張 雷，邱亞峰，孟 瑞

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六旋翼飛行器紅外探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

張 雷，邱亞峰，孟 瑞

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為了在人員無(wú)法到達(dá)的位置進(jìn)行探測(cè)，設(shè)計(jì)出以六旋翼飛行器為搭載平臺(tái)的紅外探測(cè)系統(tǒng)。因?yàn)閲?guó)內(nèi)外沒(méi)有一家將紅外可見(jiàn)光融合系統(tǒng)與六旋翼飛行器系統(tǒng)融于一體的科研單位，因此該項(xiàng)目尚處于探索階段。將先行進(jìn)行紅外探測(cè)系統(tǒng)與連接云臺(tái)的設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)水平方向可360°，俯仰可－90°～＋30°轉(zhuǎn)動(dòng)，之后對(duì)所設(shè)計(jì)的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同視場(chǎng)得到的圖像，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的六旋翼飛行器紅外探測(cè)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

六旋翼飛行器；紅外探測(cè)系統(tǒng)；連接云臺(tái)；圖像采集

0 引言

現(xiàn)在對(duì)于大家來(lái)說(shuō)旋翼式飛行器都不陌生，許多工科類(lèi)院?；蛳嚓P(guān)研發(fā)公司都在進(jìn)行多旋翼飛行器的開(kāi)發(fā)，目前比較普遍的有四旋翼飛行器、六旋翼飛行器，它們已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而紅外可見(jiàn)光融合系統(tǒng)是指將輕型紅外探測(cè)器與可見(jiàn)光（CCD）探測(cè)器捕獲的圖像進(jìn)行綜合，鑒于圖像融合技術(shù)的重要性，世界上大部分發(fā)達(dá)國(guó)家包括部分發(fā)展中國(guó)家都競(jìng)相投入大量人力、財(cái)力和物力進(jìn)行圖像融合技術(shù)的研究，并已取得豐碩成果。例如美國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于人眼彩色視覺(jué)原理的融合方法已在1999年開(kāi)發(fā)出紅外與可見(jiàn)光融合的夜視系統(tǒng)裝置、手持式及頭戴式雙傳感器夜視鏡等[1]。但是目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一家將紅外可見(jiàn)光融合系統(tǒng)與六旋翼飛行器系統(tǒng)融于一體的科研單位，因此該項(xiàng)目尚處于探索階段，本文的目的是設(shè)計(jì)出可以與六旋翼飛行器連接的紅外可見(jiàn)光融合系統(tǒng)和用于連接兩者的云臺(tái)結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的可行性。

1 技術(shù)要求與工作原理

1.1 技術(shù)要求

根據(jù)需要在空中對(duì)惡劣地理環(huán)境進(jìn)行圖像采集、同時(shí)又要適用于黑暗環(huán)境的特點(diǎn)，確定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 工作原理

本文將以六旋翼飛行器作為探測(cè)器的搭載平臺(tái)。參照技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)水平方向360°全方位以及豎直方向－90°～＋30°區(qū)域的監(jiān)控掃描，該角度范圍主要依靠飛行器云臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，飛行器云臺(tái)依靠3個(gè)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)和一定角度范圍的俯仰運(yùn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求飛行器負(fù)載平臺(tái)需要將該探測(cè)器送到合適的位置并保持懸停狀態(tài)，完成圖像信息采集[2]。

探測(cè)器由輕型紅外探測(cè)器與CCD探測(cè)器組成。CCD探測(cè)器在光線良好的情況下可探測(cè)較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，對(duì)外界環(huán)境因素的依賴性較大，而紅外探測(cè)器則不易受外界環(huán)境因素干擾，可以全天候工作，無(wú)需借助其他光源便可對(duì)熱輻射源進(jìn)行探測(cè)[3]。探測(cè)器圖像分為兩路經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備傳輸至地面圖像融合處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，可以輸出單路視頻，也可輸出融合視頻，供選擇分析采用。DSP圖像融合系統(tǒng)主要由前端的探測(cè)模塊[4]和圖像融合電路板組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 紅外可見(jiàn)光融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像融合探測(cè)器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的紅外可見(jiàn)光融合系統(tǒng)的探測(cè)器根據(jù)表1中的技術(shù)指標(biāo)選擇可見(jiàn)光探測(cè)器和紅外探測(cè)器：可見(jiàn)光探測(cè)器所使用的CCD是Watec公司的WAT-902H2（PAL）型高分辨率高靈敏度彩色攝像機(jī)。該探測(cè)器采用1/3In CCD圖像傳感器，有效像素?cái)?shù)為752（H）×582（V），重量約140g，具有功耗低、體積小、重量輕、成像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。探測(cè)器的鏡頭是中聯(lián)科創(chuàng)的VM08050MP型可見(jiàn)光鏡頭，焦距范圍8～80mm，視場(chǎng)角7.2°～41°，重量約100g；紅外探測(cè)器采用的是廣州颯特公司的HR320型非制冷紅外熱成像機(jī)芯，工作波段8～14mm，分辨率384×288，并配有電控調(diào)焦紅外鏡頭，視場(chǎng)角11°～8.2°，焦距5m～￥。

