? ? 這幾天2019年電賽結(jié)束了，感覺(jué)心里不是滋味，要問(wèn)為什么的話，當(dāng)然是因?yàn)槲乙呀?jīng)不是本科生了，不然的話我就又能拿國(guó)獎(jiǎng)了。（賤笑中。。。）

? ? 因?yàn)橐恍┰?#xff0c;我也參與到了一群學(xué)弟的指導(dǎo)中。（當(dāng)然是無(wú)償?shù)摹！！?#xff09;他們選擇了飛行器類的題目，我覺(jué)得飛行器類的題目是最難的，也是最簡(jiǎn)單的，其中的關(guān)鍵就是 “飛行控制器” 。 如果你想要從頭到腳，從慣性數(shù)據(jù)采集、姿態(tài)檢測(cè)、姿態(tài)控制到速度位置控制再到最后的圖像檢測(cè)、動(dòng)作決策等全部過(guò)一遍的話，那這無(wú)疑是地獄級(jí)別難度。而你如果并不是大神的話，捷徑也是存在的，那就是成品飛控。成品飛控相對(duì)于自制飛控明顯更加專業(yè)，程序中的問(wèn)題也更少。而且今年的賽題中也沒(méi)有加入相關(guān)的限制，相信以后的電賽設(shè)計(jì)中，將會(huì)有更多人采用成品分控而不是自制。

? ? 在電賽準(zhǔn)備期間，因?yàn)殡娰惞俜浇o出的信息是會(huì)有一道題指定TI公司的芯片，很多人擔(dān)心這個(gè)限制，結(jié)果導(dǎo)致了“某名飛控”推出的基于TI芯片的飛控模塊直接銷量上千，而且售價(jià)不菲，整套飛控加傳感器下來(lái)得有一千多。。。（想想2015年的電賽我當(dāng)時(shí)的條件：風(fēng)力擺四個(gè)空心杯電機(jī)、L298N模塊、STM32F103核心板和MPU6050全套總共不到100塊錢），只能說(shuō)是真的壕。然而賽題下來(lái)一看都傻眼了，根本就沒(méi)有對(duì)飛信器的題目有任何芯片方面的限制。

? ? 好了，不說(shuō)廢話，進(jìn)入正題，先看題目：

? ? 基本任務(wù)1：巡線機(jī)器人從距 A 桿塔 1 米范圍內(nèi)的起飛點(diǎn)起飛，以 1 米定高繞桿巡檢，巡檢流程為:起飛→桿塔 A→電力線纜→繞桿塔 B→電力線纜→桿塔 A，然后穩(wěn)定降落;巡檢期間，巡線機(jī)器人激光筆軌跡應(yīng)落在地面虛線框內(nèi)。

? ? 基本任務(wù)1是整個(gè)題目中最基本也是技術(shù)含量最高的一項(xiàng)任務(wù)，如果第一項(xiàng)都完不成，那之后那些分?jǐn)?shù)就不用想了。把上面的任務(wù)分解一下可以分為以下幾個(gè)子功能

基本功能要求

1.飛行器須有檢測(cè)和調(diào)節(jié)飛行高度的能力，且精度至少要精確到2cm以內(nèi)。

2.飛行器須有調(diào)整Yaw（偏航角，即朝向角）的能力，以及調(diào)整水平方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力（可以是兩軸的速度或加速度）

3.飛行器須有檢測(cè)桿塔方位和距離的能力

4.飛行器須有檢測(cè)其與電纜線之間距離和Yaw偏角的能力

5.飛行器須有檢測(cè)自身在一段時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度的能力

只要實(shí)現(xiàn)了上述五個(gè)功能，則這道題就很好做了。

整體流程

1.飛行器從指定地點(diǎn)起飛，到指定高度，這里用到了檢測(cè)和調(diào)節(jié)飛行高度的功能。

2.飛行器檢測(cè)周圍的桿塔，確定桿塔A方位和距離，然后到達(dá)桿塔A的前方。這里用到了檢測(cè)桿塔和水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)整的功能

