms執(zhí)行一次；角速度作為內環(huán)，每2.5ms執(zhí)行一次。外環(huán)的設定值為遙控器的指令值，內環(huán)的設定值為外環(huán)的輸出值。由于內環(huán)的角速度控制不需要無靜差,所以內環(huán)采用pd控制,為防止測量的誤差造成較大影響,外環(huán)積分需要限幅。

橫滾角(roll)和俯仰角(pitch)的控制算法是一樣的，控制參數(shù)也比較接近。首先得到姿態(tài)的角度差，將該值乘以角度系數(shù)p后限幅作為角速度控制器期望值，該期望值與mpu6050得到的當前角速度做差，得到角速度誤差乘以kp得到p，在i值小于限幅值時將角速度誤差累加到i中，前后兩次角速度誤差的差作為d項，最后將p、i、d三者相加并限幅得到最終pid輸出。

b)飛行器超聲波定高控制

定高控制算法采用的是位置式pid控制，定高控制的輸出最后與姿態(tài)控制的輸出疊加到4個電機的控制中，對超聲波的數(shù)據(jù)濾波使用的是低通濾波，采用近三次的平均值，使用歐拉角來校正高度值，高度控制程序每60ms執(zhí)行一次，把計算出的高度控制輸出分成30次疊加到電機控制；一鍵起飛是當遙控器發(fā)出該指令時，高度設定為1.0m,定高控制pid起作用，直到四軸飛行器達到設定高度后，飛行器進行自主定高飛行。一鍵降落是當遙控器發(fā)出該指令時，高度設定值慢慢減小，直到飛行器降落到地面后，四軸飛行器電機停止轉動，達到一鍵降落功能。定高控制流程圖見圖2

c)飛行器自主循跡控制

采用ov7725攝像頭模塊來采集線道信息，安裝在飛機的下面正中心的位置，在飛行器上裝配us-100超聲波傳感器來采集高度信息，用k60芯片專門處理圖像數(shù)據(jù)，通過攝像頭對實時圖像進行采集，得到線道的信息，對當前采集到的圖像信息做出判斷，從而得到道路的情況，之后將處理完的結果通過串口發(fā)送給飛控主控制芯片達到循跡的目的；

一般線道圖像都由黑線和白色背景構成，在處理時將一幀圖像轉換成“0”、“1”的信息保存其中0為背景，1為賽道，然后提取黑線中心以得到黑線位置，自主循跡算法分為4步：

(5)對圖像進行中值濾波；

(6)提取每一行的黑線中心點；具體方法，從第一行開始，并且從左往右開始依次尋找白色到黑色的跳變點，記下該點所在的列數(shù)x，即為該行黑線的左邊界。再繼續(xù)從右往左尋找白色到黑色的跳變點，記下該點所在的列數(shù)y，即為該行黑線的右邊界，那么該行黑線中心點所在的列數(shù)＝(x+y)/2，就這樣，從第1行尋找到第30行；

(3)把前30行找到的所有中心點所在的列數(shù)相加以后求均值，即將前30行所有中心點列數(shù)求和然后除以30；

(4)由于攝像頭被安裝在飛機的下面正中心的位置，根據(jù)提取到的黑線中心可以得到飛機是否偏離了方向，進而可以根據(jù)偏移量適當?shù)卣{整飛機的飛行角度，使其回到賽道線的正上方。攝像頭尋跡控制流程圖見圖3。

經過測試，由于線道本身比較簡單，對比度明顯，加上中值濾波對噪聲的濾除，可以很準確地提取出線道中心線位置，但是該算法涉及的運算較多，如果只用主飛控來接收處理攝像頭數(shù)據(jù)，1s內只能處理1幀圖像，這么慢的處理速度很容易導致飛機飛出線道外，于是本設計添加了k60芯片專門處理攝像頭數(shù)據(jù)，并將控制信息通過串口發(fā)送給主飛控芯片，通過優(yōu)化算法，最終可以實現(xiàn)1s處理50幀圖像，大大提高了實時性。

優(yōu)選的，作為第二個實施例，本實施例是對實施例一的進一步限定，所述四旋翼無人機為四軸飛行器，四軸飛行器配有四個旋漿，四個旋漿兩兩相對交叉呈十字交叉結構，每個旋漿配有一個無刷直流電機和電調，飛行控制板采調制pwm信號輸出不同的占空比信號驅動無刷直流電機，控制飛行姿態(tài)。