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FPGA 开发项目参考

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项目名称：【安富利特别题目】基于四旋翼飞行器平台的目标识别系统    
 
项目信息：
 
应用领域：工业控制、科研、医疗
设计摘要：
民用无人机在森林防火、海事执法、灾情评估、核辐射探测、环境保护、应急救援、遥感测绘、资源勘探测绘等广泛的民用领域的需求日益增加。本项目所研究的飞行器平台目标识别系统，主要包括四轴飞行器飞控系统、目标识别系统、导航系统三个部分。该系统使用惯性器件采集飞行数据，通过惯导算法解算飞行器姿态，完成控制系统。使用摄像头采集视频信息，完成目标识别系统。使用GPS融合惯导数据，完成飞行器导航系统。部署Linux系统，根据实际需求可增添飞行任务。本设计从民用角度入手，演示社区安全监控及户外人员搜寻任务。
系统原理和技术特点：

       系统原理：

        本方案利用ZEDBoard实现基于四旋翼飞行器的目标识别系统。该飞行器能够自主飞行，通过摄像头采集地面或空中图像，通过图像识别算法检测目标系统，根据飞行任务制定进一步的飞行动作。

        本方案总体目标是搭建四旋翼飞行器平台，在平台上部署目标识别系统，完成空中的目标识别，可通过Linux系统添加飞行任务，例如目标跟踪、侦查、安全预警等。本方案本着方便演示的原则，从民用角度入手，完成户外人员搜寻及社区安全监控功能。

        为保证以上总体目标的实现，要达到以下三个具体目标：第一，飞行器平台稳定可靠，能根据需要做出各种飞行动作，完成灵活的飞行任务；第二，目标检测系统准确，目标识别系统是本方案的“眼睛”，需要目标识别系统准确判断待识别目标；第三，添加飞行任务方便，灵活的飞行任务赋予了本方案生命。

         本方案以XC7Z020为核心，读取传感器数据，包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计等，姿态解算后通过PID控制4个电机速度，根据4个电机速度控制飞行器姿态，完成飞行器平台搭建；读取摄像头数据，通过图像识别算法完成目标识别。在Cortex-A9内核中运行Linux系统，管理整个飞行器系统资源，并且方便添加、修改飞行任务。

        本方案软件包含控制算法和图像算法，均在XC7Z010芯片中完成，其中PS擅长处理控制算法，PL擅长处理图像算法，本方案力图在PL中完成所有图像算法和大部分控制算法，Linux只需管理添加修改飞行任务。

        飞控程序主要分为两部分，一是姿态解算，二是姿态控制。本方案飞行器不依赖遥控操作，需要完成自动飞行功能，因此姿态解算即成为飞控部分的核心算法。本方案采用四元数法进行姿态解算。姿态解算流程如下：读取陀螺仪、加速度计、磁力计等传感器数据，多传感器数据融合后得到角增量，计算出等效旋转因子，与上一时刻四元数迭代、单位正交化处理后得到当前姿态四元数，最后计算得坐标变化矩阵和欧拉角。经过PID算法计算各电机输出完成姿态控制。

        图像算法如下，系统初始化后根据任务根据目标图像进行识别训练，执行飞行任务时通过摄像头获取RGB图像，图像数据存放在缓存中，经过高斯滤波、减去背景、形态学滤波分离前景和背景，最后通过识别算法判断是否发现目标。

技术特点：

        1.使用四元数进行姿态解算       

        2.卡尔曼滤波数据融合

        3.PID算法姿态控制

        4.摄像头及辅助成像传感器捕捉图像

        5.Linux系统灵活添加飞行任务

系统框图：系统框图.jpg

系统框图：飞控流程图.jpg

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