3.飛行器開始巡線，檢測(cè)線的傾角和距離，實(shí)時(shí)調(diào)整自身的朝向，使攝像頭始終垂直指向電纜線。并調(diào)整其與電纜線之間的距離。

4.飛行器在巡線三米后，到達(dá)桿塔B，此時(shí)檢測(cè)桿塔B的方位角和距離，然后啟動(dòng)繞桿程序

5.當(dāng)角度旋轉(zhuǎn)到一定值時(shí)，說(shuō)明飛行器已經(jīng)繞過(guò)了B桿，重新啟動(dòng)巡線程序

6.最后返回A桿，降落。

由上可以看出，飛行器每時(shí)每刻都在采集被控對(duì)象的狀態(tài)并進(jìn)行控制。

接下來(lái)將上面的功能一個(gè)一個(gè)實(shí)現(xiàn)（默認(rèn)采用成品飛控）

功能實(shí)現(xiàn)

1.高度檢測(cè)和調(diào)整

? ? 首先對(duì)于飛行器而言，其高度檢測(cè)是不能使用超聲波測(cè)距模塊的，那種數(shù)據(jù)跳變的情況會(huì)讓你在調(diào)試的時(shí)候傷透腦筋。最好使用激光或者ToF，當(dāng)然如果你有條件的話，可以使用激光雷達(dá)，有些激光雷達(dá)的測(cè)距范圍可以到12cm~3500cm,你只要讀取其中垂直指向地面的那個(gè)數(shù)據(jù)就可以得知高度。不過(guò)基本不會(huì)有人那么干。一般還是采用激光或者ToF的方法。當(dāng)然還有一種方法是使用激光筆和攝像頭，攝像頭與激光筆之間呈一定夾角，然后采集和處理圖像，得到紅點(diǎn)的位置（角度），通過(guò)三角測(cè)距也可以得到飛行器的高度。這些方案都是可行的，但是就要你就成本和重量等綜合考慮了。最后一定要確定測(cè)距的量程，一定要確保飛行器在地面上時(shí)傳感器也能讀取到數(shù)值。

? ? 關(guān)于高度的調(diào)整要看底層的飛控提供了何種接口，是加速度類的控制還是速度類的控制，需要根據(jù)飛控不同的接口編寫不同的控制器。對(duì)于加速度類的控制接口，可以編寫串級(jí)PID控制器以實(shí)現(xiàn)比較好的高度控制效果。

2.飛行器的Yaw角和水平方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制

? ? 由于飛控基本采集不到比較精準(zhǔn)的Yaw數(shù)據(jù)（地磁傳感器并不能靠得住），因此在此控制飛行器的yaw角角速度，通過(guò)控制角速度來(lái)調(diào)整角度，一般飛控都會(huì)留有Yaw角速度的控制接口。然后是對(duì)水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，這里最好使用Pitch Roll 傾角的控制，也可以看做是水平加速度的控制，原因是飛控如果不配合可靠的光流信息的話，其無(wú)法獲知準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)速度，自然無(wú)法準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)。

3.飛行器檢測(cè)桿塔

? ? 飛行器要繞桿塔旋轉(zhuǎn)，就必須要知道其與桿塔之間的相對(duì)位置，包括方位角和距離，然而使用單個(gè)攝像頭基本不可能實(shí)現(xiàn)，這里有兩種方案：一種是雙目攝像頭，通過(guò)三角測(cè)量法，結(jié)合兩個(gè)攝像頭檢測(cè)的桿的位置以及兩個(gè)攝像頭之間的相對(duì)位姿，獲得桿塔的深度和方位角。但是實(shí)際上攝像頭和桿塔之間的相對(duì)安裝位置很難確定，因?yàn)橐紤]雜亂背景的影響，以及桿塔腳架的影響。第二種方法則更具備可行性，就是采用激光雷達(dá)。

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激光雷達(dá)

3.1激光雷達(dá)

