CN109835502B - 一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法,检测控制装置由全景摄像头、图像处理器、标定条纹、两块永磁体、偏心圆环、以及安装在摆线桨桨盘上的可控电磁铁组成。全景摄像头、图像处理器固定在桨盘中心轴延伸支架上,随桨盘同步转动,采集偏心圆环和桨盘所在空间的位置信息,并将图像信息转换成计算的数字图像。偏心圆环靠近桨盘的侧面有两块永磁体和多个控制拉杆,偏心圆环径向设有过1#永磁体的直线段标定条纹,偏心圆环控制机构通过调节电磁铁和永磁体间的斥力控制偏心圆环位置,其结构简单、控制精度高。偏心圆环位置检测算法利用参数约束的方法,降低待搜索参数空间的维数,增强了算法实时性。
Description
技术领域
本发明涉及视觉检测控制技术,具体地说,涉及一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法。
背景技术
摆线桨推进器,又名滚翼推进器,是一种桨叶展向同旋转轴轴向平行的特殊推进装置,摆线桨桨叶在随桨盘公转的同时还能够绕着各自的梁做周期性俯仰摆动,产生动态升力。西北工业大学在2011年研制的“风火轮”无人机实现了摆线桨作为主升力源的无人机空中悬停和可控飞行,引起了国内外广泛关注。风洞实验和实际飞行实验表明,摆线桨的桨叶在随桨盘公转的同时绕自身主管梁做周期性俯仰摆动,这种运动引起的桨叶动态失速使推进器在低雷诺数下具有很高的气动效率;另外,摆线桨推进式无人机悬停时产生的噪声远远小于无人直升机和四旋翼机,具有很高的隐蔽性。
现有的摆线桨推进器大都没有安装变桨距机构和矢量推力控制装置,仅仅将摆线桨的驱动电机转速作为执行机构的反馈量。然而,摆线桨特殊的非定常气动特性和桨叶间干扰效应导致上述粗糙的闭环控制很难实现可控飞行,现有的以摆线桨作为主升力源的无人机在系留悬停实验中往往存在严重的上下起伏现象。专利CN102582830A中公开了一种通过控制偏心圆环来改变桨距和推力方向的摆线桨推进器,该推进器充分发挥了摆线桨灵活的矢量推力优势;然而,该推进器的偏心圆环还主要通过机械拉杆进行控制并且大都没有安装定位装置;机械拉杆及其连接机构的摩擦力模型复杂,具有增大运载体负重、增大系统不确定度等严重缺陷。此外,控制设计不仅需要考虑偏心圆环在其面域内的平动,还须考虑绕其偏心圆圆心的扭摆;偏心圆环的偏心距、偏心相位角、扭摆角和驱动电机转速是矢量推力变桨距摆线桨的一簇控制量,必须同时控制,因此设计精确的偏心圆环检测定位装置和方法对增强执行机构的闭环反馈,进而实现精确的矢量推力控制和变桨距控制具有重要意义。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足,解决变桨距摆线桨推进器偏心圆环运动检测和位置跟踪控制问题,本发明提出一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括全景摄像头、图像处理器、直线段标定条纹、永磁体、摆线桨中心轴、偏心圆环、沿摆线桨桨盘上周向分布的若干可控电磁铁,所述摆线桨中心轴与驱动电机的功率输出轴通过联轴器相互连接;两个相互平行的桨盘和圆形桨盘分别固定在摆线桨中心轴的两端,每个桨盘设有多个支架臂,支架臂数量为摆线桨桨叶数量的2倍,支架臂顶端与摆线桨桨叶上主管梁铰接,摆线桨桨叶随桨盘一起在驱动电机驱动下绕摆线桨中心轴转动;
所述偏心圆环靠近桨盘的侧面对称安装有两块永磁体和多个控制拉杆,偏心圆环径向设置有过N极永磁体的直线段标定条纹,控制拉杆个数与桨叶个数相同并与桨叶小管梁铰接;所述标定条纹所在直线经过偏心圆环的圆心,标定条纹表面覆有逆反射材料,标定条纹、偏心圆环和桨盘背景在光照条件下具有三段可明显区分的亮度;