2.2 圖像融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖像視頻采集的質(zhì)量不僅與紅外探測(cè)器、CCD探測(cè)器及無(wú)線傳輸模塊性能參數(shù)有關(guān)，還與輕型紅外與CCD融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相關(guān)。該融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是保持兩套探測(cè)器視場(chǎng)大小相同并且有效重合，視場(chǎng)即通過(guò)探測(cè)器觀測(cè)到的可視域的大小，兩套探測(cè)器視場(chǎng)完全重合才能保證得到更好的融合圖像質(zhì)量。為滿足視場(chǎng)重合要求，探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

表1 探測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

圖1 紅外圖像融合系統(tǒng)原理框圖

圖2可見(jiàn)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其各零部件的裝配關(guān)系，為保證紅外與CCD探測(cè)器光軸平行，這兩部分安裝于前面板上，紅外探測(cè)器固定安裝在前面板右側(cè)，使其軸線垂直于前面板，CCD探測(cè)器由鏡頭固定圈連接到前面板上，該部分可以微調(diào)，三維裝配圖如圖3(a)所示，實(shí)物如圖3(b)所示。

鏡頭固定圈上下設(shè)計(jì)2個(gè)3通孔，左右設(shè)計(jì)兩個(gè)M3螺紋孔，鏡頭固定圈與前面板用兩根固定銷(xiāo)連接，探測(cè)器與鏡頭固定圈裝配到位后用兩個(gè)指螺緊固，保證探測(cè)器可以與固定圈一起繞固定銷(xiāo)小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，便于調(diào)節(jié)CCD探測(cè)器的視場(chǎng)使其與紅外探測(cè)器視場(chǎng)重合。左側(cè)面板與支撐板分別設(shè)計(jì)一個(gè)圓柱凸臺(tái)，并在凸臺(tái)中心設(shè)計(jì)一螺紋通孔，將CCD探測(cè)器調(diào)節(jié)精準(zhǔn)之后用兩根螺釘安裝在凸臺(tái)螺紋孔中并且擰緊使其分別頂住探測(cè)器左右兩側(cè)。

2.3 圖像融合系統(tǒng)光軸調(diào)校

配準(zhǔn)前可見(jiàn)光探測(cè)器和紅外探測(cè)器拍攝到的靶標(biāo)圖像[5]以及它們的融合圖像如圖4所示?？梢?jiàn)光圖像4(a)中靶標(biāo)成黑色十字線，紅外圖像4(b)中靶標(biāo)成白色十字線。在融合圖像4(c)中兩個(gè)十字線位置錯(cuò)開(kāi)，水平方向相差15個(gè)像素，垂直方向相差13個(gè)像素，紅外探測(cè)器分辨率為384×288，視場(chǎng)角為11°～8.2°，根據(jù)公式(1)計(jì)算可得[6]，可見(jiàn)光探測(cè)器和紅外探測(cè)器水平方向光軸偏差7.5mrad，垂直方向光軸偏差6.5mrad：

式中：為探測(cè)器的視場(chǎng)角；為該視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)；為該方向上十字線偏差像素?cái)?shù)；為光軸偏差量，mrad。

1.接收機(jī)1 2.電池 3.左側(cè)面板 4.CCD探測(cè)器 5.鏡頭固定圈 6.CCD鏡頭 7.底板 8.接收機(jī)2接收機(jī)盛放盒 10.上面板 11.支撐板 12.紅外探測(cè)器 13.調(diào)節(jié)孔 14.紅外鏡頭

圖2 探測(cè)系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of detection system

以輕型紅外探測(cè)器為基準(zhǔn)對(duì)CCD探測(cè)器安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到配準(zhǔn)后可見(jiàn)光探測(cè)器和紅外探測(cè)器拍攝到的靶標(biāo)圖像以及它們的融合圖像如圖5所示，可見(jiàn)光圖像5(a)與紅外圖像5(b)中的靶標(biāo)重合，誤差在一個(gè)像素以內(nèi)，根據(jù)公式(1)計(jì)算可得，可見(jiàn)光探測(cè)器和紅外探測(cè)器水平方向光軸偏差0.5mrad，垂直方向光軸偏差0.5mrad，符合設(shè)計(jì)要求。

