IARC第7代任務的機載計算解決方案

　　1.3 避障部分

　　避障部分主要由激光雷達組成，激光雷達測距系統包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統。這里選用日本北陽株式會社產的Hokuyo UTM-30LX激光雷達，如圖5所示，此款雷達有270度的測量范圍和30米的測試距離，總重270g，滿足飛行器避障模塊的要求。

　　2 軟件結構

　　軟件結構主要可以分為4個部分：定位、目標識別與跟蹤、高度控制和避障。幾個模塊之間是互相獨立又互相聯系的，整個控制回路最后數據融合輸出到飛行器硬件平臺。在ROS框架下有很多開源的包可以利用，各個軟件模塊都在ROS下實現。軟件整體結構如圖6所示，下面分塊介紹逐個模塊的實現。

　　2.1 TLD算法

　　TLD(Tracking-Learning-Detecting)由英國薩利大學的Zdenek Kalal提出^[5]。TLD是一種穩定、魯棒、可靠的長時間跟蹤算法。該算法研究的出發點是單獨地運用現有跟蹤算法或檢測算法都無法長時間地跟蹤目標。Kalal創造性地將跟蹤算法和檢測算法相結合來解決跟蹤目標在被跟蹤過程中發生的形變、部分遮擋等問題，同時，通過一種改進的在線學習機制不斷更新跟蹤模塊的“顯著特征點”和檢測模塊的目標模型及相關參數，從而使得跟蹤效果更加理想。

　　在此系統中，為了保持好的追蹤效果。根據地面機器人在圖像中的位置，引入一個PD控制器，使飛行器保持在地面機器人上方。控制器的輸入是攝像頭畫面中央的像素位置，反饋值是實際捕捉到的地面機器人在圖像中的位置，控制框圖如圖7所示，根據實驗調整PD參數而使地面機器人保持在圖像的中央。圖8顯示了飛行器識別出的地面機器人，圖9顯示飛行器正在跟蹤地面機器人。

　　2.2 高度控制算法

　　根據實際飛行器實驗和悟空控制系統的說明^[6]，測試到油門信號與飛行器的實際升降有對應關系，具體如圖10所示。油門PWM信號占空比分子在1000到2000之間變化，當在1450到1550之間時，悟空控制系統會使飛行器會自動鎖定當前高度，根據這一特點設計了開關控制器，當高度低于給定值將占空比分子設置成1580，這樣飛行器會緩緩上升。當高度高于給定值時設成1430，這樣飛行器緩緩下降。并設置實際值在給定值上下5cm不作控制，即自動鎖定當前高度。如圖11，實驗時給定值在0.5m—1m—1.5m切換時，飛行器能及時達到給定值。在打舵的時候，飛行器高度會有所改變，該控制器也能及時調整達到設定高度。圖11中直線表示給定高度，綠線表示飛行器的實際高度，在時間10s附近開啟高度控制器。

　　3 結束語

　　基于國際空中機器人大賽第7代任務，本文提出了一種機載設備的實現方法，并詳細介紹了該方法的硬件平臺和軟件模塊。此方法完成了定位、高度控制、障礙物規避和單一地面機器人識別與跟蹤。飛行器續航能力有限且比賽時間有一定要求，所以要完成比賽a階段的追趕目標，上層的策略模塊還需要進一步完善。比賽的b階段增加了飛行器的同臺博弈，因此還需要更多的實驗以增加系統的魯棒性。

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