所述全景摄像头、图像处理器固定在桨盘中心轴延伸支架上,随桨盘同步转动,且可采集偏心圆环和桨盘所在空间的图像信息,并利用全景摄像头将图像信息转换成计算的数字图像;图像处理器与全景摄像头连接,对数字图像信息进行去噪、检测和计算,得到偏心距、偏心相位角以及扭摆角,控制偏心圆环运动所需的状态变量;在靠近全景摄像头一侧的摆线桨桨盘上设置有一条对准基线,用于视觉检测装置的初始标定对准,桨盘上安装有一圈可控电磁铁,控制计算机根据检测到的偏心圆环位置信息计算所述电磁铁的控制电流大小,在电磁铁斥力的作用下偏心圆环可快速运动到目标位置,并带动摆线桨桨叶偏转,从而形成相应的矢量推力。
一种采用基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置的检测方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1.初始化摆线桨偏心圆环运动检测装置,将全景摄像头图像中心对准桨盘的几何中心,令图像垂直轴与对准基线相互平行,在光照条件下调整去噪算法和边缘检测算法参数,确定对标定条纹和偏心圆环实施边缘检测的阈值;
步骤2.全景摄像头记录下偏心圆环的运动情况,将整个空间信息输出成数字图像;
步骤3.数字图像处理器对图像进行去噪,利用边缘检测算法检测标定条纹,得到以标定条纹为前景的二值图像;
步骤4.对二值图像进行Hough变换并计算得到标定条纹所在直线方程,得到偏心圆环扭摆角;
步骤5.对偏心圆环进行边缘检测得到以偏心圆环边缘为前景的二值图像;
步骤6.在前景像素(xj,yj)上利用偏心圆环外部边缘所在圆方程和步骤4得到的直线方程约束条件将偏心圆环圆心(xe,ye)的参数空间进行降维,并对降维参数空间进行搜索,降维累加器峰值对应的参数即为圆心纵坐标ye。
有益效果
本发明提出的一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法,检测控制装置由全景摄像头、图像处理器、标定条纹、永磁体、偏心圆环、以及安装在摆线桨桨盘上的可控电磁铁组成。全景摄像头、图像处理器固定在桨盘中心轴延伸支架上,随桨盘同步转动,采集偏心圆环和桨盘所在空间的位置信息,并将图像信息转换成计算的数字图像。偏心圆环靠近桨盘的侧面有两块永磁体和多个控制拉杆,偏心圆环径向设有过永磁体的直线段标定条纹,偏心圆环控制机构通过调节电磁铁和永磁体间的斥力控制偏心圆环位置,其控制精度高。偏心圆环位置检测算法利用参数约束的方法,降低待搜索参数空间的维数,加快了Hough变换计算速度,增强了算法实时性。
本发明基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法,通过360°全景摄影技术记录偏心圆环和圆形桨盘的空间位置信息,检测盲区小,成本低。
偏心圆环控制机构通过调节电磁铁和永磁体之间的斥力控制偏心圆环位置,斥力的自衡特性提高了系统可靠性,避免了传统机械执行机构的缺陷,其结构简单,实时性好,能有效地提高控制精度。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法作进一步详细说明。
图1为基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置结构示意图。
图2偏心圆环A-A面上永磁体和控制拉杆安装位置示意图。
图3初始化对准时的偏心圆环控制机构示意图。
图5偏心圆环控制机构示意图。
图6偏心圆环上标定条纹的几何关系示意图。
图7以摆线桨推进器为主升力源的滚翼机示意图。
