光流模块在无人机中的应用

光流模块在无人机中的应用

一、 光流模块的作用

要想无人机能够稳定悬浮在空中，首先要能够实时的获取无人机的姿态和位移数据。姿态可以用IMU数据解算出来，而位移数据或者是位置数据就需要GPS、RTK、光流及测高模块等传感器提供。
光流模块基于数字图像处理技术，能够获取无人机的相对位移数据，也就是当前帧相对上一帧的位移，但该位移数据的单位是像素（简称像素位移），同一像素位移在不同的高度对应着不同的物理位移，实际的物理位移与像素位移和无人机高度的乘积成正比，所以使用光流模块时，通常还需要一个测距模块。市面上有很多光流测距一体模块，如凌启科技开发的双目测距及光流一体模块，该算法基于双目视觉，不但能输出光流及距离数据，还能测得无人机的旋转角度，旋转角度与地磁计融合后可以获得更加准确的航向角，该模块算法是一种比较新颖的技术方案，具有很好的扩展性。
将IMU的姿态数据和光流及测高模块的位移数据送入飞控中，经过滤波及融合处理后，飞控通过控制算法就可以控制无人机在空中稳定悬浮。常用的控制算法如串级PID等等，下面将基于串级PID控制算法介绍如何使用光流数据。

二、 飞控融合光流数据的方法

光流数据的使用方法通常分为两种，一种是光流数据和IMU数据单独使用，以一种逐层递进的方式控制无人机悬浮，具体如下图1：

图1 光流融合方式一
第二种是光流数据和IMU数据进行深度融合，然后再进行控制算法的运算，具体如下图2：

图2 光流融合方式二
在IMU、光流及测距数据都很稳定时，采用方式一无人机也可以稳定的悬浮，初学者建议采用这种方式。方式二首先需要进行复杂的数据融合，然后再进行PID控制，整个调试过程相对复杂，但方式二的抗干扰能力强。数据融合的思想就是将不同传感器的数据进行融合，而不是单独依赖某一个模块的数据，融合后的数据会更加稳定可靠。
对比方式一和方式二可知，其区别主要是方式二对输入到整个PID控制的最前端的数据进行了融合，不单独依赖光流数据，这样可保证最开始的目标更加稳定可靠，在控制系统中，目标值的稳定比精度更重要。

三、 光流模块使用过程中需要注意的问题

主要问题包括倾角补偿和光流数据的距离伸缩：
倾角补偿主要是因为当无人机产生倾角时，光流模块也会检测到位移，这是我们不想要的，所以需要利用IMU测得的倾角将这个值给补偿掉，不然无人机会左右摇晃。
具体的倾角补偿思路如图3，无人机开始处于状态1，发生小的倾角后，处于状态2，而此时对于光流模块而言，相当于无人机平移到了状态3，所以会测得Δx位移，而此时IMU测到了倾角β，当倾角较小时，Δx=Htan(β)=Hβ，所以可以用β来补偿Δx。

图3 倾角补偿原理
光流数据的距离伸缩主要是因为大部分光流模块输出的数据是像素位移，需要乘以高度后才能真正的表征无人机在物理世界中的位移，而凌启科技开发的双目测距及光流一体模块输出的光流数据本身就是无人机在物理世界中的位移，所以在使用该模块时，不用进行距离伸缩。