CN206532142U - 一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，包括机载部分，所述机载部分包括旋翼无人机的飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；超声波测距模块与飞行控制器连接，摄像头模块、图像处理器、飞行控制器依次顺序连接。该系统可用于实现旋翼无人机对移动目标准确稳定的跟踪。具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及视觉跟踪技术领域，特别是一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪目标的控制系统。
背景技术
近几年，旋翼无人机频繁地出现公众的视野当中，如交通部门利用旋翼无人机实时检查路况、隐蔽地抓拍高速公路上的违章驾驶行为；大型发电站利用旋翼无人机对太阳能电板进行巡检；救援部队利用旋翼无人机侦测受灾情况并及时给受灾群众投送食物和药品等必要物资。诸如此类的运用还有很多，可见旋翼无人机在民用、救援甚至军事应用中都扮演着十分重要的角色。
然而，上述的这些应用几乎都是在户外GPS信号较强的情况下，利用机载的GPS来给旋翼无人机实时地提供导航信息或者通过预设航点来完成旋翼无人机按照预设航线飞行的任务。显然，这种方法在一定程度上限制了旋翼无人机的应用范围。一是使用环境得具有较强的GPS信号，除此之外，GPS导航的精度受多种因素的影响，其误差也不能很好的控制在一定的范围之内。因此，在无较好的GPS 信号的情况下，就需要利用计算机视觉来辅助旋翼无人机来完成其对移动目标稳定跟踪等飞行任务，这就可以扩大旋翼无人机的使用环境。目前，常用的技术方案是机载部分将摄像头模块获取的图像信息发送至地面站处理，地面站再将处理得到的导航信息发送给旋翼无人机，从而控制旋翼无人机对于移动目标的跟踪飞行。但采用这种技术方案具有以下不足：第一，在图像传输过程中，图像信息难以避免地受到环境的干扰并且信息处理及传输的实时性也难以得到保证。第二，利用机载气压计或者GPS所获取旋翼无人机实时飞行高度也具有较大的误差。因此，采用这一技术方案难以实现旋翼无人机对移动目标准确稳定的跟踪。
而实现旋翼无人机对地面移动目标准确并且稳定的跟踪是未来实现无人机和运动的地面机器人进行空地协作的基础。因此，迫切需要解决这一问题。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，本实用新型有效地提高了跟踪的精度与稳定性，结构简单且成本低。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本实用新型提出的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，包括机载部分，所述机载部分包括旋翼无人机的飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；超声波测距模块与飞行控制器连接，摄像头模块、图像处理器、飞行控制器依次顺序连接。
作为本实用新型所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统进一步优化方案，超声波测距模块通过I2C总线接口与飞行控制器相连，摄像头模块通过USB接口与图像处理器相连，图像处理器通过USB转TTL串口模块与飞行控制器相连。
作为本实用新型所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统进一步优化方案，还包括配备有动力单元的机架、安装在旋翼无人机上的遥控接收机、第一无线通讯模块和地面站部分，所述地面站部分包括第二无线通讯模块和地面测试模块，所述第一无线通讯模块包括机载数传模块和机载图传发送模块；所述第二无线通讯模块包括地面站数传模块和地面站图传接收模块；所述动力单元包括电机、与电机相连的电调和固定在电机上的螺旋桨；其中，
遥控接收机与飞行控制器连接，飞行控制器、电调、电机依次顺序连接，图像处理器、机载图传发送模块、地面站图传接收模块、地面测试模块依次顺序连接，地面测试模块、地面站数传模块、机载数传模块、飞行控制器依次顺序连接。
作为本实用新型所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统进一步优化方案，两轴无刷云台为TAROT公司研制的GoPro两轴无刷云台。
