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 251· 为室内.由于室内实验环境有限，为防止其飞出实 验范围并造成物品损坏，需要对扑翼飞行器的飞 翅膀 行范围加以限制. 尾部 如图1所示，X翼扑翼飞行器通过一根细线连 LED灯 接在一个带底座的钢管上，连接处安装有轴承来 保证其飞行过程中不会受到钢管的摩擦阻力.细 电机 线为扑翼飞行器提供了向心力，保证其绕杆进行 电池 控制电路板 圆周运动，同时还提供了向上的拉力，当扑翼飞行 图2X翼扑翼飞行器 器飞行时，向上拉力减小，没有改变扑翼飞行器的 Fig.2 FWAV with the X-wing 飞行高度与翅膀扑动频率正相关的关系，而扑动 频率由自身的空心杯电机的转速决定，要使扑翼 飞行控制电路板如图3所示，长39mm,宽 飞行器在图像上的坐标保持在中心横线处，需计 26mm,重3.8g,包含一颗32位的基于ARMCortex- 算出相应的电机转速.扑翼飞行器的飞行机理复 M3架构的低功耗芯片STM32L151、蓝牙通讯模 杂，运动参数较多且耦合性强，若通过建立运动模 块HC-06、电源转换模块、一个3.7V空心杯电机 型计算出特定飞行高度所需的电机转速，需要精 输出口和一个LED灯输出口，该电路板采用3.7V 确的运动模型，计算量大且需要对模型进行实验 电池供电。飞行过程中，控制电路板通过蓝牙模块 验证，将消耗大量时间，并且适用模型单一，推广 接收地面站发送的控制信号，控制空心杯电机的 性较差.因此本文采用单目相机拍摄扑翼飞行器 转速和LED灯的亮灭.控制电路板接收到地面站 的飞行图像，基于无模型单神经元PD控制系统 发送的控制信号后，便保持该控制状态，直到下一 控制扑翼飞行器在图像的中心横线附近飞行，实 次地面站的控制信号发送过来，降低了地面站的 现基于图像的定高飞行.当单目相机水平放置时， 通讯工作量 扑翼飞行器将与单目相机等高度飞行 电源接口 一扑翼飞行器的像 中心横线 主芯片 拍摄图像 轴承 LED输出口 L180 蓝牙模块 电机输出口 扑翼飞行器 单目相机 底座 图3飞行控制电路板 Fig.3 Flight control circuit board 图1问题描述示意图 Fig.I Illustration of the problem formulation 3.2视觉检测 3解决方案 单目相机的成像原理6如图4所示：世界坐 标系O-Xw YwZw中的点P(Xc,Ye,Zc)通过透视投影在 3.1扑翼飞行器 像平面成像，成像点为，像平面的像素坐标系以 本文的扑翼飞行器采用X翼结构，有两对翅膀， 像素点为单位，以图像左上角O点为原点，成像点 如图2所示.该扑翼飞行器重16g,翼展25cm,由 p在以Oo点为原点的坐标系中的坐标为(up,'p)由 于机身重量轻、翅膀面积小，所以抗风性能较弱， 于本文是控制扑翼飞行器始终处于图像的中心横 只适合在室内飞行.机身骨架由3D打印制成，具 线上，是基于图像而不是基于位置的飞行高度控 有轻巧、定制程度高的特点，翅膀采用聚氯乙烯薄 制，所以不需要进行相机的内外参数的标定工作. 膜制成.采用6mm空心杯电机和3.7V的70mAh 本文采用标记点检测法检测扑翼飞行器在图 锂电池.扑翼飞行器头部添加了一颗蓝色LED 像上的位置信息，采用主动发光标记点，即LED 灯，作为标记点，并且搭载了自主研发的飞行控制 灯，相比较被动式标记点例如红外反光标记点，不 电路板 需要额外的红外光源和红外相机，使用成本低，适为室内. 由于室内实验环境有限，为防止其飞出实 验范围并造成物品损坏，需要对扑翼飞行器的飞 行范围加以限制. 