图8参数降维搜索算法流程图。
图中:
1.图像处理器 2.全景摄像头 3.中心轴延伸支架 4.偏心圆环 5.桨盘 6.支架臂7.限位槽 8.标定条纹 9.对准基线 10.圆形桨盘 11.电磁铁 12.主管梁 13.桨叶小管梁14.摆线桨桨叶 15.控制拉杆 16.摆线桨中心轴 17.联轴器 18.功率输出轴 19.驱动电机20.1#永磁体 21.2#永磁体 22.控制计算机
具体实施方式
本实施例是一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置及其方法。
参阅图1~图8,本实施例基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置,其中,摆线桨推进器包括摆线桨中心轴16与驱动电机19的功率输出轴18通过联轴器17相互连接,摆线桨具有两个相互平行的桨盘5、圆形桨盘10,桨盘固定在摆线桨中心轴16的两端,能随中心轴16一起转动,每个桨盘具有4个沿圆周均匀分布的支架臂6,桨盘支架臂分别与摆线桨桨叶14的主管梁12两端铰接,4个桨叶在随桨盘公转的同时可以绕自身主管梁做周期性俯仰摆动。
每组摆线桨推进器拥有一套独立的检测控制装置,包括全景摄像头2安装在桨盘中心轴延伸支架3上,随摆线桨同步转动,偏心圆环4位于桨盘5上方,设置有由逆反光材料构成的直线段标定条纹8,桨盘5涂有较深背景色以区分偏心圆环4和背景,桨盘5上设置有对准基线9用于初始化对准;全景摄像头的图像中心标定在桨盘5的几何中心,对偏心圆环的运动情况进行记录,得到整个空间的数字图像信号,图像处理器1采用偏心圆环位置检测算法对数字图像信号进行计算得到偏心圆环位置信息。本实施例中,偏心圆环4靠近驱动电机19的侧面对称安装有四根控制拉杆15,控制拉杆分别与对应的摆线桨桨叶小管梁13铰接,其中一根控制拉杆被限位槽7限位,使偏心圆环4能随摆线桨推进器一起转动。
本实施例中,沿桨盘5的圆周均匀分布有一圈个数为2n的电磁铁11,控制计算机22控制电磁铁电流,产生变化的磁场,对偏心圆环A-A面上的1#永磁体20和2#永磁体21产生斥力,控制偏心圆环运动到目标位置。
本实施例中,偏心圆环A-A面上的1#永磁体20在空间上位于标定条纹8的正下方,1#永磁体20和2#永磁体21关于偏心圆圆心对称,1#永磁体20的电磁铁磁极为N,2#永磁体21的电磁铁磁极为S,控制计算机通过控制电磁铁电流大小改变电磁铁11对1#永磁体20和2#永磁体21的斥力,使偏心圆环4按照期望轨迹运动并带动桨叶产生升力。
基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置,本实施例还提出一种进行检测的方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1、初始化摆线桨偏心圆环运动检测装置,将全景摄像头2图像中心对准桨盘5的圆心,令转换后输出图像x轴与对准基线相互平行,在当前光照条件下调整边缘检测算法参数,确定对标定条纹8和偏心圆环4实施边缘检测的阈值。
步骤2、全景摄像头2记录偏心圆环运动情况,将整个空间信息输出成传统数字图像。
步骤3、利用Canny边缘检测算法检测标定条纹8,得到以标定条纹8为前景的二值图像。
步骤4、利用Hough变换处理二值图像前景中的像素(xi,yi)得到标定条纹8的方程
步骤5、更换Canny边缘检测算法阈值检测偏心圆环4的边缘,得到以偏心圆环4的边缘为前景的二值图像。
步骤6、二值图像前景中的像素(xj,yj)均满足如下方程