作为本实用新型所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统进一步优化方案，超声波测距模块为I2CXL-MaxSonar-EZ4的工业级超声波传感器。
作为本实用新型所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统进一步优化方案，还包括电源模块，所述电源模块包括一块锂电池和稳压模块；从锂电池接出两个电源端子，其中的一电源端子接动力单元，从而给电机供电，另一电源端子通过连接稳压模块来给图像处理器、两轴无刷云台和飞行控制器供电。
作为本实用新型所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统进一步优化方案，机载数传模块通过UART串口与飞行控制器相连，地面站数传模块通过USB接口与地面测试模块相连，机载图传发送模块通过USB接口与图像处理器相连，地面站图传接收模块通过USB接口与地面测试模块相连。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本实用新型采用更优化的旋翼无人机机载结构设计，一方面将图像处理器移至机载部分，所有的数据处理都可以在机载部分完成，提高实时性的同时又避免了环境的干扰；本实用新型结构简单，成本低；
（2）采用了一电源多用的方案，系统无需多块锂电池供电，减轻了旋翼无人机的重量，延长了续航的时间；
（3）本实用新型采用两轴无刷云台可保证在旋翼无人机的飞行过程中，摄像头镜头和超声波测距模块始终垂直朝下，而不受无人机姿态的影响，确保了超声波测距模块在整个跟踪过程中所获取的旋翼无人机飞行高度的精确性，有效地提高了跟踪的精度与稳定性。
附图说明
图1是本实用新型控制系统的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示是本实用新型控制系统的一种实施例的结构示意图，一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，包括机载部分，所述机载部分包括旋翼无人机的飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；其中，
两轴无刷云台，用于当上电后保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块始终垂直向下；
超声波测距模块，用于将获取的旋翼无人机实时的飞行高度输出至飞行控制器；
摄像头模块，用于拍摄旋翼无人机下方的图像，并将图像输出至图像处理器；
图像处理器，用于对摄像头模块所拍摄的图像进行分析处理得到目标物质点信息，目标物质点信息输出至飞行控制器；
飞行控制器，用于根据接收到的目标物质点信息和实时的飞行高度，解算出旋翼无人机
与目标物之间的实际相对误差距离，并根据得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪目标物。
本实用新型还可以包括配备有动力单元的机架、遥控接收机、第一无线通讯模块和地面站部分，所述地面站部分包括第二无线通讯模块和地面测试模块，所述第一无线通讯模块包括机载数传模块和机载图传发送模块；所述第二无线通讯模块包括地面站数传模块和地面站图传接收模块；所述动力单元包括电机、与电机相连的电调和固定在电机上的螺旋桨；其中，
遥控接收机，安装在旋翼无人机上，用于将接收到操控者发出的操控信号输出至飞行控制器，飞行控制器接收到该操控信号后输出控制信号至电调；
电调，用于根据控制信号通过调节电机的转速和方向从而给旋翼无人机提供升力；
机载数传模块，用于将飞行控制器发送过来的旋翼无人机的飞行参数经地面站数传模块输出至地面测试模块，地面测试模块用于输出旋翼无人机规划的飞行任务至地面站数传模块；
地面站数传模块，用于将旋翼无人机规划的飞行任务经机载数传模块输出至飞行控制器；
图像处理器，还用于将处理过的带有目标物信息的图像输出至机载图传发送模块；
机载图传发送模块，用于将图像处理器处理过的带有目标物信息的图像经地面站图传模块输出至地面测试模块；
地面测试模块，用于实时显示图像处理器处理过的带有目标物信息的图像。
本实用新型还包括电源模块，所述电源模块包括一块锂电池和稳压模块；从锂电池接出两个电源端子，其中的一电源端子接动力单元，从而给电机供电，另一电源端子通过连接稳压模块来给图像处理器、两轴无刷云台和飞行控制器供电。