? ? 如果用激光雷達(dá)來(lái)檢測(cè)桿塔則會(huì)大大降低難度，但是一般激光雷達(dá)都是用于ROS，SLAM等場(chǎng)景，難以找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，且成本較高。但是為了電賽也是拼了。我這里接觸過(guò)一個(gè)激光雷達(dá)，是Turtlebot3機(jī)器人平臺(tái)上自帶的激光雷達(dá)，此激光雷達(dá)的價(jià)格在一千多，但是在TB上，有二手拆機(jī)可用的同樣型號(hào)的價(jià)格在100左右，搜索turtlebot3激光雷達(dá)就能找到。激光雷達(dá)的使用方法其實(shí)很簡(jiǎn)單，用簡(jiǎn)單的STM32F103系列就能很輕易的處理。一般激光雷達(dá)是帶有串口接口的，它在上電后，無(wú)需進(jìn)行配置，就能自動(dòng)向外發(fā)送360度的測(cè)距信息。激光雷達(dá)相當(dāng)于一個(gè)激光測(cè)距的模塊在那一直轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)1°就會(huì)采集一次深度值。每轉(zhuǎn)一圈會(huì)輸出360個(gè)距離信息。每秒一般會(huì)轉(zhuǎn)5圈。

3.2激光雷達(dá)的使用

? ? 接下來(lái)我將以STM32F103型單片機(jī)為例介紹如何通過(guò)單片機(jī)采集激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)。

? ? STM32單片機(jī)比較強(qiáng)大，支持DMA功能，為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，我們使用DMA和USART外設(shè)配合，當(dāng)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)以230400的波特率傳來(lái)時(shí)，直接將接收的字節(jié)保存在實(shí)現(xiàn)定義的環(huán)形緩沖區(qū)中。然后通過(guò)定時(shí)中斷每隔一段時(shí)間讀取緩沖區(qū)中的內(nèi)容，根據(jù)官方提供了的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)對(duì)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。（不同廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的產(chǎn)品使用的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)不同）解析其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是包頭包尾和校驗(yàn)之類的。緩沖區(qū)的大小要根據(jù)你每次讀取的時(shí)間間隔和雷達(dá)發(fā)送數(shù)據(jù)的速率來(lái)確定，比如我用的這個(gè)就是每秒5圈，每圈60個(gè)42字節(jié)的數(shù)據(jù)包，總共12600B/S。如果我要每秒100次解析緩沖區(qū)，則緩沖區(qū)必須定義為126以上，為了穩(wěn)妥，最好定義為兩倍以上才可。還有就是每次解析時(shí)只需要提取出你最想要的東西（對(duì)應(yīng)角度的距離）即可，然后定義一個(gè)360長(zhǎng)度的short數(shù)組專門用來(lái)存放距離信息。

? ? 具體的代碼可以通過(guò)賄賂我的方式來(lái)獲取。

3.3桿塔的檢測(cè)算法

桿塔的檢測(cè)算法很簡(jiǎn)單，因?yàn)楸荣悎?chǎng)地除了桿塔沒(méi)有其他立著的物體，因此直接尋找距離數(shù)組中距離為最小值的那個(gè)角度索引即可。注意排除飛行器自身的影響（劃定一個(gè)角度范圍進(jìn)行掃描）。

4.飛行器檢測(cè)電纜線

? ? 飛行器檢測(cè)電纜線的方式有很多種，貌似可以通過(guò)電磁場(chǎng)等手段檢測(cè)，不過(guò)一般的方式是采用攝像頭。相信很多人會(huì)因?yàn)殡娎|線后面的雜亂背景而感到頭疼，其實(shí)大可不必，只需要用支架將攝像頭抬高，使攝像頭往斜下方拍攝即可。整個(gè)飛行器的形狀就像是一只撲騰著翅膀的母雞。由于地面的背景顏色較為單一，因此可以去除幾乎所有干擾。如果采用這種安裝方法，則線檢測(cè)的算法可以說(shuō)是非常簡(jiǎn)單了，甚至可以用兩個(gè)線陣CCD來(lái)獲取線的位置和傾角。

