光流模塊在無(wú) GPS 環(huán)境下，課實(shí)時(shí)檢測(cè)飛機(jī)水平移動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定懸停。圖1顯示的是湖南優(yōu)象LC-302光流模塊的功能框圖，光流攝像頭拍攝無(wú)人機(jī)垂直向下的畫(huà)面，輸入光流主板，主板通過(guò)光流懸停智能算法進(jìn)行光流計(jì)算，從而獲取無(wú)人機(jī)位移信息，并轉(zhuǎn)化為懸停控制指令，懸停控制指令通過(guò) UART 輸出給飛控，以便控制飛機(jī)水平移動(dòng)距離，達(dá)到懸停的目的。

圖 1 UPIXELS LC-302光流模塊功能框圖

LC-302外形尺寸結(jié)構(gòu)圖
LC-302的硬件部分主要為主板。如圖2所示，主板尺寸結(jié)構(gòu)示意圖，尺寸分別為：長(zhǎng)22mm、寬14mm。主板上主要的芯片為湖南優(yōu)象公司研發(fā)的光流芯片U30。除了LC-302這款型號(hào)外，還有LC-306、LC-307和LC-309，其中LC-309尺寸最小，含U30、CMOS感光芯片和鏡頭一起，總共也只有10mm*10mm大小。

LC-302使用的是30萬(wàn)像素的CMOS作為感光器件，所有的配置使用U30芯片的默認(rèn)配置，所以，模塊一上電就可輸出光流數(shù)據(jù)，不需要額外其他配置。

圖 2 UP-FLOW-LC-302-3C產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

LC-302接入飛控的方法/光流坐標(biāo)系定義
光流模塊可以用UART接口連接飛控，UART數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率為19200。光流模塊和飛控的接口線(xiàn)序如圖3，其中UART_TXD，UART_RXD是以模塊為參考， VCC為3.0V—5.0V供電電源輸入。3.0V供電時(shí)最大功耗為90mW，5.0V供電時(shí)最大功耗150mW。

光流模塊接線(xiàn)說(shuō)明:光流和飛控的 RX TX交叉連接，GND和VCC對(duì)應(yīng)連接即可。

光流的坐標(biāo)系如圖4所示，最終飛控獲取數(shù)據(jù)，需根據(jù)飛控坐標(biāo)系及光流的坐標(biāo)系，做坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

圖 3 光流模塊坐標(biāo)系/接線(xiàn)方式

光流模塊初始化
光流模塊上電后需由上位機(jī)通過(guò)UART接口初始化才能正常工作，光流模塊上電到上位機(jī)初始化之間需至少延時(shí)100ms。

LC-302光流模塊對(duì)外輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義
光流模塊對(duì)外輸出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct optical_flow_data

{
int16_t flow_x_integral; // X像素點(diǎn)累計(jì)時(shí)間內(nèi)的累加位移(radians*10000)

// [除以10000乘以高度(mm)后為實(shí)際位移(mm)]

int16_t flow_y_integral; // Y像素點(diǎn)累計(jì)時(shí)間內(nèi)的累加位移(radians*10000)

// [除以10000乘以高度(mm)后為實(shí)際位移(mm)]

uint16_t integration_timespan; // 上一次發(fā)送光流數(shù)據(jù)到本次發(fā)送的累計(jì)時(shí)間（us）

uint16_t ground_distance; // 預(yù)留。默認(rèn)為999（0x03E7）

uint8_t valid; // 狀態(tài)值:0(0x00)為光流數(shù)據(jù)不可用

//245(0xF5)為光流數(shù)據(jù)可用

uint8_t version; //版本號(hào)

} Upixels_OpticalFlow;

通過(guò)串口向飛控發(fā)送數(shù)據(jù)前，光流模塊會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封包，實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如圖6:

圖 6 數(shù)據(jù)包協(xié)議圖

光流調(diào)試注意事項(xiàng)
1.安裝前注意鏡頭清理，確保鏡頭無(wú)污垢和保護(hù)膜遮擋。

2.安裝時(shí)注意，光流板與地面水平，并與機(jī)體（飛控板）垂直，不能有偏角，固定后確保鏡頭無(wú)遮擋，比如連接線(xiàn)與起落架等。

3.若要考慮與加速度計(jì)融合，則需確保光流與加速度計(jì)物理方向的一致性。

3.當(dāng)姿態(tài)變化較劇烈時(shí)應(yīng)減少光流的比重，并用陀螺儀做好對(duì)光流的補(bǔ)償，并注意光流與陀螺儀同步問(wèn)題。

