無人機三軸云臺視覺跟蹤技術研究

王娜 李強

摘要：無人機在執行跟蹤或者拍攝任務時容易由于外界擾動和自身機械震動而產生視覺偏離，搭載云臺的無人機需要克服運動狀態下的載體方位、俯仰方位、橫擺方位的干擾，在獲取圖像后還需要對目標進行光電耦合。本設計選用STM32103Z作為四旋翼無人機的三軸控制器，運用細分驅動算法對電機進行精準控制，采用ARM15作為圖像處理模塊，對攝像頭獲取的目標圖像進行濾波、光電耦合、特征對比，采用高精度陀螺儀采集角度及加速度信息，搭建了一套四旋翼無人機云臺控制的閉環系統，減小了搭載攝像機的云臺及激光發射器在目標鎖定過程中的慣性位移偏差。系統實現了四旋翼無人機在進行目標跟蹤及拍攝過程中的穩定飛行。

關鍵詞：四旋翼無人機;STM32103Z;ARMl5;細分驅動算法;閉環控制系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0038-03

隨著無人機技術的快速發展及廣泛應用，無人機搭載的任務載荷系統呈現向智能化、高精度化、多樣化方面發展，無人機視覺跟蹤及拍攝系統應用于各個領域中。由于執行飛行任務的無人機穩定性差干擾因素眾多，研發一款穩定精準的目標鎖定及自動跟蹤的無人機已經迫在眉睫，本設計選用四旋翼無人機作為控制云臺的載體，用STM32103Z實現無人機電機的角度控制及陀螺儀的輸入輸出信號處理，用ARMl5進行目標圖像處理，以此搭建一個閉環的云臺控制系統來實現無人機的視覺跟蹤及拍攝任務。該系統需要克服飛行過程中載體的各種振動、顛簸、光照變化等干擾，保證搭載在云臺上的高清攝像頭能在干擾力的作用下實現自我調整，保證高質量地完成跟蹤及拍攝任務。

1控制系統的總體設計方案

1.1云臺電機控制系統設計

云臺的結構方式取決于四旋翼的運動方式，四旋翼運動可以用橫擺角、俯仰角、偏航角來描述，因此云臺的結構采用橫擺一俯仰一偏航三軸式設計，其中每一軸對應一個閉環控制系統，如圖1所示，陀螺儀是利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對于慣性空間繞正交于自轉軸的一個或兩個軸的角運動監測裝置，可以精準地提供無人機的方向和位置信號，加速度計可以提供無人機的加速度信號。細分驅動芯片用來實現步進電機的平穩驅動，以此來控制云臺的三個軸運動，采用細分驅動方法可以明顯地提高步進電機的力矩，降低步進電機低速運轉時產生的振動，大幅度有效地提高步進電機步長的分辨率，而且采用步進電機驅動芯片的實現方法比直接采用算法產生的細分驅動可靠性高，可控性強，可以直接配合其他算法進行步進電機的控制。

云臺控制系統的主要功能及具體實現過程如下：該系統以STM32103Z為中央控制器。

根據來自視覺圖像處理及拍攝系統的控制流信號，綜合來自陀螺儀和加速度計的方向、位置、加速度信號來判斷云臺的3個轉動角度：橫擺角、俯仰角、偏航，同時在角度調整過程中接收陀螺儀和加速度信號和ARM的目標信號對角度進行微調。

其中細分驅動芯片選用東芝電子的THBl28，該芯片最高能實現驅動電流的256級細分，能滿足本設計的電機穩定轉動及控制需求。陀螺儀采用三軸陀螺儀組建MPU-6050，能夠在惡劣的沖擊和振動環境中提供高精度的監測，加速度計采用ADIS16445型號，能在復雜運動環境下精準提供加速度信息。

1.2視覺圖像處理及拍攝系統設計

云臺搭載的視覺處理系統包括如下五個子系統：供電電源系統、信息存儲系統、圖像獲取系統、通信系統、LCD顯示系統、調試接口。

本設計的圖像處理及拍攝系統為嵌入式控制系統，該系統具備高集成化、低功耗、小型化的特點，主控制芯片是ARM處理器s3e2440，該系統對視頻幀進行圖像處理：圖像預處理、目標檢測、根據運動目標的圖像位置計算偏差量，并運行控制算法，發送導引信號控制云臺的合理轉動。

由于本系統需要完成視頻數據采集的任務，并經圖像處理器對獲取的圖像進行運算，因此視頻質量對跟蹤效果影響很大，圖像的分辨率很大程度上取決于感光芯片，感光芯片的作用是把獲取的光子信號轉化成電信號的傳感器，目前國內外普遍認同的感光芯片分為兩類：CCD與CMOS感光芯片，對于CCD（電荷耦合）芯片，其具備高靈敏度、小噪聲、小信噪比、低成本、低功耗等特點，而CMOS在上述方面的性能明顯不如CCD，因此本設計采用CCD類型的傳感器用來完成視頻采集的任務。

為了實現運動過程中的通訊任務，本設計采用RS232串口實現通訊，該芯片與ARM芯片s3e2440連接，采用芯片MAX3232進行電平轉化。

本設計采用FLASH和SDRAM進行識別過程中的信息存儲，可以自由擴展存儲容量，海量存儲各種信息。

調試接口采用JTAG方式來實現，其中JTAG接口分為四類：JTD0數據輸出、JTDl數據輸入、JTCK時鐘、JTMS模式選擇。

2電機細分驅動算法

步進電機是依據電磁原理由電磁力驅動的，由脈沖力來實現控制：對步進電機的兩相繞組施加幅值不同的PWM波時，兩組磁極線圈會產生不一樣的磁力矩，步進電機的轉子在磁力矩的合力作用下實現轉動。但傳統的控制方法容易產生電機的失步和抖動，使電機在執行任務時產生較大的誤差。

為了改善步進電機的抖動和失步問題，可以采用細分驅動的方式來控制電機。細分驅動的基本原理：給電機輸入一步一個臺階的階梯波，使電機每輸入一個階梯波轉動一個微小的步長，階梯波細分的階數越高，電擊轉動越穩定，控制越精確。

對于二項混合電機，假設在理想環境無互感干擾的情況下，可以建立平衡方程：

以上公式組成了步進電機的數學模型，其中Te，TL分別是電磁力矩和負轉矩，J是步進電機的負載轉動慣量，B是電機的阻尼系數，w是電機的角速度，θ是電機的位移角度。

根據電機的數學模型來搭建兩相混合式步進電機細分驅動模塊，如圖3，其中Inverter是細分驅動模塊，step motor是根據公式x得到的電機模型。

利用仿真工具Simulink對該模型進行仿真，給電機輸入出圖4、圖5、圖6的4細分、8細分、64細分的控制電流波形圖，可以得到電機轉矩圖如圖7所示，從對比結果可以看出64細分能有效過濾電機干擾，實現電機平穩轉動。

3結束語

本系統由兩部分組成：圖像采集及處理系統和云臺細分控制系統，分別由ARM控制器s3c2440和STM32103Z作為主控制器芯片，外圍電路分為：小型電源供電電路、陀螺儀驅動電路、加速度器驅動電路、電機驅動電路等。能根據圖像識別的結果，用64步細分驅動的方式精確控制三軸云臺的穩定運行，提高了系統精度，減少了電機抖動。綜上，該系統能應用于對精度要求較高的場景比如無人機目標跟蹤和無人機自動航拍，具有一定的實用價值，成本較低。