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攝像頭與線纜的相對(duì)位置

? ? 此時(shí)我檢測(cè)到線在畫面中的傾角和中心高度了，我要如何使用？我要得到的是什么信息？ 線的傾角和中心高度不是我們想要的，我們想要的是飛行器攝像頭相對(duì)于電纜線所呈的傾角，以及飛行器與電纜線之間的距離。首先考慮傾角：當(dāng)攝像頭正對(duì)電纜線時(shí)，會(huì)在畫面中得到水平的一條黑線。當(dāng)攝像頭的Yaw角發(fā)生了變化時(shí)，攝像頭不再正對(duì)電纜線，此時(shí)畫面中的線就出現(xiàn)傾斜的情況。同時(shí)如果飛行器姿態(tài)調(diào)整時(shí)Roll角（就是左右傾斜的角）發(fā)生變化的話，也會(huì)影響到畫面中的線。

4.1畫面中線的傾角的利用

飛行器Yaw和Roll對(duì)畫面中采集的線的傾角影響

? ? 由上圖可得，畫面中的線的傾角主要反應(yīng)了飛行器的兩個(gè)角度，一個(gè)是Yaw，一個(gè)是Roll，考慮當(dāng)Yaw為偏轉(zhuǎn)90度以后，則畫面中線的傾角近似90度。當(dāng)Roll角偏轉(zhuǎn)90度后，畫面中線的傾角也為90度，因此可以認(rèn)為Yaw和Roll兩個(gè)角度直接相加得到了畫面中線的傾角。可能不太科學(xué)，但是近似應(yīng)該是沒(méi)有太大問(wèn)題。所以當(dāng)我們要求的飛行器在Yaw方向與線纜所呈角度時(shí)，只需在畫面中線的傾角量中減除Roll角即可。此時(shí)會(huì)得到一個(gè)近似的Yaw偏角。

4.2畫面中線的中心高度的利用

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飛行器與線纜之間距離的計(jì)算

? ? 上面的圖已經(jīng)畫得很清楚了，對(duì)于定高性能較好的飛行器來(lái)說(shuō) h 是已知常量，攝像頭安裝的朝向（綠線）角度也是已知的。首先可以通過(guò)畫面中線中心的縱坐標(biāo)y和攝像頭的縱向可視角度獲取一個(gè)近似的線纜相對(duì)于攝像頭的方位角，然后再與攝像頭的安裝角度相加即可得出 θ 。已知θ和h，則l可以直接通過(guò)tan函數(shù)求出。當(dāng)然還需要考慮到飛行器的Pitch角，飛行器在面朝線纜前后仰時(shí)，其Pitch角變化，導(dǎo)致攝像頭的安裝角度變化，為了消除這種影響，需要獲取飛行器的Pitch角并對(duì)θ進(jìn)行補(bǔ)償，更進(jìn)一步的，還需要對(duì)攝像頭的 h 進(jìn)行補(bǔ)償，最終得到比較精準(zhǔn)的距離數(shù)據(jù)。

? ? 經(jīng)過(guò)上面的兩個(gè)步驟，基本就能獲得比較精準(zhǔn)的飛行器Yaw偏移和與線纜的水平距離了。

5.獲取飛行器Yaw方向角度變化量

? ? 其實(shí)判斷飛行器是否繞滿180度有兩種策略，一種是根據(jù)角速度積分，另一種是記錄開始旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度，然后用之后的實(shí)時(shí)角度與之前的角度進(jìn)行比對(duì)，兩種方法都可以很容易的檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的角度。但是這里要注意的一點(diǎn)是，盡量不要將旋轉(zhuǎn)完畢的判定角度設(shè)為180，因?yàn)轱w行器在繞圈時(shí)存在慣性，很容易因?yàn)閬?lái)不及叉車而撞到線纜上，因此可以設(shè)成160或者170，這樣可以使得整個(gè)過(guò)程銜接更平滑，且節(jié)省時(shí)間。

