基于双目视觉的室内标签定位系统(2018年广东省电子设计大赛人工智能专题三等奖)论文参考.pdf-资料库

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2018 年广东省大学生电子设计竞赛作品名称: 基于双目视觉的四旋翼室内标签定位系统 Four - axis aircraft of Indoor Label Positioning System Based on Binocular Stereo Vision 2018 年 8 月 20 号 1

目录原创性声明 ........................................................................................................................... 3 正文 ....................................................................................................................................... 5 一、引言： ............................................................................................................................. 5 二、系统功能和创新点介绍 ................................................................................................. 6 三、基本原理概述 ................................................................................................................. 7 四、系统方案设计 ............................................................................................................... 13 五、系统硬件电路设计 ....................................................................................................... 19 六、系统软件设计 ............................................................................................................... 22 七、致谢 ............................................................................................................................... 24 附录一：原理图 ..................................................................................................................... 25 附录二：程序源码 .................................................................................... 错误!未定义书签。附录三：参考文献 ................................................................................................................. 29 2

原创性声明本团队郑重声明：所呈交的作品及论文是本团队在指导老师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日 3

【摘要】本系统使用自制飞控、电源模块和四旋翼飞行器机架等。在姿态自稳的基础下，采用光流摄像头模块采集水平偏移量，采用激光和气压传感器融合高度得到高度偏移量，分别经过 PID 控制器后，实现室内定点定高的效果。在此基础下，飞行器通过 OPENMV3 摄像头识别 AprilTag 标签，得到标签的 ID 号和相应 X Y Z 轴的位置。通过这两个摄像头，飞行器实现双目视觉室内定位飞行。其系统效果为：通过遥控器一键启动，飞行器可自动飞行到手机 APP 指定的标签位置并完成相应动作。该系统通过机器视觉，实现一定程度的自主飞行，可用于货物分拣等。【关键词】： AprilTag 标签、双目视觉、室内定点定高、机器视觉、自主飞行【ABSTRAC】： The system uses self-made flight control, power module and four rotor aircraft frame. On the basis of attitude self-stabilization, optical flow camera module is used to collect horizontal offset, and laser and pneumatic sensors are used to fuse the height to get the height offset. After passing through PID controller, indoor fixed-point height setting effect is achieved. On this basis, the aircraft recognizes the AprilTag tag through the OPENMV3 camera, and gets the ID number of the tag and the position of the corresponding X Y Z axis. Through these two cameras, the aircraft realizes binocular vision indoor positioning flight. The effect of the system is that the aircraft can automatically fly to the label position specified by the APP of the mobile phone and complete the corresponding action by one button of the remote controller. The system realizes autonomous flight to a certain extent by machine vision, and can be used for sorting goods. 【Key words】: AprilTag tag、binocular vision、indoor fixed-point height setting、 machine vision 、automatically fly 、 4

正文一、引言： 1.1 设计的背景及意义四旋翼无人机因其机械结构简单，飞行机动性强，悬停性能良好等特点,在勘测、侦查和航拍等方面有着重要的作用，这就对飞行器设备的整体系统提出了很高的标准。在这些重要领域中，对飞行器的精准度、可靠度和自控度等要求都非常高。多轴无人机是一个欠驱系统，需要姿态和位置的闭环控制才能实现自主悬停和机动飞行。在室外，可以使用 GPS 和气压传感器来进行位置测量，实现自主悬停。在室内，本系统采用光流摄像头模块采集水平偏移量，采用激光和气压传感器融合高度得到高度偏移量，分别经过 PID 控制器后，实现室内定点定高的效果。在此基础下，飞行器通过 OPENMV3 摄像头识别 AprilTag 标签，得到标签的 ID 号和相应 X Y Z 轴的位置。其系统效果为：通过遥控器一键启动，飞行器可自动飞行到手机 APP 指定的标签位置并完成相应动作。该系统通过机器视觉，实现一定程度的自主飞行，可用于货物分拣等。 1.2 无人机的发展现状及应用前景近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的发展，飞行器技术取得了巨大的进步，且在民用和军事领域都得到了广泛的应用。四轴飞行器算是一种特殊的无人机，它是一种非固定翼飞行器，一般配备有四个呈十字或 X 字形交叉的螺旋桨。由于四轴飞行器的结构特点，使得它能够垂直起降，同时也具有较高的姿态自由度，所以十分适合在静态条件下飞行同时，四轴飞行器控制系统的设计是一项交叉学科、跨领域的技术，它可以给传感器、控制、计算机等多领域提供一个平台，因此对四轴飞行器或无人机的研究有着十分重要的实际意义。相比起传统直升机或大型无人机，微型四轴飞行器具有重量轻、成本低、易于开发和维护等特点。当前无人机技术主要在于飞控技术，几大著名的飞控为 PIXHAWK，APM，KISS，AUTOQUAD，他们都实现了无人机的姿态位置的控制，PIXHAWK 飞控的前身就是大名鼎鼎的 APM 飞控，由于 APM 硬件接近满负荷运行 3DR 公司开发的 PIXHAWK 飞控，其硬件性能大幅提升，板载 3 套 IMU，3 路不间断电源，180MHZ 主频处理器，工业级失效保护处理器，配合 Ardupilot 固件能够实现姿态，定高，定点，航点，自主驾驶飞行。 KISS 飞控来自德国，硬软件闭源，是目前性价比强的穿越机飞控，使用了自适应控制器，有着快速灵敏的打舵响应。 AUTOQUAD 飞控是一款软件开源硬件不开源软件的德国飞控，使用了 UKF 和 SRCDKF 算法，具有高精度的导航能力。 5

