优象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

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

LC-302接入飞控的方法/光流坐标系定义
   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。

光流模块接线说明:光流和飞控的 RX TX交叉连接，GND和VCC对应连接即可。

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 3 光流模块坐标系/接线方式

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。

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(radians*10000)

                           // [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(radians*10000)

                              // [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:

 

序号		包数据	内容说明
1	包  头	0xFE	数据包的开始标识(固定值0xFE)
2		0x0A	光流数据结构体字节数（固定值0x0A）
3	光 流 数 据 结 构 体	flow_x_integral的低字节	X像素点累计时间内的累加位移, (radians*10000) [除以10000乘以高度(mm)后为实际位移(mm)]
4		flow_x_integral的高字节
5		flow_y_integral的低字节	Y像素点累计时间内的累加位移，(radians*10000) [除以10000乘以高度(mm)后为实际位移(mm)]
6		flow_y_integral的高字节
7		integration_timespan的低字节	上一次发送光流数据到本次发送光流数据的累计时间（us）
8		integration_timespan的高字节
9		ground_distance的低字节	预留。默认为999（0x03E7）
10		ground_distance的高字节
11		valid	状态值：0(0x00)为光流数据不可用，245(0xF5)为光流数据可用
12		version	光流模块的版本号
13	校验值	Xor	光流数据结构体（Byte 3~Byte 12）10个字节的异或值
14	包  尾	0x55	数据包的结束标识(固定值0x55)

图 6  数据包协议图

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。

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。

 

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