Dört rotorlu görsel alan konumlandırma sisteminin tasarımı
Zhang Peng, Shen Jie, Wang Li, Ren Chonggeng
(Elektrik Mühendisliği ve Kontrol Bilimi Okulu, Nanjing Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 211816, Jiangsu)
Görsel konumlandırma elde etmek için yerleşik kameralar kullanan dört rotorlu İHA'lar için bir çözüm önerilmiştir. Piramit Lucas-Kanade seyrek optik akış yöntemi, görüntü özellik noktalarının yatay sapmasını elde etmek için kullanılır. Yükseklik, atalet ve yatay sapma, kaynaştırılmış verilerdir ve birleştirilmiş veriler, konumsal PID kontrolörünün geri besleme girişi olarak kullanılır. Görsel konumlandırma işleminde yörünge algılama hatasını azaltmak için, uyumsuz noktaları ortadan kaldırmak için ileri ve geri hataları kullanılır; belirli bir zamandaki izleme noktası kaybı için, o andaki durumu tahmin etmek için ayrık Kalman filtresi kullanılır. Simülasyon ve deneyler, bu planın dört rotorlu İHA'nın belirli bir yükseklikte iyi bir konumlandırma etkisine sahip olmasını sağlayabileceğini göstermektedir.
Optik akış; veri füzyonu; ileri ve geri hata; PID
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP273
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.02.009
Çince alıntı biçimi: Zhang Peng, Shen Jie, Wang Li, ve diğerleri.Dört rotorlu görsel alan konumlandırma sisteminin tasarımı.Elektronik teknoloji uygulaması, 2017, 43 (2): 44-46, 50.
İngilizce alıntı biçimi: Zhang Peng, Shen Jie, Wang Li, ve diğerleri.Kadrotor için görsel alan yerelleştirme sistemi tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (2): 44-46, 50.
0 Önsöz
Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte akıllı üretim ve genel havacılığın entegre ve geliştirdiği quadrotor İHA, insanların ilgisini çekmiş, yüksek irtifa hava fotoğrafçılığı, güç sistemi incelemeleri, yakın keşif gibi sivil ve askeri alanlardaki uygulamaları gittikçe yaygınlaşmaktadır.
Bu yazıda, görsel konumlandırma sistemi, dört rotorlu İHA'nın belli bir yükseklikte havadan görüntü aktarım ekipmanına atıfta bulunmaktadır.Dört rotorlu İHA'nın yere göre yer değişimini hesaplamak için optik akış verileri kamera aracılığıyla elde edilir ve irtifa ve atalet verileri ile kaynaştıktan sonra karar verilir. Duruşunuzu ve konumunuzu ayarlayın, böylece dört rotorlu drone belirli bir alanda havada kalabilir.
1 Sistem donanımı bileşimi
Bu makaledeki dört rotorlu UAV denetleyicisinin çekirdek yongası, STMicroelectronicsin STM32F407ZET6'sini kullanır. Çip, 1 MB büyük kapasiteli Flash, düşük güçlü, çok işlevli çevresel arabirimlere sahiptir ve en büyük avantajı, kayan nokta birimine sahip olmasıdır. , Gelişmiş veri işleme yetenekleri.
Quadrotor drone'un tutum kontrolü için kullanılan atalet sensörü, üç eksenli bir MEMS ivmeölçer ve üç eksenli bir MEMS jiroskopunu entegre eden MPU6050'yi kullanır.Üç eksenli manyetik alan ölçer AK8975, elips bağlantıdan geçer ve yönelim için manyetik alan verilerini telafi eder. Sensör, ana denetleyici ile iletişim kurmak için IIC kullanır ve dönüş açısı, eğim açısı ve sapma açısını elde etmek için tutum hesaplaması için dokuz eksenli verileri elde eder.
Kararlı görsel konumlandırma elde etmek için, deneysel platform sabit bir yükseklik modu ekler, HC-SR04 ultrasonik sensör modülünü seçer ve atalet verilerinin tamamlayıcı filtreleme ve füzyonu yoluyla sabit yükseklik işlevini tamamlar.
Birçok karmaşık bilgisayarla görme işleme algoritması kullanma ihtiyacı ve sıradan tek çipli bilgisayarlar sınırlı veri işleme yeteneklerine sahip olduğundan ve bir ana bilgisayar tarafından işlenmeleri gerektiğinden, görüntüleri toplamak için 700 hatlı bir FPV kamera seçilir.Görüntü bilgileri alıcıya 5,8 G kablosuz verici aracılığıyla iletilir ve alınır Cihaz, veri toplama kartı aracılığıyla ana bilgisayara iletilir. Üst bilgisayarın görüntü işlemesinden sonra veriler, görsel alan konumlandırma görevleri için kablosuz veri aktarım modülü tarafından dört rotorlu İHA kontrol cihazına iletilir. Dört rotorlu İHA'nın görsel alan konumlandırma sisteminin yapı diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir.
