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作品展示

原创作品:吕小飒

系统分类: 机器人创想秀 - 技术流

作品版权:吕小飒 版权所有,禁止匿名转载;禁止个人使用。

吕小飒

2015-6-5 14:52:51

初赛得分

总分(61.2)点赞数(225)评委打分(49.23)

评委[创想秀_评委1]:1. 光流定位吗?光流法用作计算像素的运动方向的,没有运动的距离,如何定位?基本概念一定要清楚。 2. 作品的名称,看不出你们的主旨,是系统设计?是制作?是飞控研发?定位又是干什么?

评委[章苏阳zsy]:响应调节有点慢,涉及算法比较多

作品亮点:

采用电子摄像头,使用光流法进行无人机的室内定位,通过wifi使用电脑上位机实现对无人机的远程控制,通过搭载监控摄像头可以实现无人机的室内监控和拍摄功能。

作品说明:

    本课题主要是建立多旋翼无人机的数学模型,设计多旋翼无人机控制方法,搭建多旋翼无人机实验平台,并通过视觉传感器获取图像进行图像分析获取目标相对位置,设计出视觉跟踪控制器控制无人机对地面目标进行跟踪飞行。该课题较好的将无人机控制理论和无人机的工程实现相结合,涉及到姿态检测、位置检测和图像识别等检测问题,以及无人机姿态控制、位置控制等无人机控制算法问题。                                                111.jpg   
  在对系统各个模块进行充分调研以及结合课题目标、经费等进行分析之后,为了完成系统设计,采用了STM32F407ZG芯片作为飞行控制器控制芯片;采用OPENWRT系统无线路由器作为无线通信模块;利用三轴电子罗盘加速度计陀螺仪MPU9150作为多旋翼无人机的姿态检测模块;利用超声波来检测无人机高度;利用光流传感器来获取视觉信息;PC地面站部分采用VC++编写。
另外,从研究的角度,本设计也可以分为理论分析和实验验证两个部分。
在理论分析方面,主要有多旋翼无人机的数学建模和控制算法以及光流处理算法。本设计的重难点依然是在无人机的理论方面的研究,包括姿态、位置的建模分析和控制算法设计等。目前常用的有PID控制算法和反步法等等,并且可以加入自适应方面的算法使系统更加的稳定和智能。由于我之前有过六旋翼无人机的姿态控制的项目经验,在无人机控制算法方面有一定的了解,我将会优化以前的设计,并利用反步法和自适应相结合来实现无人机的控制。图像处理算法的作用是使用图像信息来提取出无人机的目标位置,我尝试使用光流法来确定无人机的相对位置坐标。
在实验验证方面,主要的工作是在搭建好多旋翼无人机实验平台的基础上,搭载上要使用的通信模块和位姿检测传感器,比如IMU、GPS、超声波、光流摄像头等,利用主控芯片STM32,编写底层驱动程序和无人机控制程序以及电脑控制端程序。然后进行程序的调试和算法的优化,并进行无人机的飞行实验,达成实验效果。系统的整体的框图如下所示:

                                                 QQ图片20150605133538.png

系统总体框架设计:                                                                                                            
从实现角度看,整个系统可以分为地面和机载两大部分,它们在物理上是相互独立的,在控制逻辑上是相互关联的具体可分为:
n  飞行器机体模块,包括无人机机架、电源、电子调速计、电机、螺旋桨等无人机基本器材;
n  无线通信模块,实现无人机的无线数据传输和无线视频传输;
n  飞行控制器模块,进行无人机的指令获取和指令分析、完成无人机的姿态解算算法以及无人机的姿态控制算法,保证多旋翼无人机的稳定飞行;
n  姿态、高度传感器模块,包括加速度计、陀螺仪、电子罗盘、超声波等传感器,用来获取无人机的基本姿态和高度信息;
n  视觉信息获取模块,用来获得视觉信息,并根据视觉信息计算出跟踪目标与无人机之间的相对位置,在第三章重点介绍;
n  地面站模块,地面站为无人机的人机交互界面,用PC机开发,完成无人机的指令发送、视频信号显示、无人机回传数据的实时显示等功能,并增加航模遥控器控制。
                              

无人机地面站界面设计:
我们完成了PC端和安卓端的两个独立的上位机软件的编写,其功能大致相同,实现的原理也基本类似,不同之处在于编写的语言和开发工具不一样,PC控制端采用MFC对话框编程。
由之前介绍的路由器的基本性能可知,该系统指令数据是基于TCP/IP协议传输,视频数据基于HTTP协议传输。在完成对界面的设计之后,需要自定义上位机与下位机指令通信协议。
我们采用多线程的工作方式来完成系统需求。
1、主线程进行按钮事件监测并发送指令。需要通过socket套接字与路由器相应的地址进行连接,路由器作为通信的服务端,上位机作为客户端,设置需要的指令按钮,并编写按钮响应函数以发送指令数据。
2、视频信号处理线程用来显示路由器返回的视频信息,此线程中需要向路由器发送一个图片捕捉的http请求,然后将返回的图片信号利用图片控件进行图片显示。
3、数据回显线程负责通过不断接收无人机机载路由器返回的数据,将数据分类之后显示在相应的窗口中。

QQ图片20150605133820.png
光流法视觉定位:
针对我们的视觉跟踪系统,我们采购了一款光流传感器,该光流传感器的工作原理就是根据上文所述的光流法,在对光流传感器读取数据时,它返回它看见的上次读取到这次读取之间x和y方向的表面特征平均运动。当在我们的多旋翼无人机系统上使用该光流传感器时,由于无人机的高度变化和姿态变化,会导致摄像头视野范围的变化,从而导致光流传感器测得的水平位移与实际值存在误差。考虑到无人机的姿态数据可以通过IMU系统正确的解算得到,与光流数据无关,所以我们可以根据IMU系统对光流传感器的数据进行处理,达到数据矫正的作用。







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