重磅!最新赛题分析:2018年TI杯大学生设计竞赛B题

2018年07月23日

       炎热夏季持续高温,相信各位集训电赛的老师和同学正在挥汗如雨。今年开始,我们在公布赛题的期间,德研电科总工和各位工程师们也会在第一时间给出赛题分析,供各位选手参考。

2018年TI杯大学生设计竞赛B题:灭火飞行器(本科)赛题分析和工作建议:

1、赛题要求从起飞点飞往灭火防区,发现火源后,进行灭火动作,完成灭火工作之后返航,其中返航要求穿越指定的矩形框;其中技术动作要点:

(1)起飞悬停:这是四轴飞行器的基本动作要领,要求垂直起飞至1.5m高度,并悬停15秒。在飞行稳定的前提下,需要学生精确测量和控制飞行高度、实现悬停性能较好。

①  高度控制可以采用TOF测距或者超声波测距装置实现精确控制,而这两种测距装置需要做好硬件抗震对数据干扰的工作,同时建议在测量数据之后做好数据处理,如卡尔曼滤波等算法。

②  悬停效果一般采用光流传感器辅助飞行稳定和悬停技术,而光流传感器依赖周边光照环境以及地面纹理状态,我们需要控制光照均匀无强烈对比环境光源,如日光或者室内霓虹灯类的点光源。同时地面避免反光材料,建议有一定纹理的地面环境,这会有助于光流传感器的反馈数据效果。

③  上述两种技术要领的实施,如果能够配合上全局的UWB定位技术,可以让无人机飞行稳定度有进一步保障。目前室内UWB定位系统能够做到10cm以内的水平和垂直定位精度,满足赛题要求。

(2)防区覆盖飞行(查找火源):其实现要点有 防区的抵达、防区覆盖飞行两点。

①  防区抵达如果通过UWB定位系统的配合,实现比较简单。如果没有UWB定位系统,则需要做目标位置的尝试飞行。在抵达防区附近,需要做区域搜索动作,一直到区域覆盖飞行的起点。根据赛题要求,可以做简单的巡线飞行至离起落点最近的顶点。无人机系统应当具备一个图像处理模块,进行顶点识别,然后进入覆盖飞行阶段。

②  防区覆盖飞行需要根据图像处理的输入视野大小和整个防区面积,计算和规划一个最优的防区覆盖飞行路线。覆盖飞行的质量同样取决于定位准确度、飞行稳定度等几个四轴飞行器的性能,并在接近防区边缘区域,可以通过图像处理模块进行终点发现,并做好飞行控制的掉头处理。如果飞行器能够执行前进和后退两种飞行,掉头处理比较简单实现;如果只能单向飞行,则掉头控制是比较挑战的动作,注意此时最好做悬停旋转,避免掉头同时飞行时的偏航。

(3)发现火源并灭火:实现要点是火源发现算法、灭火动作执行。

①  火源飞行最好利用红色LED的颜色识别以及周边20cm圆形区域识别同时判断。因为根据实际测试,LED颜色识别容易受环境光照条件影响现场发挥。红色LED发光二极管尽量在允许范围内采购或者制作光强足够的LED灯。在允许的范围内,如果能够采用慢闪的LED是有助于火源识别,避免环境影响。

②  灭火动作的执行比较挑战飞行控制,同样会依赖飞行器的飞行稳定度。发现火源之后,即可打开飞行器上的激光二极管,进入灭火模式,因为是覆盖飞行模式,所以火源在飞行器的前方、前左、前右等三个方向。可以根据激光二极管位置与火源位置的偏差进行飞行航路修正,此时可放慢飞行速度,直至激光二极管的光点在火源周边20cm的圆圈内,飞行器做悬停动作。这里如果激光二极管能够做微动横向覆盖视野内任意位置,则飞行器飞行控制仅需前进后退飞行控制,否则则需要飞行器需要执行侧移动作,可能对后续覆盖飞行效果有影响。无论前向的飞行控制、侧向的飞行器侧移或者激光二极管侧偏动作,都需要PID算法控制,这样才能完美实现灭火动作的执行。

③  如果确定已知火源数量,则可以在灭火数量足够情况下开启返航动作,否则只能完全实现覆盖飞行后开启返航动作。

(4)返航穿越动作:该动作分矩形框发现和矩形框穿越动作两个步骤。

①  发现阶段,可以通过定位系统或者大致位置尝试,用前向摄像头进行特征发现。该步骤中因为空中图像的背景复杂,可能要求图像处理模块有较强的处理能力,需要加上更加鲁棒的识别算法,以避免环境背景图像对算法的影响。如果盲动尝试,前向摄像头的处理模块性能越强,可以更快发现,或者采用原点悬停,逐步旋转发现方法。发现矩形框之后,启动穿越动作。

