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基于螳螂算法的无人机自动规避系统研究

2016-08-19 09:17:05 真人娱乐|官网 阅读

 罗罗诺亚网 无人机频道
计算机或机器能够模拟人的智能并具备自动感知外部环境的能力是人类长期以来的梦想。由于视觉是极为重要的信息来源,计算机视觉自从它诞生以来一直是一个特别令人感兴趣的前沿研究领域。所以我们的着重点放在系统的整体构建与整合、障碍物视觉检测及自动规避的基本概念的实现。


一、基本概念和原理

1.螳螂算法

在所有的动物当中,螳螂躲避攻击对象的反应速度最快,主要是因为螳螂不但有复眼还有单眼,当攻击对象的影像从复眼进入单眼时,单眼负责观察目标变大的速度,随时通知中枢神经逃避目标。根据以上原理,我们选择了含有96个CPU与ARM处理器的芯片,96个CPU完成复眼的功能,ARM处理器完成单眼的功能。

视觉几何计算规避原理图如图(1):

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复眼CPU提供径向畸变校正后的图像image(t)和image(t-1),单眼提供features(t-1),同时负责提取features(t),如果feature没有变化,则表示几何视觉距离不变,如果feature有变化,进行motion检测,进行三角几何计算,同时标定聚合最终位置。

计算机视觉的基本任务可以归结到测量、识别和重建。为进行视觉计算,必须首先获得空间坐标系与图象坐标系之间的变换关系,即为摄象机建立适当的模型并求解其参数。模型和参数的准确程度直接影响视觉计算的精度。而视觉计算的鲁棒性和可靠性、对源数据及计算条件的误差的容忍度、计算的代价等,都对算法是否能在实际中应用有深刻的影响。
 
三维视觉三角几何计算原理图如图(2)


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阴影部分为电子眼的光学轴长(A),B表示障碍的大小与位置,A、B的大小可以根据需要用软件在飞行现场进行长、宽、高的幂比例关系校准与自标定。

当单眼在5帧图像里看到变化超过δ=10个像素,断定目标有变化,复眼的速度是每秒30帧,变化是用最小均方差的方法计算的。计算公式如下:


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常用的自动规避方法有雷达,超声波,红外线或激光。每种方法都有他各自的优缺点。雷达缺点是由于主动发射电磁波,容易暴露自身,成为对方反辐射导弹的目标,另外也容易被干扰,只要对方采取电子对抗措施,如使用电子干扰或发射干扰弹,就无法正常工作。


超声波测距的优点是比较耐脏污,即使传感器上有尘土,只要没有堵死就可以测量,可以在较差的环境中使用,所以倒车雷达多半使用超声波,缺点是精度较低,且成本较高。红外测距的优点是便宜,易制,安全,缺点是精度低,距离近,方向性差。激光测距的优点是精确,缺点是需要注意人体安全,且制做的难度较大,成本较高,而且光学系统需要保持干净,否则将影响测量。所以我们决定选择普通可见光低照度感光传感器作为我们的测距方法。不但可以测量距离还可以识别跟踪目标。

3.无人机自动规避系统

为了让无人机遇见目标障碍物能够实现自动规避,我们在飞机上安装规避信号发生装置,当无人机机遇到障碍物时,我们要将飞机舵机的控制权交给规避信号发生器,这样飞机就可以及时作出规避动作。控制权的选择我们通过CD4051电子开关来实现,当飞机检测到障碍物时,安装在飞机上的电子眼会发出低能量窄脉冲信号,该信号用于触发电子开关,使舵机接收规避信号发生器发出的信号。当与目标物体规避一定距离后,电子眼输出信号消失,此时电子开关通道改变,舵机接收手控信号。

同时,为了确保安全,我们给飞机加了应急开关,防止自动规避系统遇到复杂情况或出现故障,或者实际情况需要手动作出应急控制时,通过应急开关重新强行获取飞机的控制权,全面安全的实现自动规避的功能。

系统框图如图(3)

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电子眼负责动态识别目标障碍物。为了让电子眼与舵机伺服系统互相不干扰,我们在两者中间插入放大跟随器与非线性控制信号积分电路。积分长度可以根据不同电阻值调节,规避信号发生器也可以根据不同的电阻值调节成加速或减速信号发生器、应急开关的强制信号与积分信号共同控制开关的片选信号。

4.舵机信号的选择原理

当电子眼侦测到正前方8米内有障碍物时,电子眼会产生脉宽10ms,周期100ms的脉冲波,高电平值为2.5v,为了更加可靠稳定的工作,我们将其非线性放大积分延时到3.5v。该项目中我们用此信号控制舵机正反的转换信号的选择,舵机控制信号的选择通过电子开关CD4051。

CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关,有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入,具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。

例如,若VDD=+5V,VSS=0,VEE=-13.5V,则0~5V的数字信号可控制-13.5~4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗,与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=“1”时,所有的通道截止。

只有当INH=0时,三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道,连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压,也可以接地。当输入电压有负值时,VEE必须接负电压,其他时候可以接地。

电子开关CD4051的引脚功能如图(4):

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CD4051引脚图如图(5):

 

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CD4051真值表如图(6):

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该研究中我们将舵机连接到电子开关公共输出端3引脚上,电子眼输出信号连接到11引脚,即控制开关通道的”A”,”C”接应急开关信号(应急开关关闭时,给C低电平),”B”接地。手控信号接引脚1、13、14,反转规避信号发生器发出的信号接5脚。

该项目中电子开关信号选择表如图(7)

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二、创新思路

基于螳螂算法的无人机自动规避系统,其研究的目的是为了逐步并最终实现无人机的自动控制,并能按照我们的意愿完成一些任务。

本次研究比较了无人机自动规避系统传统的传感方式,采取了新颖的复眼式侦测目标 视觉几何测距的复合式传感系统,并创新性地给予传感器记忆储存能力,并且让ARM处理器拥有高速单眼辨别功能,它会将电子眼侦测到的物体与目标物体进行比对,相似度达到指定值时电子眼将会对飞行器发出特定指令,飞行器对目标物体做出特定动作,与传统的传感器相比,电子眼的学习能力智能化水平是他们无法企及的。

智能化水平的提高离不开强大的处理能力,我们将96个cpu排列成12x8的矩阵并由每个cpu控制着一个固定的角度,平时96个cpu负责复眼侦测目标的功能,当出现疑似目标时,中心ARM处理器将会对其他所有cpu发出集中处理疑似目标的命令,将疑似目标与存储器中的图像进行比对,大大节省了对疑似目标的处理时间,提高了处理精确度。

三、总结与展望

随着公众对无人驾驶飞机的关注程度越来越高,我们希望在无人机自动控制方面做一些前瞻性的研究与实践。比如说无人机对指定的目标进行快速准确的自动锁定。在这个锁定过程中有三个步骤:

第一步发现目标、靠近目标;

第二步与目标保持一定距离,确认目标;第三步锁定目标、同步跟踪(当目标加速时,无人机加速,目标减速时,无人机减速)。

本次研究中主要精力放在第二步的研究开发上。因为让本次创新设计主要目的是展示视觉几何测距的应用,在将来的研究中我们打算实现全自动手制切换电路,增加流线型攻击防护栏。全自动手制切换电路,自动感觉手动信号,使得规避信号发生器放弃对舵机的控制权,流线型攻击防护栏保证飞行机平稳安全节能的飞行与降落。

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