付强等：基于外部单目视觉的仿生扑翼飞行器室内定高控制 255 单目相机，导致检测到的飞行高度出现周期性的 电脑 变化，目标物体离单目相机越远，变化越小； 扑翼飞 (上位机) 行器 (3)扑翼飞行器飞行过程中飞行姿态会发生 变化，从而影响外部相机捕捉蓝色标记点，降低了 底座 控制精度；可以采用多标记点的方法来降低系统 误差，但可能会增加系统的计算量，降低实时性； 单目USB 三脚架 (4)扑翼飞行器的负载较低，机身所带发光标 摄像头 记点功耗较低，亮度低.由于采用外部单目相机捕 捉蓝色标记点的方法进行扑翼飞行器的识别与定 图10实物实验图 位，因此当扑翼飞行器自由飞行时，飞行半径过 Fig.10 Physical experiment 大，摄像头难以检测到蓝色标记点，较难实现自由 信号，此时记为第0帧，阶跃响应如图11所示.常 自主飞行 规PD控制器控制下：扑翼飞行器分别在第31帧 5结论 (第1秒)和第114帧（第3.8秒）到达阶跃稳态值 的10%和90%，上升时间为2.8s:单神经元PID控 本文针对扑翼飞行器的定高飞行控制，提出 制器控制下：扑翼飞行器分别在第31帧（第1秒） 了一种基于外部单目视觉的定高控制系统.采用 和第123帧（第4.1秒）到达阶跃稳态值的10%和 蓝色LED灯作为扑翼飞行器标识点，利用单目相 90%,上升时间为3.1s:但是常规PID控制器的控 机拍摄扑翼飞行器，通过图像处理算法获取标记 制精度较低，最大误差约为7%，而单神经元PID 点在图像上的像素纵坐标，结合单神经元PID控 的控制精度较高，扑翼飞行器在第256帧（第8秒） 制器调节扑翼飞行器的电机转速，实现了基于图 后最大误差约为3% 像的扑翼飞行器定高飞行.该系统不需要进行相 280 机的内外参数标定，使用成本低，简单易实现，具 阶跃响应曲线 270 有一定的应用价值 260 (114,237) (256,247) 参考文献 6250 [1]He W,Ding S Q,Sun C Y.Research progress on modeling and 家20 control of flapping-wing air vehicles.Acta Automatica Sinica, 2017,43(5):685 220 (123,237) 常元D (贺威，丁施强，孙长银.扑翼飞行器的建模与控制研究进展.自 210 一中心横线 (31,215) …中心横线纵坐标值✉105 动化学报，2017,43(5)：685) 200 中心横线织坐标值097 100 200 300 400 500 600 [2]Mackenzie D.A flapping of wings.Science,2012,335(6075): 帧数 1430 图11PD控制飞行高度曲线 [3] Jackowski Z J.Design and Construction of An Autonomous Fig.11 Flight height curve of the PID controller Ornithopter [Dissertation].Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology,2009 通过分析实验结果，得出以下结论： [4] Ryu S,Kwon U,Kim H J.Autonomous flight and vision-based (1)单神经元PID控制下，扑翼飞行器的飞行 target tracking for a flapping-wing MAV /2016 /EEE/RS/ 高度响应速度稍微低于常规PD控制，但是控制 International Conference on Intelligent Robots and Systems 误差要明显小于常规D控制下的控制误差，而 (/ROS).Daejeon,2016:5645 且不需要调节比例、积分、微分参数，做到了参数 [s] Lin S H,Hsiao F Y,Chen C L,et al.Altitude control of flapping- 自适应； wing MAV using vision-based navigation /Proceedings of the 2010 American Control Conference.Baltimore,2010:21 (2)无论是常规PID控制器还是单神经元 [6] Yang W Q,Wang L G,Song B F.Dove:a biomimetic flapping. PID控制器，飞行高度误差总会出现周期性变化， wing micro air vehicle.Int J Micro Air Vehicles,2018.10(1):70 原因是相机成像具有近大远小的特点，单目相机 [7] He W,Huang H F,Chen Y N,et al.Development of an 不能检测出飞行器与相机的距离，当扑翼飞行器 autonomous flapping-wing aerial vehicle.Sci China Inf Sci,2017, 进行水平圆周运动时，就会周期性的远离或靠近 60(6):063201信号，此时记为第 0 帧，阶跃响应如图 11 所示. 