2 Görsel alan konumlandırma algoritması
Bu yazıda, Lucas-Kanade piramidi seyrek optik akış izleme yöntemi benimsenmiştir Algoritma, retina değişikliklerine neden olan böceklerin hareketinden kaynaklanmıştır. Lucas-Kanade seyrek optik akış aşağıdaki üç varsayıma dayanmaktadır: (1) parlaklık sabittir; (2) hareket "küçük harekettir"; (3) boşluk tutarlıdır.
Optik akış izleme köşe noktaları Shi ve Tomasi yöntemlerini kullanır Optik akışla elde edilen köşe noktası hareket sapması d dinamik bir dizide depolanır ve ardından ortalama bir değer elde etmek için tespit edilen köşe noktalarının sayısına bölünür.Dinamik dizi kullanıldıktan sonra belleği serbest bırakılır. Operasyonel verimliliği artırın.
Gerçek optik akış izleme noktalarında, izleme işlemi sırasında bazı noktalar büyük ölçüde değişir veya aniden kaybolur Bu durum nokta izleme arızasına neden olur.İleri ve geri yörünge hataları, uyumsuz noktaları iyi bir şekilde ortadan kaldırabilir. Durum.
İleri ve geri yönlerdeki karakteristik noktaların yörünge hataları küçükten büyüğe elde edilecek ve medyan değeri alınacaktır. Karakteristik nokta yörünge hatası medyan değerden daha büyük olduğunda, karakteristik nokta atılır; karakteristik nokta yörünge hatası medyan değerden küçük veya ona eşit olduğunda, karakteristik nokta korunur.
Dört rotorlu İHA belirli bir yatay yönde sürüklendiğinde, bu yöndeki iki motorun hızının azaldığı ve bunun sonucunda bir tilt açısının ortaya çıktığı, Tilt açısı ne kadar büyükse, eylemsizlik cihazının bu yöndeki ivme değeri o kadar büyük olduğu görülebilir. Filtrelemeden sonra atalet aygıtının ivme değerini, PID hız iç döngüsünün geri besleme girişi olarak kullanılan hıza entegre edin:
Bunlar arasında ax, eylemsizlik cihazının x yönündeki ivme değeridir, vx ivme entegrasyonundan sonra elde edilen hız değeridir ve t 2 ms olan çalışma süresini temsil eder. Y yönündeki hız değeri de aynı şekilde elde edilir.
Bu yazıda görsel konumlandırma algoritmasının yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. Beklenen yatay sapma değeri dep_x (y) ve beklenen yatay hız değeri vexp_x (y) 0'dır. PID kontrol algoritmasının tümü ikili kapalı döngü konumsal PID kullanır. İç döngü ve dış döngü farklı frekans kontrolü kullanır. Konumsal PID kontrol yöntemi aşağıdaki gibidir:
Formülde kp, Ti, Td sırasıyla denetleyici orantılı, integral ve türev parametreleridir. e (k) farktır, u (k) PID kontrolörünün çıkış değeridir.
Konumlandırma kontrolörü çeşitli verileri entegre eder ve bunları PWM (Darbe Genişliği Modülasyonu, PWM) aracılığıyla motora çıkarır. Füzyon yöntemi formül (5) şeklinde verilmiştir:
Formülde Mi motor çıkışı PWM değeri, uultra ultrasonik sabit yükseklik PWM değeri, uyaw sapma açısı tutum kontrol PWM değeri, ux_out x-yönü poz kontrolörü PWM değeri, uy_out y-yönü poz kontrolörü PWM değeridir.
3 Deney ve analiz
Kamera görüntüleme ilkesine göre, benzer üçgen formülü şu şekilde türetilebilir: odak uzaklığı f sabit bir değer olduğunda ve dört rotorlu İHA belirli bir h yüksekliğinde olduğunda, görüntü koordinat sistemindeki köşe hareket mesafesi x (y) insansız quadrotor ile aynıdır. Makine hareketinin yatay mesafesi X (Y) doğru orantılıdır.
Şekil 3, bir quadrotor İHA'nın hızını ve yüksekliğini gösteren bir grafiktir. Füzyon hızı, Şekil 3 (a) 'da gösterildiği gibi PID iç döngüsünün geri besleme girişi olarak kullanılan ve 2 ms'de bir kontrol edilen ivme entegrasyon hızı ve ultrasonik hızın tamamlayıcı filtrelenmesi ile elde edilir; ultrasonik yükseklik değeri, PID dış döngüsünün geri besleme girişi olarak kullanılır ve 50 ms'de bir kontrol edilir. Şekil 3 (b) 'de görüldüğü gibi kuadrotor İHA'nın yükseklik hatası ± 5 cm içindedir.
Konumlandırma sürecindeki hataları azaltmak için, uyumsuzluk noktalarını azaltmak için ileri ve geri hatalar kullanılır ve bazı uyumsuzlukları gidermek için ileri ve geri hata kalibrasyonu kullanıldıktan sonra Şekil 4'te gösterildiği gibi uçuş durumunu simüle etmek için quadrotor y yönünde yukarı ve aşağı hareket ettirilir. nokta.
