电赛解析：飞行器用光流就逊了！这套高精度室内定位方案值得拥有

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今天分享的是G题国二，由南京邮电大学的刘俊杰、张汉骁、李俊杰设计完成。

效果演示

，时长03:44

赛题要求分析

本次的赛题的难点以及相应的应对方案：
1)地面为纯色，不利于光流定位。这个我们已有准备，使用T265双目摄像头+激光测距完成定位，而且借助植被边缘能够辅助矫正定位信息。
2)本题对于无人机的稳定和精度有很高的要求，格与格之间仅有50cm。双目摄像头精度较高，在稳定的状态下达到题目要求的精度是比较容易的。
3)灰白色与绿色难以区分。将RGB三通道分离，用G的部分减去R、B的部分，达到较稳定的区分效果。
4)找杆、扫码问题。这是一个比较经典的任务了，我们采用的方案是使用D435利用深度信息找到杆，并与其维持比较稳定的距离。
5)扫码时条形码规格太小。我们将白色纸条区域进行切割放大输入zbar进行识别，并预留比较长的时间扫码。

方案设计

下面为大家详细叙述我们的方案：


我们的飞机采用上下两层碳纤维板所构成的全防护机架，碳纤维板面合理的设计配合机架前后左右提供的切槽，可以很方便地根据题目搭载各个朝向的传感器。机架质量轻，但强度很高，全防护机架可以在无人机发生失控时较好地保护飞机和人的安全。


在经过性能和成本的反复考量后，我们选择Jetson Nano B02作为机载处理器, 基于Ubuntu环境装配ROS系统,其提供的丰富的包,强大的仿真系统和坐标变换等功能可以极大地方便我们开发。并且安装上mavlink包后,Jeston Nano可以同时进行图像信息处理与对飞控的指令控制。在赛前我们已经调测并封装完毕了很多功能，其中像找杆、识别圆降落等在这次比赛中节省了很多时间。
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由于本次比赛地面为纯色，仅靠光流定位会产生较大的误差,所以我们决定尝试更进阶的方案，经过多个类型传感器的调试和比较后，我们决定采用英特尔t265双目摄像头+激光定高+姿态传感器融合的方案。首先板载高性能处理器读取双目的位置信息和姿态信息,封装成mavlink包,经串口发送给主控。主控直接采集激光传感器的高度信息和icm20602的六轴数据, 再融合mavlink包解析后的数据便能得到较为精确可靠的位置姿态信息。虽说双目摄像头也能提供比较准确的高度信息，但是会偶尔会出现窜高的异常现象，为了安全我们赛前还是决定选择信任激光测距的高度信息。

针对这次赛题中的找杆扫码的要求，我们在飞机前向搭载了深度摄像头D435，能够方便地寻找深度信息较为明显的杆，并能够精确地控制与杆的距离，在保证安全的前提下完成扫码任务。比起单目测距和测距模块测距，精度和稳定度都要更佳。由于扫码时条形码规格太小,我们将白色纸条区域进行切割放大输入zbar进行识别，并预留比较长的时间扫码。

针对赛题中的识别色块和喷洒任务，我们还安装了向下的摄像头和激光笔。向下的摄像头将RGB三通道分离，用G的部分减去R、B的部分，达到较稳定的区分效果。并且借助植被边缘能够辅助矫正定位信息。

我们还提前设计了一块外接板，可用于模式切换、蜂鸣器和灯光显示。

赛题实现流程

由于基础部分与发挥部分相差不大，这里以发挥部分实现过程进行详解。


首先上电等待飞控数据融合稳定下来。然后按下相应按键进入完成发挥部分的模式，飞机起飞后先大致飞行至A点上方位置，随后开启摄像头将黑色区域——A点的重心处调节至飞机正下方，与此同时，以左边的边缘线为竖直标志物进行对准校正，以确保飞机在接下的飞行过程中不至于偏航。稳定后将起飞原点作为后续飞行的参考点，进入喷洒作业阶段，整个喷洒路线如下：

喷洒路线

喷洒过程中每移动一格稍作停顿，摄像头识别颜色并控制激光灯闪烁。得益于双目摄像头定位较高的精度，在整个飞行过程中飞行器仅需在角点处做一定检查。在判断地面颜色时，为了避免光线和白平衡的影响，我们将RGB三通道分离，令G的部分减去R和B的部分来判断色差（因为灰白色的RGB数值相同，而绿色的G要比另两个更高），此种方法的效果要比HSV色域或灰度信息等方法好得多。


喷洒作业结束后，飞行器在第20格上方自旋，在自旋过程中，通过前置的D435深度摄像头，寻找深度信息和颜色信息较为明显的竖杆，一旦飞行器方向对准竖杆，飞行器向前靠近至合适距离，向下匀速缓慢移动，拍摄到距离较近的白色区域——即印有二维码的纸条时，飞机悬停，将此白色纸条区域切割放大，直至利用zbar识别出二维码信息，飞机会回到1.5米处，若10秒后仍未识别出二维码，则会按照一个预先猜的一个“5”继续执行。然后向右1米撤到安全区域，（避免“回城”的时候撞到杆），调用函数直接回到最开始的位置和角度，在这个过程中按照题目要求，led闪烁，闪烁次数为识别到的数。为了提高准确度，降落过程中飞行器先下降至0.6m高，利用下降的摄像头调节至圆中心后，再向前规定距离后降落。减小了下降过程中飞机飘移带来的误差。

心得

1）注意安全，飞行器赛题相比于其他方向要危险得多，要尤为注意安全。平时调测时条件允许的话最好牵上绳子，至少可以降低炸机时的损失。同时也要注意人身安全，万万不可疏忽大意。
2）提前演练测评流程，受疫情影响，可能未来几年内的测评方式都会有所改变，在这种情况下最后对测评流程加以演练，避免因为对流程的不熟悉导致丢分。
3）赛前准备，飞行器是很吃赛前准备的一个方向，有一台稳定的飞行器能让整个做题过程省心不少。在实现指定距离、指定点、指定速度等这些基本功能后，可以适当的对一些比较很可能用到的功能进行调测，例如找杆绕杆、角点瞄准、识别圆降落等。尽管我们准备了很长时间，看到赛题的时候还是觉得很多东西理应提前弄好却没有去弄。
4）直面问题，训练过程中有很多异常现象经常能够通过各种手段直接规避掉，但是这些看似可以规避掉的小问题，很可能在未来其他试验中导致比较严重的后果。而就算它真的没有影响，未来出现毛病时你很难不怀疑它，这其中又会耗费很多多余的精力。


最后，非常感谢学校和学院给予我们的大力支持，感谢王健老师的指导和帮助！
文章链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/TmfCqy5_R1W2SG-tZMXrSQ
转载自：达尔闻说 ，作者刘俊杰等
文章链接：电赛解析：飞行器方案用光流就逊了！这套高精度室内定位方案值得拥有（G题国二）