3 連接云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，云臺(tái)除用于安裝紅外可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)外，還需要實(shí)現(xiàn)水平方向360°，俯仰－90°~＋30°轉(zhuǎn)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)的云臺(tái)由3種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成：縱向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)?？v向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要起到兩個(gè)作用：第一作為飛行器與探測(cè)系統(tǒng)提供銜接，第二保證飛行器云臺(tái)具備360°全方位轉(zhuǎn)動(dòng)能力，保證探測(cè)監(jiān)視的快速響應(yīng)特性；橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用分為：增穩(wěn)作用，保持云臺(tái)安裝探測(cè)系統(tǒng)的載物臺(tái)面保持水平；俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用：變換探測(cè)系統(tǒng)拍攝角度，保證能夠探測(cè)到仰角15°以下的任意目標(biāo)物（角度低于15°，主要考慮兩點(diǎn)：①飛行器能夠飛到制定點(diǎn)進(jìn)行圖像采集活動(dòng)；②角度大于15°會(huì)導(dǎo)致機(jī)臂頭端包括無(wú)刷電機(jī)、旋翼進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)）[7]。

3.1 縱向周轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在縱向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，要求云臺(tái)整體水平旋轉(zhuǎn)速度不能過(guò)快，轉(zhuǎn)速過(guò)高不易控制合理的定位，轉(zhuǎn)速過(guò)慢不能夠及時(shí)跟蹤目標(biāo)物，造成圖像采集延遲，最好能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速控制在0.15r/s左右。舵機(jī)轉(zhuǎn)速由無(wú)負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過(guò)60°角所需時(shí)間來(lái)衡量，常見(jiàn)舵機(jī)的速度一般在0.11s/60°～0.21s/60°之間[8]。換算成轉(zhuǎn)速為：0.794r/s～1.515r/s，若將舵機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算云臺(tái)轉(zhuǎn)速需計(jì)算傳動(dòng)比，依據(jù)公式(2)：

＝a/b＝ba＝a/b＝b/a(2)

式中：為傳動(dòng)比；a、a、a、a分別為舵機(jī)齒輪的角速度、轉(zhuǎn)速、直徑、齒數(shù)；b、b、b、b分別為云臺(tái)齒輪的角速度、轉(zhuǎn)速、直徑、齒數(shù)。

由云臺(tái)轉(zhuǎn)速及舵機(jī)轉(zhuǎn)速范圍可計(jì)算出傳動(dòng)比的范圍：5.3＜＜10.1。因此在負(fù)載不大的情況下優(yōu)先考慮小傳動(dòng)比設(shè)計(jì)，齒輪傳動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求，根據(jù)傳動(dòng)比范圍選用傳動(dòng)比＝6，連接情況如圖6所示。圖6中可清晰看出各零部件之間的裝配關(guān)系，即銷(xiāo)軸用于飛行器升力單元與落地支撐單元的銜接。舵機(jī)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于大齒輪與飛行器動(dòng)力單元固定不動(dòng)，舵機(jī)連同飛行器落地支撐單元圍繞大齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)360°全方位運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 橫向周轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛行器探測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)圖像視頻的采集而研發(fā)，圖像質(zhì)量的好壞決定了飛行器探測(cè)系統(tǒng)的性能好壞。對(duì)目標(biāo)物圖像信息進(jìn)行采集時(shí)，為提高畫(huà)面質(zhì)量，要保證探測(cè)系統(tǒng)紅外鏡頭軸線與CCD鏡頭軸線所在平面處于水平位置，這就要求飛行器云臺(tái)具備一定的橫滾能力[9]。飛行器調(diào)整飛行姿態(tài)完成指定運(yùn)動(dòng)要求，會(huì)造成機(jī)身傾斜，尤其當(dāng)飛行器做向右、向左飛行時(shí)，沒(méi)有橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)時(shí)，探測(cè)器帶來(lái)的傾角將得不到補(bǔ)償，采集的圖像會(huì)嚴(yán)重傾斜，令人視覺(jué)疲勞[10]。

圖4 配準(zhǔn)前十字靶標(biāo)圖像

圖5 配準(zhǔn)后十字靶標(biāo)圖像 Fig.5 Cross target images after registration

圖6 縱向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要具備響應(yīng)快速的特性，因此所用舵機(jī)應(yīng)具備較高轉(zhuǎn)速，由于重力的作用，探測(cè)器安裝于飛行器云臺(tái)上方后，自身重力能夠輔助舵機(jī)完成保持水平的動(dòng)作，因此對(duì)于舵機(jī)來(lái)說(shuō)，扭矩不用太高，又因?yàn)殡p傳感器探測(cè)系統(tǒng)安裝于俯仰機(jī)構(gòu)上，因此橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整體尺寸較大，為了減輕總體重量預(yù)留足夠大的安裝空間，動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)計(jì)采用同步帶傳動(dòng)，最小傳動(dòng)比為飛行器水平放置時(shí)的位置，此時(shí)≈4。橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力源選用STO960HMG-3.5T型號(hào)數(shù)字舵機(jī)，該舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度范圍－90°～90°，扭矩為12.2kg×cm，轉(zhuǎn)速為0.16s/60°（1.042r/s），由式(2)及當(dāng)傳動(dòng)比＝4時(shí)，得滾轉(zhuǎn)速度為0.26r/s，能夠滿足使用要求。設(shè)計(jì)的周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示，圖7(a)為周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維裝配效果圖，圖7(b)為左視圖。

