254 工程科学学报，第42卷，第2期 式中，是第个输入对应权重w(k)的学习率 后缓慢上升，稳定时间太长，则可降低，增大2 单神经元PD控制器的控制效果与单神经元 掌握调试规律后，一般可在10次以内调试出 的输出增益系数Ku、第个输入量的权重w、输入 合适的控制器参数 权重的学习率有关，在使用前需要进行调整，经 4实验验证 过多次实验，总结出以下调整规律： (1)K值的调整：先确定一个较小数值（如 4.1实验平台 0.1),根据实验结果进行调整，超调过大则减小K, 为了验证上述定高方案在实际环境下的可行 稳定时间太长就增大K; 性，搭建了基于外部单目视觉的X翼定高控制系 (2)权重w,的初始值：初始值对控制效果影响 统.系统由地面站软件和电脑、单目相机、三脚 不大，数量级在0.01到10之间即可，三个权重初 架、X翼扑翼飞行器、底座等硬件组成.地面站软 始值可保持一致： 件采用C+语言和Qt平台编写，图像处理部分基 (3)学习率的调整：若稳定时间太长，则增大 于OpenCV开源函数库.地面站软件主界面如图9， 和3；若响应从超调迅速下降至给定值以下，之 包含图像采集、定高控制和串口通讯三个子界面. 文件道助 单目视觉定高飞行实验平台 2019-01-2718:0024 实时曲线 0.0 3e0.0 () 0。 顿数 图学程示控制口设 物里标其：160Y:245 保标坐标红010 ☑曲 设定位五 20 ☑施h控制 0.018 停止伴弃 0.013 过 000m 图9地面站界面 Fig.9 Software interface of the ground station 单目相机采用USB高速摄像头，型号为QR- 置.启动地面站软件并打开摄像头和LED标识 USBFHDOIM.该摄像头能达到的最高分辨率为 灯，如果采用常规PD控制，则需在控制界面输入 1920像素×1080像素，但过高分辨率会降低系统的 PID控制参数：若采用单神经元PID控制则需要事 运行速度，因此本文采用的分辨率为640像素× 先对单神经元的初始权重和学习率进行调试，不 480像素，图像采样周期为33ms,即每秒30帧：地 用输入PID控制参数 面站所用电脑型号为华硕x555ld,CPU为酷睿i5- 4.2对比实验 4210U,主频1.7GHz.4G内存，Vindows10操作系统 在搭建好的实验平台上进行多次定高飞行实 如图10所示，单目USB摄像头固定在经过水 验，图像分辨率为640像素×480像素，中心横线的 平仪水平校准的三脚架平台上，通过USB接口接 纵坐标为240像素，扑翼飞行器的初始状态为自 入电脑，X翼的初始位置为自然垂落的最低点位 由下垂，纵坐标为212像素.在某一时刻提供阶跃ηi 式中， 是第 i 个输入对应权重 wi(k) 的学习率. Ku i wi ηi 单神经元 PID 控制器的控制效果与单神经元 的输出增益系数 、第 个输入量的权重 、输入 权重的学习率 有关，在使用前需要进行调整，经 过多次实验，总结出以下调整规律： Ku Ku Ku （ 1） 值的调整 ：先确定一个较小数值 （ 如 0.1），根据实验结果进行调整，超调过大则减小 ， 稳定时间太长就增大 ； （2）权重 wi 的初始值：初始值对控制效果影响 不大，数量级在 0.01 到 10 之间即可，三个权重初 始值可保持一致； ηi η1 η3 （3）学习率 的调整：若稳定时间太长，则增大 和 ；若响应从超调迅速下降至给定值以下，之 后缓慢上升，稳定时间太长，则可降低 η1 ，增大 η2. 掌握调试规律后，一般可在 10 次以内调试出 合适的控制器参数. 4    实验验证 4.1    实验平台 为了验证上述定高方案在实际环境下的可行 性，搭建了基于外部单目视觉的 X 翼定高控制系 统. 系统由地面站软件和电脑、单目相机、三脚 架、X 翼扑翼飞行器、底座等硬件组成. 地面站软 件采用 C++语言和 Qt 平台编写，图像处理部分基 于 OpenCV 开源函数库. 地面站软件主界面如图 9， 包含图像采集、定高控制和串口通讯三个子界面. 单目相机采用 USB 高速摄像头，型号为 QR￾USBFHD01M. 该摄像头能达到的最高分辨率为 1920 像素×1080 像素，但过高分辨率会降低系统的 运行速度，因此本文采用的分辨率为 640 像素× 480 像素，图像采样周期为 33 ms，即每秒 30 帧；地 面站所用电脑型号为华硕 x555ld，CPU 为酷睿 i5- 4210U，主频1.7 GHz，4 G 内存，Windows 10 操作系统. 如图 10 所示，单目 USB 摄像头固定在经过水 平仪水平校准的三脚架平台上，通过 USB 接口接 入电脑，X 翼的初始位置为自然垂落的最低点位 置. 启动地面站软件并打开摄像头和 LED 标识 灯，如果采用常规 PID 控制，则需在控制界面输入 PID 控制参数；若采用单神经元 PID 控制则需要事 先对单神经元的初始权重和学习率进行调试，不 用输入 PID 控制参数. 4.2    对比实验 在搭建好的实验平台上进行多次定高飞行实 验，图像分辨率为 640 像素×480 像素，中心横线的 纵坐标为 240 像素，扑翼飞行器的初始状态为自 由下垂，纵坐标为 212 像素. 在某一时刻提供阶跃 图 9    地面站界面 Fig.9    Software interface of the ground station · 254 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期