常 规 PID 控制器控制下：扑翼飞行器分别在第 31 帧 （第 1 秒）和第 114 帧（第 3.8 秒）到达阶跃稳态值 的 10% 和 90%，上升时间为 2.8 s；单神经元 PID 控 制器控制下：扑翼飞行器分别在第 31 帧（第 1 秒） 和第 123 帧（第 4.1 秒）到达阶跃稳态值的 10% 和 90%，上升时间为 3.1 s；但是常规 PID 控制器的控 制精度较低，最大误差约为 7%，而单神经元 PID 的控制精度较高，扑翼飞行器在第 256 帧（第 8 秒） 后最大误差约为 3%. 通过分析实验结果，得出以下结论： （1）单神经元 PID 控制下，扑翼飞行器的飞行 高度响应速度稍微低于常规 PID 控制，但是控制 误差要明显小于常规 PID 控制下的控制误差，而 且不需要调节比例、积分、微分参数，做到了参数 自适应； （ 2）无论是常 规 PID 控制器还是单神经 元 PID 控制器，飞行高度误差总会出现周期性变化， 原因是相机成像具有近大远小的特点，单目相机 不能检测出飞行器与相机的距离，当扑翼飞行器 进行水平圆周运动时，就会周期性的远离或靠近 单目相机，导致检测到的飞行高度出现周期性的 变化，目标物体离单目相机越远，变化越小； （3）扑翼飞行器飞行过程中飞行姿态会发生 变化，从而影响外部相机捕捉蓝色标记点，降低了 控制精度； 可以采用多标记点的方法来降低系统 误差，但可能会增加系统的计算量，降低实时性； （4）扑翼飞行器的负载较低，机身所带发光标 记点功耗较低，亮度低. 由于采用外部单目相机捕 捉蓝色标记点的方法进行扑翼飞行器的识别与定 位，因此当扑翼飞行器自由飞行时，飞行半径过 大，摄像头难以检测到蓝色标记点，较难实现自由 自主飞行. 5    结论 本文针对扑翼飞行器的定高飞行控制，提出 了一种基于外部单目视觉的定高控制系统. 采用 蓝色 LED 灯作为扑翼飞行器标识点，利用单目相 机拍摄扑翼飞行器，通过图像处理算法获取标记 点在图像上的像素纵坐标，结合单神经元 PID 控 制器调节扑翼飞行器的电机转速，实现了基于图 像的扑翼飞行器定高飞行. 该系统不需要进行相 机的内外参数标定，使用成本低，简单易实现，具 有一定的应用价值. 参    考    文    献 He  W,  Ding  S  Q,  Sun  C  Y.  Research  progress  on  modeling  and control  of  flapping-wing  air  vehicles. Acta Automatica Sinica, 2017, 43（5）: 685 （贺威, 丁施强, 孙长银. 扑翼飞行器的建模与控制研究进展. 自 动化学报, 2017, 43（5）：685 ） [1] Mackenzie  D.  A  flapping  of  wings. Science,  2012,  335（6075）: 1430 [2] Jackowski  Z  J. Design and Construction of An Autonomous Ornithopter [Dissertation]. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2009 [3] Ryu  S,  Kwon  U,  Kim  H  J.  Autonomous  flight  and  vision-based target  tracking  for  a  flapping-wing  MAV  //  2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Daejeon, 2016: 5645 [4] Lin S H, Hsiao F Y, Chen C L, et al. Altitude control of flapping￾wing  MAV  using  vision-based  navigation  // Proceedings of the 2010 American Control Conference. Baltimore, 2010: 21 [5] Yang W Q, Wang L G, Song B F. Dove: a biomimetic flapping￾wing micro air vehicle. Int J Micro Air Vehicles, 2018, 10（1）: 70 [6] He  W,  Huang  H  F,  Chen  Y  N,  et  al.  Development  of  an autonomous flapping-wing aerial vehicle. Sci China Inf Sci, 2017, 60（6）: 063201 [7] 电脑 （上位机） 单目USB 摄像头 扑翼飞 行器 底座 三脚架 图 10    实物实验图 Fig.10    Physical experiment 280 270 260 250 240 230 220 210 200 100 200 300 400 500 600 (31, 215) (123, 237) (114, 237) (256, 247) 阶跃响应曲线 常规PID 单神经元PID 中心横线 中心横线纵坐标值×1.03 中心横线纵坐标值×0.97 纵坐标像素 帧数 图 11    PID 控制飞行高度曲线 Fig.11    Flight height curve of the PID controller 付    强等： 基于外部单目视觉的仿生扑翼飞行器室内定高控制 · 255 ·