②  穿越动作分靠近和穿越动作,靠近是让矩形框逐渐占据图像视野更大面积,从而可以通过矩形框位置来计算中心位置与自身位置的偏差。一旦确认两个中心位置,可以采用PID调整飞行航路。而在矩形框没有占据视野足够面积之前,建议飞行器做悬停转向调整中心位置并放慢靠近速度,避免飞行中发生碰撞。而确认足够面积和中心偏差足以支持穿越,则启动穿越动作,用黑框在图像中的变化,来微调修正飞行航路。使之飞行器在矩形框正面且中心位置穿越。这里需要注意的是,飞行器可能在矩形框的侧面,靠近过程中会发现上下黑框变大,而左右黑框不变或者变化很小,甚至只有一条黑框,则表明飞行器应当保持距离的绕飞,从而使得飞行器处于黑框的正面。

(5)返航降落:该动作的执行要领是在经过一系列飞行之后,依旧没有迷失飞行方向。分返航点搜寻和悬停降落。

①  返航点搜寻:如果有UWB定位系统协助,飞行器执行相对容易,否则需要过程记录自身飞行数据,来推算自身位置后,靠近返航点。此时可以开启对地摄像头进行返航点发现,并修改飞行航路。

②  返航点处于对地摄像头视野中心位置,则开启降落动作。

2、为了执行上述各动作,需要依赖如下部件:

(1)飞控系统和飞行器本体:今年四轴飞行器赛题对飞行稳定度要求有进一步提高,飞行稳定性能对赛题实现有巨大帮助。为了实现更好的巡航飞行,如果飞行器能够前进和后退飞行,对覆盖飞行中的转弯掉头有很大帮助。否则建议掉头动作在悬停时完成,避免偏航。

(2)光流传感器:由于在室内完成无人机,稳定飞行需要依赖光流传感器来协助飞行稳定;

(3)测高的超声波或者TOF装置,对飞行器的高度感知有直接影响;

(4)UWB定位传感器:UWB定位传感器可以在全局范围内协助飞行器的自身位置感知,有利于大多数动作执行和修正;该模块不仅对横向位置、高度位置均可以实现同等精度的感知,可以与上述的光流传感器、测高传感器融合给出更好的位置感知;

(5)对地摄像头及其图像处理模块:所有地面信息处理和地面目标捕捉,依赖本部件完成,需要完成地面巡线动作、圆圈识别、顶点识别、火源/发光二极管识别等基本算法,同时能够根据图像目标进行PID飞行控制;

(6)对空摄像头及其图像处理模块:穿越所依赖的是该摄像头模块,同样需要目标识别和PID飞行;这里需要识别矩形框与飞行器的相对位置,尤其是侧边时的对策;

(7)激光笔:这是今年赛题中唯一的执行器,如果激光笔能够做横向转向可以降低飞行难度,但增加运动部件和控制,需要用户自行评估。

3、赛题解题建议:

(1)四轴飞行器题目稳定飞行、位置感知是常年不变的技术要领,需要小组在赛前能够做好一架能够稳定飞行、精确位置感知的无人机,对解题有非常大的帮助,也降低很多技术动作的执行难度;

(2)今年赛题同样围绕精确的位置感知算法、通过位置感知与目标位置偏差造成飞行修正算法(含PID算法)、图像目标识别并识别目标与飞行器偏差的PID修正飞行算法;这些内容的基本动作和算法最好也赛前有所准备,赛中需要根据题意具体落实某种目的的具体实施、测量、执行、优化动作;

(3)今年增加了对空摄像头的图像处理,因为对空背景场景将出现很多复杂情况,要么需要非常鲁棒的算法,要么需要背景做好控制,譬如调试期间、比赛演示期间背景情况做到控制;

(4)建议小组第一天将所有器材准备好,第一、第二天需要根据今年赛题平时算法模块整合好完整的程序框架,第二天开展参数优化、PID调整、测试和优化工作。第三天开展调优和完善阶段。

从2015年开始,德研陆续推出了全系列TI的无人机教学平台,多学科机器人教学平台,飞控实验模块,机器视觉模块等系列,供各位老师同学们选用,我们的公众号:deyaniot ,QQ讨论群:413128244 ,欢迎大家关注并交流。


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