无人机光流模块使用技巧

无人机光流模块使用技巧

光流模块在无 GPS 环境下，课实时检测飞机水平移动距离，实现对四轴无人机长时间的稳定悬停。图1显示的是湖南优象LC-302光流模块的功能框图，光流摄像头拍摄无人机垂直向下的画面，输入光流主板，主板通过光流悬停智能算法进行光流计算，从而获取无人机位移信息，并转化为悬停控制指令，悬停控制指令通过 UART 输出给飞控，以便控制飞机水平移动距离，达到悬停的目的。

图 1 UPIXELS LC-302光流模块功能框图

一、LC-302外形尺寸结构图
LC-302的硬件部分主要为主板。如图2所示，主板尺寸结构示意图，尺寸分别为：长22mm、宽14mm。主板上主要的芯片为湖南优象公司研发的光流芯片U30。除了LC-302这款型号外，还有LC-306、LC-307和LC-309，其中LC-309尺寸最小，含U30、CMOS感光芯片和镜头一起，总共也只有10mm*10mm大小。
LC-302使用的是30万像素的CMOS作为感光器件，所有的配置使用U30芯片的默认配置，所以，模块一上电就可输出光流数据，不需要额外其他配置。

图 2 UP-FLOW-LC-302-3C产品结构图
二、LC-302接入飞控的方法
光流模块可以用UART接口连接飞控，UART数据格式为1个起始位，8个数据位，1个停止位，无校验位，波特率为19200。光流模块和飞控的接口线序如图3，其中UART_TXD，UART_RXD是以模块为参考， VCC为3.0V—5.0V供电电源输入。3.0V供电时最大功耗为90mW，5.0V供电时最大功耗150mW。

图 3 光流模块接线方式
三、光流模块初始化
光流模块上电后需由上位机通过UART接口初始化才能正常工作，光流模块上电到上位机初始化之间需至少延时100ms。
四、光流坐标系定义
光流的坐标系如图4所示，最终飞控获取数据，需根据飞控坐标系及光流的坐标系，做坐标转换。

图4 光流坐标系

五、LC-302光流模块对外输出数据结构定义
光流模块对外输出的数据结构定义如下：
typedef struct optical_flow_data
{
int16_t flow_x_integral; // X像素点累计时间内的累加位移(radians10000)
// [除以10000乘以高度(mm)后为实际位移(mm)]
int16_t flow_y_integral; // Y像素点累计时间内的累加位移(radians10000)
// [除以10000乘以高度(mm)后为实际位移(mm)]
uint16_t integration_timespan; // 上一次发送光流数据到本次发送的累计时间（us）
uint16_t ground_distance; // 预留。默认为999（0x03E7）
uint8_t valid; // 状态值:0(0x00)为光流数据不可用
//245(0xF5)为光流数据可用
uint8_t version; //版本号
} Upixels_OpticalFlow;

通过串口向飞控发送数据前，光流模块会对数据结构进行封包，实际发送的数据包格式如图6:

图 6 数据包协议图

六、光流调试注意事项
1.安装前注意镜头清理，确保镜头无污垢和保护膜遮挡。
2.安装时注意，光流板与地面水平，并与机体（飞控板）垂直，不能有偏角，固定后确保镜头无遮挡，比如连接线与起落架等。
3.若要考虑与加速度计融合，则需确保光流与加速度计物理方向的一致性。
3.当姿态变化较剧烈时应减少光流的比重，并用陀螺仪做好对光流的补偿，并注意光流与陀螺仪同步问题。
4.光流输出有少许毛刺，需要对数据进行低通虑波
5.PID控制上采用位置+速度的双环控制，并要加大i的作用。
6.在自主悬停时才启动光流，飞机起飞与打摇杆时，光流无效。

七、LC-302悬停问题速查小技巧
自主悬停是光流模块支持飞控实现的一种典型功能。也是调试光流需要首先调试的功能，悬停的质量往往直接决定光流与飞控配合质量。调试悬停问题时有如下小技巧。
7.1 完全没有悬停效果，现象与没接光流是一样的。首先应检查板子上电是否正常，硬件线是否连接好，镜头是否被遮挡，如果都没发现问题，再用上位机检查是否有数据输出。
7.2 飞机往某个方向乱飞，漂移更快，像失控的感觉，而没有加光流时反而漂移慢一些。可能是：
7.2.1 镜头安装方向与程序里写的方向不一致；
7.2.2 环境光线明暗变化比较大，比如有闪光灯；
7.2.3 光流镜头下地面上有大片的运动物体，比如在有风时的水面上；
7.2.4 程序中光流控制部分有些数据没清零，比如起飞时与打摇杆后积分量没清零；
7.3 飞机缓慢飘，方向随机，但又比没光流时要好，表现为无操作时，往一个方向飘后，还会往回飘。可能是地面环境纹理太差，比如纯净的木地板、水泥地面、反光大理石地面等，或者是环境光线太暗。
7.4 飞机开始时能够正常悬停，悬停一段时间后开始震荡，可能是：
7.4.1 气压计数据漂移很大，高度严重失真，导致光流数据与该高度相乘后输出值变大，控制超调；
7.4.2 光流与加速度计有融合，可能是温度变化比较大或飞机震动大，导致加速度计漂移严重；
7.5 飞机开始时能够正常悬停，悬停一段时间后开始一直往一个方向漂移，可能是：
7.5.1 程序算法处理上光流的权重是动态的，某些原因导致悬停时间长后，光流权重减弱，无法抑制漂移；
7.5.2 姿态解算的欧拉角由于震动或温度等出现较大误差，时间久后飞机本身姿态倾斜，光流最大输出后也补偿不了该误差；
7.6 飞机一开始就开始震荡，可能是：
7.6.1 PID控制参数太大了；
7.6.2 滤波比较厉害，使得输出数据有延时，造成低频震荡；
7.6.3 输入数据不平滑，PID控制中又有D项，使得飞机高频震荡；
7.6.4飞机的性能变差，比如电机、桨叶磨损，震动大，使得输入数据噪声变大；
7.6.5光流旋转补偿没有做好，尤其是数据同步与限幅。