4.光流輸出有少許毛刺，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行低通慮波

5.PID控制上采用位置+速度的雙環(huán)控制，并要加大i的作用。

6.在自主懸停時(shí)才啟動(dòng)光流，飛機(jī)起飛與打搖桿時(shí)，光流無(wú)效。

LC-302懸停問(wèn)題速查小技巧
自主懸停是光流模塊支持飛控實(shí)現(xiàn)的一種典型功能。也是調(diào)試光流需要首先調(diào)試的功能，懸停的質(zhì)量往往直接決定光流與飛控配合質(zhì)量。調(diào)試懸停問(wèn)題時(shí)有如下小技巧。

7.1 完全沒(méi)有懸停效果，現(xiàn)象與沒(méi)接光流是一樣的。首先應(yīng)檢查板子上電是否正常，硬件線(xiàn)是否連接好，鏡頭是否被遮擋，如果都沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再用上位機(jī)檢查是否有數(shù)據(jù)輸出。

7.2 飛機(jī)往某個(gè)方向亂飛，漂移更快，像失控的感覺(jué)，而沒(méi)有加光流時(shí)反而漂移慢一些。可能是：

7.2.1 鏡頭安裝方向與程序里寫(xiě)的方向不一致；

7.2.2 環(huán)境光線(xiàn)明暗變化比較大，比如有閃光燈；

7.2.3 光流鏡頭下地面上有大片的運(yùn)動(dòng)物體，比如在有風(fēng)時(shí)的水面上；

7.2.4 程序中光流控制部分有些數(shù)據(jù)沒(méi)清零，比如起飛時(shí)與打搖桿后積分量沒(méi)清零；

7.3 飛機(jī)緩慢飄，方向隨機(jī)，但又比沒(méi)光流時(shí)要好，表現(xiàn)為無(wú)操作時(shí)，往一個(gè)方向飄后，還會(huì)往回飄。可能是地面環(huán)境紋理太差，比如純凈的木地板、水泥地面、反光大理石地面等，或者是環(huán)境光線(xiàn)太暗。

7.4 飛機(jī)開(kāi)始時(shí)能夠正常懸停，懸停一段時(shí)間后開(kāi)始震蕩，可能是：

7.4.1 氣壓計(jì)數(shù)據(jù)漂移很大，高度嚴(yán)重失真，導(dǎo)致光流數(shù)據(jù)與該高度相乘后輸出值變大，控制超調(diào)；

7.4.2 光流與加速度計(jì)有融合，可能是溫度變化比較大或飛機(jī)震動(dòng)大，導(dǎo)致加速度計(jì)漂移嚴(yán)重；

7.5 飛機(jī)開(kāi)始時(shí)能夠正常懸停，懸停一段時(shí)間后開(kāi)始一直往一個(gè)方向漂移，可能是：

7.5.1 程序算法處理上光流的權(quán)重是動(dòng)態(tài)的，某些原因?qū)е聭彝r(shí)間長(zhǎng)后，光流權(quán)重減弱，無(wú)法抑制漂移；

7.5.2 姿態(tài)解算的歐拉角由于震動(dòng)或溫度等出現(xiàn)較大誤差，時(shí)間久后飛機(jī)本身姿態(tài)傾斜，光流最大輸出后也補(bǔ)償不了該誤差；

7.6 飛機(jī)一開(kāi)始就開(kāi)始震蕩，可能是：

7.6.1 PID控制參數(shù)太大了；

7.6.2 濾波比較厲害，使得輸出數(shù)據(jù)有延時(shí)，造成低頻震蕩；

7.6.3 輸入數(shù)據(jù)不平滑，PID控制中又有D項(xiàng)，使得飛機(jī)高頻震蕩；

7.6.4飛機(jī)的性能變差，比如電機(jī)、槳葉磨損，震動(dòng)大，使得輸入數(shù)據(jù)噪聲變大；

7.6.5光流旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償沒(méi)有做好，尤其是數(shù)據(jù)同步與限幅。

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