其中,(xe,ye)为偏心圆环4的圆心,r为偏心圆环半径,根据传统Hough变换原理,可以搜索二维参数空间并根据参数累加器峰值确定圆心(xe,ye)。
为了加快计算速度,本实施例采用步骤6所述参数降维搜索算法;根据图6中的几何关系可知,偏心圆环4的圆心(xe,ye)在标定条纹8所在直线上,代入方程(1)可得通常情况下偏心圆环4的扭摆角因此,用ye表示xe避免了参数奇异问题,由此对参数(xe,ye)的二维搜索被降维成对ye的一维搜索,相应地,二维累加器被简化为一维累加器累加器峰值对应的ye即为偏心圆环4圆心纵坐标,具体降维搜索算法流程如图8所示,
偏心距e和偏心相位角βe为:
βe=atan2(ye,xe)。
Claims (2)
1.一种基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置,其特征在于:包括全景摄像头、图像处理器、直线段标定条纹、永磁体、摆线桨中心轴、做偏心运动的圆环、沿摆线桨桨盘上周向分布的若干可控电磁铁,所述摆线桨中心轴与驱动电机的功率输出轴通过联轴器相互连接;桨盘和圆形桨盘相互平行,并分别固定在摆线桨中心轴的两端,桨盘和圆形桨盘都设有多个支架臂,支架臂数量为摆线桨桨叶数量的2倍,支架臂顶端与摆线桨桨叶上主管梁铰接,摆线桨桨叶随桨盘一起在驱动电机驱动下绕摆线桨中心轴转动;
所述做偏心运动的圆环靠近桨盘的侧面对称安装有两块永磁体和多个控制拉杆,做偏心运动的圆环径向设置有过N极永磁体的直线段标定条纹,控制拉杆个数与桨叶个数相同并与桨叶小管梁铰接;所述标定条纹所在直线经过做偏心运动的圆环的圆心,标定条纹表面覆有逆反射材料,标定条纹、做偏心运动的圆环和桨盘背景在光照条件下具有三段可明显区分的亮度;
所述全景摄像头、图像处理器固定在桨盘中心轴延伸支架上,随桨盘同步转动,且可采集做偏心运动的圆环和桨盘所在空间的图像信息,并利用全景摄像头将图像信息转换成计算的数字图像;图像处理器与全景摄像头连接,对数字图像信息进行去噪、检测和计算,得到偏心距、偏心相位角以及扭摆角,控制做偏心运动的圆环运动所需的状态变量;在靠近全景摄像头一侧的摆线桨桨盘上设置有一条对准基线,用于视觉检测装置的初始标定对准,桨盘上安装有一圈可控电磁铁,控制计算机根据检测到的做偏心运动的圆环位置信息计算所述电磁铁的控制电流大小,在电磁铁斥力的作用下做偏心运动的圆环可快速运动到目标位置,并带动摆线桨桨叶偏转,从而形成相应的矢量推力。
2.一种采用权利要求1所述的基于全景摄像的摆线桨推进器检测控制装置的检测方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1.初始化摆线桨做偏心运动的圆环运动检测装置,将全景摄像头图像中心对准桨盘的几何中心,令图像垂直轴与对准基线相互平行,在光照条件下调整去噪算法和边缘检测算法参数,确定对标定条纹和做偏心运动的圆环实施边缘检测的阈值;
步骤2.全景摄像头记录下做偏心运动的圆环的运动情况,将整个空间信息输出成数字图像;
步骤3.数字图像处理器对图像进行去噪,利用边缘检测算法检测标定条纹,得到以标定条纹为前景的二值图像;
步骤4.对二值图像进行Hough变换并计算得到标定条纹所在直线方程,得到做偏心运动的圆环扭摆角;
步骤5.对做偏心运动的圆环进行边缘检测得到以做偏心运动的圆环边缘为前景的二值图像;
步骤6.在前景像素(xj,yj)上利用做偏心运动的圆环外部边缘所在圆方程和步骤4得到的直线方程约束条件将做偏心运动的圆环圆心(xe,ye)的参数空间进行降维,并对降维参数空间进行搜索,降维累加器峰值对应的参数即为圆心纵坐标ye。
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