如图 1 所示，X 翼扑翼飞行器通过一根细线连 接在一个带底座的钢管上，连接处安装有轴承来 保证其飞行过程中不会受到钢管的摩擦阻力. 细 线为扑翼飞行器提供了向心力，保证其绕杆进行 圆周运动，同时还提供了向上的拉力，当扑翼飞行 器飞行时，向上拉力减小，没有改变扑翼飞行器的 飞行高度与翅膀扑动频率正相关的关系，而扑动 频率由自身的空心杯电机的转速决定，要使扑翼 飞行器在图像上的坐标保持在中心横线处，需计 算出相应的电机转速. 扑翼飞行器的飞行机理复 杂，运动参数较多且耦合性强，若通过建立运动模 型计算出特定飞行高度所需的电机转速，需要精 确的运动模型，计算量大且需要对模型进行实验 验证，将消耗大量时间，并且适用模型单一，推广 性较差. 因此本文采用单目相机拍摄扑翼飞行器 的飞行图像，基于无模型单神经元 PID 控制系统 控制扑翼飞行器在图像的中心横线附近飞行，实 现基于图像的定高飞行. 当单目相机水平放置时， 扑翼飞行器将与单目相机等高度飞行. 3    解决方案 3.1    扑翼飞行器 本文的扑翼飞行器采用 X 翼结构，有两对翅膀， 如图 2 所示. 该扑翼飞行器重 16 g，翼展 25 cm，由 于机身重量轻、翅膀面积小，所以抗风性能较弱， 只适合在室内飞行. 机身骨架由 3D 打印制成，具 有轻巧、定制程度高的特点，翅膀采用聚氯乙烯薄 膜制成. 采用 6 mm 空心杯电机和 3.7 V 的 70 mA·h 锂电池. 扑翼飞行器头部添加了一颗蓝色 LED 灯，作为标记点，并且搭载了自主研发的飞行控制 电路板. 飞行控制电路板如图 3 所示 ，长 39 mm，宽 26 mm，重 3.8 g，包含一颗 32 位的基于 ARMCortex￾M3 架构的低功耗芯片 STM32L151、蓝牙通讯模 块 HC-06、电源转换模块、一个 3.7 V 空心杯电机 输出口和一个 LED 灯输出口，该电路板采用 3.7 V 电池供电. 飞行过程中，控制电路板通过蓝牙模块 接收地面站发送的控制信号，控制空心杯电机的 转速和 LED 灯的亮灭. 控制电路板接收到地面站 发送的控制信号后，便保持该控制状态，直到下一 次地面站的控制信号发送过来，降低了地面站的 通讯工作量. 3.2    视觉检测 O− XwYwZw P(Xc,Yc,Zc) p O0 p O0 ( up, vp ) 单目相机的成像原理[16] 如图 4 所示：世界坐 标系 中的点 通过透视投影在 像平面成像，成像点为 ，像平面的像素坐标系以 像素点为单位，以图像左上角 点为原点，成像点 在以 点为原点的坐标系中的坐标为 . 由 于本文是控制扑翼飞行器始终处于图像的中心横 线上，是基于图像而不是基于位置的飞行高度控 制，所以不需要进行相机的内外参数的标定工作. 本文采用标记点检测法检测扑翼飞行器在图 像上的位置信息，采用主动发光标记点，即 LED 灯，相比较被动式标记点例如红外反光标记点，不 需要额外的红外光源和红外相机，使用成本低，适 扑翼飞行器的像 中心横线 拍摄图像 单目相机 扑翼飞行器 轴承 底座 图 1    问题描述示意图 Fig.1    Illustration of the problem formulation 翅膀 控制电路板 尾部 LED 灯 电池 电机 图 2    X 翼扑翼飞行器 Fig.2    FWAV with the X-wing LED 输出口 电机输出口 电源接口 主芯片 蓝牙模块 图 3    飞行控制电路板 Fig.3    Flight control circuit board 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 · 251 ·