开源飞控的发展为国内的飞控技术发展奠定了基础，亿航，纵横等无人机厂商的飞控都是在国外开源飞控之上二次开发而来。目前多轴无人机飞控技术已经趋于成熟，无人机具备了自主驾驶功能，使得操控容易，能够超视距飞行，无人机便能够携带摄像机，测绘仪器等进行相关任务，国内的京东，顺丰正在发展无人机的快递投送。植保机作为无人机应用的一个新领域也在快速发展。本项目旨在发展支持在室内定高定点的无人机系统，并通过辅助标签定位飞行。通过机器视觉，该系统实现一定程度的自主飞行，可以用于货物分拣等。二、系统功能和创新点介绍 2.1 系统功能首先，飞行器通过姿态传感器陀螺仪、加速度计、磁力计实现姿态自稳，然后通过气压计和激光传感器实现定高，通过光流摄像头实现定点。在此基础下，飞行器通过 OPENMV3 摄像头识别 AprilTag 标签，得到标签的 ID 号和相应 X Y Z 轴的位置。通过遥控器一键启动，飞行器通过标签相对机体的偏移量来矫正机体位置，逐个标签飞行通过，最后自动飞行到手机 APP 指定的标签位置并完成相应动作。通过机器视觉，该系统实现一定程度的自主飞行，可用于货物分拣等。此系统在飞行过程中可通过蓝牙与飞行器进行交互，飞行器识别的标签号可以通过蓝牙发送给手机，同时手机也可以发送指令给飞行器，从而使飞行器飞行到指定位置。此外，该系统配备了数传模块和低压报警模块。通过数传模块，在电脑中可以实时查看飞行器的各个传感器状态；通过低压报警模块，飞行器可以防止电压过放，保证了安全。 2.2 创新点 1. 在光流摄像头定点的基础上，再加一个摄像头识别 AprilTag 标签实现双目视觉室内定位飞行。对比市面上复杂、昂贵的定位系统如 UWB 定位，该系统简单、价廉，有实用价值。 2. 摄像头识别的 AprilTag 标签 ID 号可以通过蓝牙传送给手机，同时手机也可下达指令让飞行器飞行到指定标签下降，可用于物流派送，勘测等。 6

三、基本原理概述 3.1 系统控制原理本系统(图 1)选用 STM32F407VET6 作为主控 MCU，通过微机电芯片 ICM20602 内置的陀螺仪、加速度计传感器和芯片 AK8975 内置的地球磁场三轴传感器采集实时数据，MCU 对数据进行数字滤波后进行姿态解算和数据融合，得到飞行器当前的三轴姿态角度，作为 PID 控制器的误差观测量进行串级 PID 控制，PID 输出量控制四路电机的输出进而控制飞行器的姿态。 PID 闭环控制的效果不断修正飞行器的姿态，以达到姿态自稳的效果。在自稳的效果下，通过 SPL06-001 气压计芯片和 VL53L0X 激光测距传感器采集垂直高度数据量融合成高度观测量，通过光流摄像头和识别标签的 OPENMV3 摄像头采集水平观测量，在垂直方向和水平方向分别进行串级的 PID 控制，进而控制飞行器定位、定高飞行。以上此系统实现了双目视觉室内定位飞行的功能。在此基础下，通过手机蓝牙发送指令指定目标标签，指定后飞行器通过一键起飞自主飞行到对应标签位置下降并完成相应动作，同时飞行器将标签 ID 号发送给手机显示。此外，除了利用蓝牙与飞行器进行信息交互，飞行器还通过数传模块与电脑进行实时的数据交互。图 1.系统原理图 7

3.2 机械结构原理四轴飞行器作为一种非固定翼飞行器，配备了四个对称分布的旋翼，根据其旋翼的分布方式可分为十字模式或 X 模式（图 2）。由于其机械结构简单，通过改变四个旋翼的转速即可实现动作控制，因此十分便于微形化。这种由电机直接驱动的控制方式十分方便，不同于传统的直升机需要复杂的动力装置，四轴飞行器只需改变电机转速即可做出各种不同的动作。与十字模式相比，X 模式的横向尺寸更小，能够通过更小的区域；且在飞行时，四个电机的速度可以同时改变，运动更加灵活、反应更为迅速，因此在本系统中我们采用的是 X 模式。图 2.结构模式图 (如图 3 所示)X 模式下，四轴飞行器的四个旋翼，对称分布在飞行器的机体的周围，且处在同一水平面上；驱动旋翼转动的四个电机，均匀分布在在四个旋翼的顶端，其中同一直线上的电机有着相同的旋转方向，相邻的两个电机有着相反的旋转方向。由于两两相邻的电机有着不同的旋转方向，因此逆时针旋转的电机对机身产生的反扭力与顺时针旋转的电机所产生的扭力相互平衡，这也是四轴飞行器能实现定点悬停和垂直起降的原因。四轴飞行器有四个输入力，却有六个状态输出，实现六自由度。也正因为这样的结构，四轴飞行器可以做出多种不同的动作，具有极强的机动性。图 3.四轴结构图 8

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