基于OpenMV的自動巡線無人機研究

劉軒宇，李浩陽，胡子琨

（北京信息科技大學，北京，100089）

0 引言

1 硬件設計

四旋翼無人機是一架由遙控站管理、不搭載操作人員的一種動力空中飛行器，四旋翼無人機系統一般包括地面系統、支撐和外觀系統、飛行控制系統、動力系統、任務載荷。

動力系統：電動機；電子調速器；電調連接板；槳葉；電池。

支撐和外觀系統：支撐和外觀系統是指無人機的承載平臺，無人機上所有設備都是用機架承載起來飛上天上的，無人機的機架好壞，很大程度上決定了這部無人機的使用壽命。現在常見的無人機，機架的組成大同小異，主要由中心板、力臂、腳架組成。

飛控系統：四旋翼飛行器的控制系統分為兩個部分：飛行控制和無刷直流電機調速系統。

飛行控制系統通過IMU慣性測量單位（陀螺傳感器和加速度傳感器組成），用于監測飛行姿態，通過無線通訊模塊與地面遙感通訊。

4個無刷直流電機調速系統總線與飛行控制器通信，通過4個無刷直流電機的轉速來改變飛行姿態，整個系統采用低壓電池供電。四旋翼飛行器是通過調節四個電機轉速來改變旋翼轉速，實現升力的變化，從而控制飛行器的姿態和位置，是一種六自由度的垂直升降機。

地面系統：典型的地面站由一個或多個操作控制分站組成，主要實現對飛行器的控制、任務控制、載荷操作、載荷數據分析和系統維護等。

(1)系統控制站：在線監視系統的具體參數，包括飛行期間飛行器的健康狀況、顯示飛行數據和告警信息。

由表3可知，當反應時間達到3 h時酶解基本完全，此時的提取率最高。反應時間過長，可能導致水解蛋白質變性分解，當反應時間達到3 h時最佳。

(2)飛行器操作控制站：它提供良好的人機界面來控制無人機飛行，其組成包括命令控制臺、飛行參數顯示、無人機軌道顯示和一個可選的載荷視頻顯示。

(3)任務載荷控制站：用于控制無人機所攜帶的傳感器，它由-個或幾個視頻監視儀和視頻記錄儀組成。

(4)數據分發系統：用于分析和解釋從無人機獲得的圖像。

(5)數據鏈路地面終端：包括發送上行鏈路信號的天線和發射機，捕獲下行鏈路信號的天線和接收機數據鏈應用于不同的UAV系統，實現以下主要功能:用于給飛行器發送命令和有效載荷;接收來自飛行器的狀態信息及有效載荷數據。

(6)中央處理單元：包括一臺或多臺計算機， 主要功能:獲得并處理從UAV來的實時數據；顯示處理；確認任務規劃并上傳給UAV；電子地圖處理：數據分發；飛行前分析；系統診斷。

本項目的自動巡線無人機主要以飛行控制模塊，OpenMV模塊，動力模塊以及接收機構成。當無人機巡線飛行時，OpenMV模塊中的攝像頭會將采集到的圖像進行分析，判斷循跡線的位置，并通過相應的串口通信把相應飛行指令傳輸給飛控模塊。飛控模塊接收到指令后，向動力模塊輸出PWM值，控制電機速度，改變無人機的當前飛行姿態，完成糾偏過程。整體結構示意如圖1。

圖1 無人機總計結構

1.1 巡線模塊

巡線模塊采用OpenMV開發板。OpenMV是一款低功耗，小巧靈活，低成本的單片機攝像頭，旨在搭建一種簡單，便捷的單目機器視覺模塊。其核心為STM32H743VI ARM Cortex M7 處理器，480 MHz ，1MB RAM，2 MB flash. 所有的 I/O引腳輸出 3.3V 并且 5V 耐受。其搭載可拆卸的攝像頭模塊系統，可選擇不同的感光元件模組。

1.2 飛控模塊

無人機飛控，即無人機飛行控制系統，器采用了STM32F765VI單片機，STM32F765VI 采用ARM Cortex-M7為內核，內置陀螺儀（用作飛行姿態的感知），加速幾，地磁感應，氣壓傳感器，超聲波傳感器，光流傳感器，GPS模塊，控制電路組成。無人機飛控保證了無人機的姿態控制及其正常飛行。

2 軟件設計

2.1 圖像處理

圖像采集或傳輸過程會產生噪聲干擾，為了保證我們處理時，圖像的完好性、抑制干擾，以及增強某些對后續處理重要的圖像特征，我們首先需要對圖像進行預處理，進行灰度化處理與濾波噪音。接下來，基于我們確定的某種循跡線的顏色，在OpenMV IDE中的閾值編輯器設置相應的閾值，來判斷像素是否在閾值threshold中，接著將圖像中的像素設置為白色或黑色（如果檢測到符合閾值，則設置為白色，非閾值中設置為黑色），這樣，我們就得到了一張只有黑色背景和白色循跡線的圖像。這一過程又叫做圖像的二值化。圖像二值化效果如圖一所示。

2.2 尋線識別

當我們得到一幅二值化圖像后，我們需要調用get_regression線性回歸的函數，對圖像內的所有閾值像素（白色部分）進行線性回歸，線性回歸后的效果就是將圖像二值化分割為綠白兩部分（綠色為循跡線，白色為無關區域），其中magnitude函數可以表示我們線性回歸的效果，其值越大，表明線性回歸的效果越好。其中綠色的回歸線即為我們需要的line對象[2]。我們要利用這個得到的line對象來計算我們需用的兩個pid，來判斷無人機當前位置。

當我們得到經過線性回歸得到line圖像后，我們需要通過對其引導參數，判斷無人機的位置。通過函數計算和坐標變換得到line對象角度的偏移和左右距離的偏離。接下來，設置兩組pid，即rho_pid和theta_pid，將角度偏移距離傳遞theta_pid，左右距離的偏離傳遞rho_pid。我們用這兩組pid識別當前位置，控制無人機運動。當無人機向循跡線左邊方向偏離時，距離偏移減小，循跡線處在視野左方。此時我們可以通過pid的調整使無人機向右偏航。同理，當無人機向循跡線右邊方向偏離時，距離偏移增大，循跡線處在視野左方。此時我們可以通過pid的調整使無人機向左偏航。

2.3 無人機飛行設置

當巡線模塊將計算的pid數據傳遞飛控時，飛控需要將數據轉化成電機的pwm值，通過控制四個電機轉速差達到各種偏航動作。本項目 針對電力巡線，故不存在直角轉彎情況，故將飛行分為以下3種（本項目無人機以“X模式飛行”）。

（1）當巡線模塊正常識別到循跡線時，無人機開始向前直線飛行，此時電機M1,M2減速，M3,M4加速。

（2）向左偏離，當無人機位于識別線左方，則無人機已經向左偏離航線，此時應在原有直線飛行的前提下提高M2,M3轉速，無人機向右偏航，直至循跡線處在巡線視野中。

（3）向右偏離，當無人機位于識別線右方，則無人機已經向左偏離航線，此時應在原有直線飛行的前提下（也可適當降低航速）提高M1,M4轉速，無人機向右偏航，直至循跡線處在巡線視野中。

3 結束語

無人機視覺研究的關注度越來越高，吸引了大批科研工作者前來研究[3]。而OpenMV作為一款入門級別的機器視覺開發模塊，其便捷性及便利性也被人認可。本文即通過OpenMV模塊無人機連接，最終實現自主巡線飛行。