在本实用新型的旋翼无人机控制系统中，所述的飞行控制器作为旋翼无人机的“大脑”，并辅之于所述的视觉导航模块、传感器部分、无线通讯单元、动力单元及电源模块，来完成旋翼无人机对移动目标的稳定视觉跟踪等任务。
一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统主要包括机载部分和地面站部分，两者之间主要有三种通讯的方式，即2.4GHz的天地飞遥控器通讯器、433MHz的无线数传通讯以及5.8GHz无线图传。天地飞遥控器是使用最多的国产航模遥控器，由深圳市天地飞科技开发有限公司制造，遥控器需和配套的接收机一起使用，遥控接收机安装至旋翼无人机上，操控者可以通过拨动遥控器上的摇杆来实现对旋翼无人机的操控，接入遥控器是为了在旋翼无人机跟踪飞行出现失控的情况下，可以立即切回手动控制，避免不必要的危险；本实用新型实施例使用的无线数传模块的传输频率为433MHz，有效传输距离为500米，并有两个模块，两模块之间可以进行数据互传，将其中的Air模块（即机载数传模块）通过UART接口与飞行控制器相连，将Ground模块（即地面站数传模块）通过USB接口与地面测试模块相连；本实用新型实施例使用的图传模块的传输频率为5.8GHz，功率为200Mw，有效传输距离为800米，有发射和接收两个模块，将其中的发射机（即机载图传发送模块）通过USB接口与图像处理器相连，地面站图传接收模块与地面测试模块相连，操控者可以通过接收到的图像信息来实时监控视觉跟踪的效果。
本实用新型实施例中使用的旋翼无人机飞行控制器为在美国3DR公司生产的Pixhawk的基础上优化的Pixraptor飞行控制器。采用主/协双处理器结构，内置InvenSenseMPU6000六轴陀螺加速度计、ST Micro L3GD20H陀螺仪、ST Micro LSM303D磁力计以及MEASMS5611 气压计。其提供了丰富的外设接口，包括5路UART接口、1路I2C接口、1路SPI接口以及PPM脉位调制信号输入等接口。其对旋翼无人机的控制分为内/外两个控制回路，内回路称为姿态回路，实现对旋翼无人机姿态的精确控制；外回路称为位置回路，实现对旋翼无人机位置的精确控制。飞行控制器通过UART接口接收图像处理器发送的视觉导航信号（即实际相对误差距离），作用于位置回路，利用PID控制，实现旋翼无人机对移动目标的稳定跟踪。
本实用新型的实施例中视觉导航模块的硬件主要包括：
摄像头模块：本实用新型实施例中使用的是一款USB摄像头，其最大像素为210W，镜头焦距为3.6毫米，考虑到帧率的需求，将其分辨率设定为30W，视场角约为100度，帧率为100fgs/640*480，并且帧率不随光线的变化而变化，其默认的图片输出格式为MJPEG，动态捕捉的视频的存储格式为AVI。本实施例使用的摄像头设置同时兼顾了图像清晰度需求和图像处理速度要求，其通过USB接口与图像处理器相连。
两轴无刷云台：本实用新型实施例中使用的是TAROT公司研制的GoPro两轴无刷云台，其处理器为双32为高速ARM核处理器，并配备有三旋翼MEMS陀螺仪和三旋翼MEMS加速度计，控制精度可达到0.1度，在俯仰、滚转两方面控制角度的范围分别为-135度~90度，-45度~45度。使用此两轴无刷云台可保证在旋翼无人机的飞行过程中，摄像头镜头和超声波测距模块始终垂直朝下，而不受无人机姿态的影响。
图像处理器：本实用新型实施例使用的图像处理器为型号是N29_2L J1900的工控板，集成Intel J1900四核处理器，8G的运行内存和32G的固态硬盘并提供4个USB接口，功能类似于一台微型电脑，预装Windows7系统和opencv函数库，利用VS2010开发可对移动目标进行稳定视觉跟踪的软件平台。并通过USB转TTL模块与飞行控制器的UART接口相连，实现视觉导航信号的传输。
本实用新型实施例中使用到的传感器为：
超声波测距模块：本实用新型实施例中选用的是一款型号为I2CXL-MaxSonar-EZ4的工业级超声波传感器，检测范围为20厘米至765厘米，盲区为20厘米，分辨率为1厘米，使用I2C总线与飞行控制器建立通信，并具有功耗低、较高的声功率输出、可实时自动校准和使用方便的特点。
将上述的摄像头模块保持摄像头垂直向下固定于两轴无刷云台上；同样的，超声波测距模块也保持垂直向下固定在云台上，并保持摄像头镜头与超声波测距模块的发射接收端在同一水平面，使得超声波测距模块测得的旋翼无人机的飞行高度与摄像头镜头距离地面的高度相同。
再将上述的两轴无刷云台固定在旋翼无人机的正下方，并给两轴无刷云台进行配平，使得云台上电正常工作后，摄像头镜头保持水平。
