基于圖像識別的四軸飛行器跟蹤設計

于會泳+宋洪亮+劉有成+胡濤

摘 要：本文以STM32F407為主控芯片，設計了基于機器視覺的四軸飛行器。利用加速度、角速度、磁場、溫度、氣壓等參數得到姿態數據，再用PID控制實現穩定飛行。本文例用Meanshift算法，通過相似函數快速識別目標。經過試飛測試，四軸飛行器能夠較好識別圖像，并能夠準確飛行。

關鍵詞：圖像識別；Meanshift算法；姿態求解；PID控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.176

0 引言

近幾年來，四軸飛行器得到了大力發展，許多成熟的方案已經被廣泛應用到航拍領域。隨著機器視覺的發展，數字圖像的處理應用范圍的不斷擴展[1]，利用機器視覺進行目標追蹤已經成為現代研究的熱點。本文采用圖像識別對目標進行追蹤，通過對圖像處理，提出特征，將物體特征識別進行定位跟蹤。本系統極大的發揮了STM32F407的性能，具有一定的應用領域與商業價值。

1 圖像識別

本系統的圖像識別處理算法采用Meanshift算法進行目標識別，對采集的圖像進行HSL色域空間轉換，再用Meanshift算法匹配特征值和進行標記，最終實現對特定區域目標的識別定位。在目標提取時，通過統計中央0.5的區域的HUE直方圖來獲得，當光線變化時可以自動修改目標鎖定值的數據，進行自動參數修改，從而提高了追蹤算法的魯棒性[2，3]。對于圖像的采集采用微型攝像頭，采集圖像后交由后端上位機進行處理與顯示在顯示屏上。Meaanshift算法是核密度估計法，依靠特征空間中的樣本點對其密度函數值進行計算。核密度估計法的原理與直方圖法相似，增加了一個核函數用于平滑數據。在充分采樣的情況下，可以逐漸收斂于任意的密度函數，因此可以對滿足任何分布的數據進行密度估計。

2 四軸飛行器的控制

由于四軸飛行器采用多旋翼飛行，各個漿翼之間在旋轉過程中存在相互干擾，這就導致飛行器飛行的穩定性較差[4]。在設計控制系統時要著重考慮飛行器的穩定性，這樣使得姿態測量在飛行器系統中顯得格外重要，利用傳感器來對飛行器的運動姿態進行檢測，不斷反饋當前姿態，確保飛行穩定。對于姿態控制使用多環PID控制，經過限幅和死區控制，準確的融合了四軸飛行器的多個控制量[5]。電機控制部分采用航模電子調速器控制航模無刷電機，其具有信號丟失保護與低電壓保護功能，并且能夠線性控制電機轉速。在姿態解算中，采用梯度下降法融合加速度、角速度和磁場力數據，利用加速度和磁場強度，糾正陀螺儀積分的漂移誤差；能夠得到良好的動態響應和靜態穩定性，并用四元數矩陣表示飛行器的綜合旋轉情況。

3 結論

經試飛實驗，系統具有良好的穩定性和機動性，控制響應迅速可靠；能夠很好地對圖像信息進行采集處理，并能實現對特定目標體進行短距離實時追蹤。

參考文獻：

[1]陳汗青，萬艷玲，王國剛.數字圖像處理技術研究進展[J].工業控制計算機，2013（01）：72-74.

[2]樊冬雪，成怡，金海林，修春波.四軸飛行器視覺導航系統設計[J].電子技術應用，2014（08）：140-142+146.

[3]王宇慶，朱明.評價彩色圖像質量的四元數矩陣最大奇異值方法[J].光學精密工程，2013（02）：469-478.