Şekil 4'te ileri ve geri hatalar incelendiğinde, şekilde hedef takip noktalarının kaybını temsil eden bazı sıfır noktalarının olduğu bulunmuştur. Optik akış verilerinin durumunu tahmin etmek için Kalman filtresini kullanın Tahminden sonra, veriler Şekil 5'te gösterildiği gibi çok düzgün hale gelir.
Dört rotorlu İHA, yaklaşık 0,6 m yüksekliğe kadar uçar ve sabit yükseklik moduna geçer ve ardından Şekil 6'da gösterildiği gibi hedefin tepesine uçar ve sabit bir şekilde uçtuktan sonra görsel konumlandırma moduna geçer.
Şekil 7, önden arkaya hızın ve optik akışın sapma değerini gösteren bir grafiktir. Vücut koordinat sisteminde x yönündeki ivme entegrasyonundan sonra elde edilen hız değeri, PID iç döngüsünün geri besleme girişi olarak negatif olarak alınır ve Şekil 7 (a) 'da gösterildiği gibi 2 ms'de bir kontrol edilir; y yönündeki optik akış görüntü koordinat sisteminde ofsettir. Kalman filtrelemesinden sonra, miktar PID iç döngü geri besleme girişi olarak kullanılır ve Şekil 7 (b) 'de gösterildiği gibi 80 ms'de bir kontrol edilir. İki değişiklik arasındaki ilişki zıttır ve ileri ve geri yönleri birlikte kontrol ederler.
Şekil 8, sol-sağ hızın ve optik akışın sapma değerini gösteren bir grafiktir. Vücut koordinat sistemine y yönündeki ivmeyi entegre ettikten sonra, hız değeri negatiftir, bu PID iç döngüsünün geri besleme girişi olarak kullanılır ve Şekil 8 (a) 'da gösterildiği gibi 2 ms'de bir kontrol edilir; görüntü koordinat sisteminde x yönündeki optik akış kayması geçer Kalman filtrelemesinden sonra, Şekil 8 (b) 'de gösterildiği gibi, PID dış döngü geri besleme girişi olarak 80 ms bir kez kontrol eder. İki değişiklik arasındaki ilişki zıttır ve sol ve sağ yönleri birlikte kontrol ederler.
Havadaki kamera yerel bir varyasyonu ölçtüğü için, deneysel konumlandırma sonucu hatası kendi deneysel ölçüm değeriyle verilemez, bu nedenle bu makale 1 m genişliğinde ve 1,5 m uzunluğunda siyah beyaz bir satranç bezi ve görsel konumlandırma alanı üzerinde uçmayı seçer. Yaklaşık 1 m2.
4. Sonuç
İnsansız kontrol altında dört rotorlu dronların sürüklenmesini hedefleyen bu makale, yatay ofseti elde etmek için piramit Lucas-Kanade seyrek optik akışını kullanır ve görsel konumlandırma kontrolü için yükseklik değerini ve atalet verilerini birleştirir. Deney belli sonuçlara ulaştı. Bununla birlikte, eylemsizlik biriminin sıfır kayması nedeniyle, biriken tüm hataları gidermek zordur ve görüntü aktarımı ve veri aktarımı kablosuz iletim işlemi paraziti, bu deneysel platformun çok küçük bir alanda görsel olarak konumlandırmasını zorlaştırır.Aşağıdaki, durum tahminini ve diğer algoritmaları daha da optimize edecek Konumlandırma hatasını azaltın.
Referanslar
Duan Weichao. Küçük drone'lar için görsel yükseklik ölçümü ve hedef tanıma teknolojisinin araştırılması ve FPGA optimizasyonu. Changsha: Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi, 2013.
Jiang Bin. Küçük insansız, alçak irtifa dört rotorlu uçakların kapsamlı tasarımı. Hangzhou: Zhejiang Üniversitesi, 2013.
Lu Yinxin, Xiao Qiangui, Hu Shousong. Kuaterniyon tamamlayıcı filtrelemeye dayalı İHA tutum hesaplaması, Yanshan Üniversitesi Dergisi, 2014, 38 (2); 175-180.
Fumiya Iida. Uçan bir robotun navigasyonu için biyolojik olarak ilham alan görsel kilometre sayacı Robotik ve Otonom Sistemler, 2003, 44 (3): 201-208.
Jiang Zhijun, Yi Huarong. Görüntü piramidi optik akışına dayalı bir özellik izleme yöntemi. Wuhan Üniversitesi Dergisi (Information Science Edition), 2007, 32 (8): 680-683.
Xian Bin, Liu Yang, Zhang Xu, vd.Küçük quadrotor dronların görüş tabanlı otonom uçuş kontrolü. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51 (9): 58-63.
KALAL Z, MIKOLAJCZYK K, MATAS J. İleri-geri hata: İzleme arızalarının otomatik tespiti Örüntü Tanıma (ICPR), 201020th International Conference on IEEE, 2010: 2756-2759.