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三個(gè)典型的控制策略

1.桿塔定點(diǎn)控制

桿塔定點(diǎn)控制的功能是讓飛行器可以在以桿塔為遠(yuǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)系中精準(zhǔn)穩(wěn)定的定（x，y）點(diǎn)懸停。而這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的前提是飛行器的Yaw在整個(gè)控制過(guò)程中內(nèi)沒(méi)有明顯的偏移。

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飛行器與桿塔的相對(duì)位置求取

? ? 現(xiàn)在我們已經(jīng)通過(guò)激光雷達(dá)確定了桿的方位角和距離，很輕易就能求出以桿塔為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中飛行器的坐標(biāo)值。現(xiàn)在如果指定一個(gè)給定值（10，-40），就可通過(guò)給定值減去實(shí)際值獲得偏差，通過(guò)設(shè)計(jì)控制器就能得到很好的控制效果。當(dāng)然一切的前提是Yaw角需滿足一定條件，也就是飛行器全程必須正面對(duì)著線纜的方向。如果飛行器擺不正，則無(wú)法獲取到精準(zhǔn)的相對(duì)位置。

2.巡線控制

巡線控制的目標(biāo)是可以使飛行器能夠以指定速度、與線纜相隔指定距離向右飛行。

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? ? 前面已經(jīng)說(shuō)明了通過(guò)攝像頭采集的線纜的傾角和中心坐標(biāo)的處理方法，最終獲得飛行器的Yaw角偏差和飛行器與線纜之間的距離。1、在巡線過(guò)程中Yaw偏角的理想狀態(tài)為0，因此需要設(shè)計(jì)控制器通過(guò)控制飛行器的Yaw角速度使飛行器始終正面面向線纜的方向。2、巡線過(guò)程中飛行器需與線纜保持最佳距離，因此需要設(shè)計(jì)控制器，根據(jù)給定距離和實(shí)際距離的偏差通過(guò)控制飛行器的俯仰角度進(jìn)而控制飛行器的速度，實(shí)現(xiàn)距離的控制。3、巡線過(guò)程中需要以一定的速度向右滑行，這里有兩個(gè)方案，一是在巡線的整個(gè)過(guò)程中給一個(gè)固定的roll傾角，當(dāng)roll傾角提供的加速度與風(fēng)阻平衡時(shí)，飛行器會(huì)勻速運(yùn)動(dòng)，此種方法簡(jiǎn)單粗暴，但是易受氣流影響。二是通過(guò)光流傳感器等手段，實(shí)時(shí)獲知當(dāng)前的速度值，然后通過(guò)PID控制器精確控制側(cè)向飛行速度。

3.繞桿控制

? ? 繞桿控制實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是以指定速度，沿指定半徑繞桿旋轉(zhuǎn)。

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通過(guò)雷達(dá)可以得知桿相對(duì)于飛行器的方位角和距離，如此一來(lái)控制起來(lái)就很簡(jiǎn)單了。1、Yaw角控制，根據(jù)雷達(dá)反饋的桿塔的方位角，設(shè)計(jì)控制器通過(guò)控制Yaw角速度，使飛行器始終正面面向桿（θ始終為0）。2、距離控制，與巡線相同。3、速度控制與巡線相同。

只要搞定了這三種典型的控制過(guò)程，基本這題就算是解決了。以上就是我分享的所有經(jīng)驗(yàn)，至于什么拍照，二維碼之類的那全是沒(méi)啥意義的東西，就不說(shuō)了。

有什么高見的話，歡迎評(píng)論懟我。覺(jué)得有用的話，別猶豫，打賞吧，從11點(diǎn)到5點(diǎn)一直沒(méi)休息的我快餓死了（用寫文章的快感來(lái)麻痹饑餓已達(dá)到不吃飯省錢的目的的崇高境界我想你們是不會(huì)理解的）。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的19年电赛B题设计总结的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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