3.3 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛行器云臺(tái)俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證探測(cè)系統(tǒng)能夠完成對(duì)正下方到水平偏上的區(qū)域進(jìn)行掃描探測(cè)，云臺(tái)俯仰機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出為俯仰軸系，該軸系由云臺(tái)支撐架、左側(cè)傳動(dòng)支撐軸系、右側(cè)支撐軸系及負(fù)載臺(tái)等組成。三維設(shè)計(jì)效果如圖8所示。

3.4 飛行器探測(cè)系統(tǒng)整機(jī)展示

結(jié)合空間布局對(duì)以上幾部分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將各部分設(shè)計(jì)好的元件出具工程圖，對(duì)所有元件進(jìn)行定制或采購(gòu)，最后裝配在一起。整機(jī)如圖9所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

我們對(duì)基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的紅外與可見(jiàn)光圖像融合系統(tǒng)[11]進(jìn)行了室外飛行的圖像采集實(shí)驗(yàn)，圖10(a)為飛行器搭載探測(cè)器飛行并且采集圖像的實(shí)驗(yàn)。為充分保證實(shí)驗(yàn)安全性使飛行器高度到達(dá)20m左右懸停，此時(shí)飛行器距路上行走的人員兩點(diǎn)之間的距離約為40m。圖10(b)～(d)為探測(cè)系統(tǒng)采集到的圖像，圖(b)為可見(jiàn)光圖像，圖(c)為紅外圖像，圖(d)為融合圖像。由圖可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)搭載探測(cè)器從空中拍攝圖像，經(jīng)無(wú)線傳輸模塊傳輸?shù)降孛娼邮掌鳎軌虿杉捷^為穩(wěn)定清晰的圖像。對(duì)比3張圖可以看出可見(jiàn)光圖像較為清晰的反映出視場(chǎng)內(nèi)人物及路面的景象；由于室外氣溫較低，路面熱輻射較少，紅外圖像可以清晰地辨認(rèn)出路面上行走的人員目標(biāo)；而融合圖像具備兩者圖像的優(yōu)點(diǎn)，背景清晰、目標(biāo)明顯[12]。

Fig.7 Schematic diagram of lateral flow diagram

1舵機(jī)安裝板 2.舵機(jī) 3.工字支撐板1 4.小齒輪 5.大齒輪工字支撐板2 7.軸套1 8.銷(xiāo)軸1 9.負(fù)載臺(tái)

Fig.9 The detection system

圖10 飛行器搭載探測(cè)器飛行采集圖像

5 結(jié)論

基于六旋翼飛行器平臺(tái)的紅外與可見(jiàn)光圖像融合感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像融合系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)的有效結(jié)合，在圖像融合系統(tǒng)已有的探測(cè)優(yōu)勢(shì)下，進(jìn)一步提高了其探測(cè)能力，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。無(wú)人機(jī)可以將探測(cè)器帶到人員無(wú)法到達(dá)的位置進(jìn)行探測(cè)，其自主懸停、定位、巡航等功能為探測(cè)提供了很好的支持，為應(yīng)對(duì)特殊的探測(cè)環(huán)境提供可能性。

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Six Rotor Aircraft Infrared Detection System Design and Verification

ZHANG Lei，QIU Ya-feng，MENG Rui

(,,210094,)

This infrared detection system, in which the six rotor aircraft is the carrying platform, is designed for detecting the area people have no access to. Since no R&D institution has been capable of integrating six rotor aircraft system with fusion technology of infrared and visible image, this project is still at a groping stage. This article covers the design of infrared detection system and connection structure which enables it rotate 360°in horizontal direction and －90°to＋30°in the direction of pitch axis. And the images of different views from image acquisition test can prove that infrared detection system with six rotor aircraft meets the design requirements.

six rotor aircraft，infrared detection system，connection structure，image acquisition

TN216

A

1001-8891(2015)08-0685-06

2015-01-16；

2015-03-10.

張雷，男（1989-），江蘇南通人，碩士研究生，從事機(jī)械電子工程方面研究。E-mail：843149114@qq.com。