超声波测距模块通过I2C总线接口与飞行控制器相连；摄像头模块通过USB接口与图像处理器相连，完成图像信息的传输；图像处理器通过USB转TTL串口模块与飞行控制器相连，完成目标物质点信息的传输；飞行控制器，用于控制旋翼无人机的自主飞行，结合得到的目标物质点信息和实时的飞行高度，得出旋翼无人机与目标物之间的实际相对误差距离，并根据得到的实际相对误差距离控制旋翼无人机跟踪目标物。机载数传模块通过UART串口与飞行控制器相连，地面站数传模块通过USB接口与地面测试模块相连，两者以433MHz的频率通讯，实现飞行控制器和地面测试模块之间的数据互传。机载图传发送模块，用于传输图像处理器处理过的图像信息至地面站，通过USB接口与图像处理器相连，并以5.8GHz的频率与地面站图传模块实现无线通讯。地面站图传接收模块，用于接收图像处理器处理过的图像信息，通过USB接口与地面测试模块相连。地面测试模块，用于实时显示图像处理器处理过的图像信息，便于操控者对整个跟踪飞行过程进行监控，可以提前对意外情况作出反应。
本实用新型实施例中电源模块包括一块6000mAh、25C、22.2V的锂电池、24V转12V直流稳压模块和一UBEC降压模块。锂电池一方面直接给旋翼无人机的动力单元供电，再通过UBEC降压模块输出5V电压给飞行控制器供电；另一方面配合12V稳压模块给图像处理器和两轴无刷云台供电。
上述的动力单元包括电机、电调、螺旋桨。动力单元的选型决定了旋翼无人机的最大负载能力。本实用新型以四旋翼无人机为例，采用4个朗宇X4110-KV580无刷电机、4个乐天40A电调搭配2对飞越Tarot A系列1238碳纤维螺旋桨。鉴于上述选型，可以给四旋翼无人机提供 的升力。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，其特征在于，包括机载部分，所述机载部分包括旋翼无人机的飞行控制器、超声波测距模块和视觉导航模块，所述视觉导航模块包括图像处理器、摄像头模块和固定在旋翼无人机正下方的两轴无刷云台，所述摄像头模块和超声波测距模块均固定于两轴无刷云台上，且保持摄像头模块的镜头和超声波测距模块均与水平面平行；超声波测距模块与飞行控制器连接，摄像头模块、图像处理器、飞行控制器依次顺序连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，其特征在于，超声波测距模块通过I2C总线接口与飞行控制器相连，摄像头模块通过USB接口与图像处理器相连，图像处理器通过USB转TTL串口模块与飞行控制器相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，其特征在于，还包括配备有动力单元的机架、安装在旋翼无人机上的遥控接收机、第一无线通讯模块和地面站部分，所述地面站部分包括第二无线通讯模块和地面测试模块，所述第一无线通讯模块包括机载数传模块和机载图传发送模块；所述第二无线通讯模块包括地面站数传模块和地面站图传接收模块；所述动力单元包括电机、与电机相连的电调和固定在电机上的螺旋桨；其中，
遥控接收机与飞行控制器连接，飞行控制器、电调、电机依次顺序连接，图像处理器、机载图传发送模块、地面站图传接收模块、地面测试模块依次顺序连接，地面测试模块、地面站数传模块、机载数传模块、飞行控制器依次顺序连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，其特征在于，两轴无刷云台为TAROT公司研制的GoPro两轴无刷云台。
5.根据权利要求1所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，其特征在于，超声波测距模块为I2CXL-MaxSonar-EZ4的工业级超声波传感器。
6.根据权利要求3所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块包括一块锂电池和稳压模块；从锂电池接出两个电源端子，其中的一电源端子接动力单元，从而给电机供电，另一电源端子通过连接稳压模块来给图像处理器、两轴无刷云台和飞行控制器供电。
7.根据权利要求3所述的一种基于视觉的旋翼无人机稳定跟踪移动目标的控制系统，其特征在于，机载数传模块通过UART串口与飞行控制器相连，地面站数传模块通过USB接口与地面测试模块相连，机载图传发送模块通过USB接口与图像处理器相连，地面站图传接收模块通过USB接口与地面测试模块相连。
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