何學(xué)明

（公安海警學(xué)院 機電管理系，浙江 寧波 315801）

一種具有目標(biāo)識別功能的艦載警用飛行系統(tǒng)的設(shè)計

何學(xué)明

（公安海警學(xué)院 機電管理系，浙江 寧波 315801）

為使海警部隊在海上執(zhí)法時能從眾多船舶中快速尋找可疑船舶，并快速獲得其詳細信息，設(shè)計一種艦載警用飛行系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)空中抵近偵察，運用艦載的目標(biāo)識別系統(tǒng)獲得可疑目標(biāo)的圖像，配有功能強大的可疑目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，從而達到快速、準(zhǔn)確地識別海上目標(biāo)的目的。試驗結(jié)果表明，所提出的方法和設(shè)計完全符合海警執(zhí)法的要求，設(shè)計的飛行系統(tǒng)適合艦載和警用，設(shè)計的目標(biāo)識別系統(tǒng)精確、可靠，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

目標(biāo)識別；艦載；警用；飛行器；設(shè)計

0 引 言

當(dāng)前，隨著海洋強國戰(zhàn)略走向國家層面，海警部隊作為海上執(zhí)法單位的作用日益凸顯。海警部隊大多通過雷達回波和瞭望來識別海上目標(biāo)。通過雷達識別只能判斷出可疑船舶大致的形狀和位置，無法判斷出其裝備情況、人員配備情況及其他詳細信息，且在復(fù)雜、陌生的海域容易被其他形狀類似于船舶的海島或設(shè)施干擾。瞭望人員大多由其他人員兼任，工作強度較大，同時瞭望器材僅局限于傳統(tǒng)的望遠鏡，存在視距有限、艦艇抵近偵察易發(fā)生碰撞事故及艦艇人員的安全得不到保障等不足[1-3]。因此，海警艦艇作為執(zhí)法工作的載體，在空中目標(biāo)偵察、海上爭端的空中證據(jù)收集及可疑目標(biāo)識別等方面的能力還有待提高。

針對上述問題，設(shè)計一種艦載警用飛行系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空中飛行器和艦載主控中心2部分組成，可實現(xiàn)空中抵近偵察，運用機載的目標(biāo)采集系統(tǒng)獲得可疑目標(biāo)的圖像并將其傳輸給艦載主控中心的目標(biāo)識別系統(tǒng)，配有功能強大的可疑目標(biāo)數(shù)據(jù)庫并能進行識別，達到快速、準(zhǔn)確地識別海上目標(biāo)的目的，解決當(dāng)前海警執(zhí)法面臨的重大難題。

1 艦載警用飛行器的設(shè)計

根據(jù)警用和海上飛行的實際要求，設(shè)計一種艦載警用多旋翼飛行器。該飛行器是一種適用于海上飛行、搭載高精度云臺相機的多旋翼飛行器，不僅能完成基本的飛行動作（包括垂直起降、前后運動、橫滾、俯仰及懸停等），實現(xiàn)遙控/自主的低空飛行，還能完成航拍偵察任務(wù)，采集半徑500m范圍內(nèi)的視頻和圖像信息，并通過高頻信號將其傳送回來或存儲在飛行器的隨機存儲設(shè)備中。該飛行器通過全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）導(dǎo)航，按設(shè)定的航跡完成直徑2km范圍內(nèi)的航點飛行，并按要求完成航拍、偵察等高空作業(yè)任務(wù)。針對警用和艦載的要求，對該飛行器做以下特殊設(shè)計：

1.1 機身設(shè)計

選擇空心碳纖維材料，在達到最大強度的同時減輕機身整體質(zhì)量，為搭載警用裝備預(yù)留起飛質(zhì)量。同時，空心碳纖維材料的電磁屏蔽性好，可使飛行器在艦載復(fù)雜電磁的條件下使用。此外，飛行器各部分結(jié)構(gòu)采用防水防霧處理，可滿足在海洋環(huán)境下飛行的要求。

1.2 能源與動力裝置設(shè)計

為適應(yīng)海上飛行環(huán)境，該飛行器的動力裝置選用特殊的防水型小型無刷直流電機，槳葉與電機直連，減少了減速器，增大了扭矩，減輕了質(zhì)量。此外，選用5200mA·h 25C DC的鋰電池組，通過4組電子調(diào)

速器（Electronic Speed Controller，ESC）將電壓降至5V的穩(wěn)定電壓，并通過無感換向方式將直流電供給電機，有效避免水汽對電池組產(chǎn)生影響。該電池組可供飛行器飛行30min左右，滿足任務(wù)需求。

1.3 起落架設(shè)計

飛行器降落著地時，整個機身的質(zhì)量將全部由起落架承擔(dān)，因此必須具有良好的支撐和減震功能，以避免飛行器降落時震動對部件造成損壞。每個起落架的上端都裝有一個由碳纖維材料制成的彈性支架，上面開有大小不等的孔，以減輕整體質(zhì)量；支架與下層連接板通過尼龍螺母連接，以保證連接強度。對支架末端進行磨砂處理，使飛行器可在雨天濕滑的甲板面上平穩(wěn)起降。

1.4 保護設(shè)計

飛行器在實際使用中可能會遇到電磁條件復(fù)雜、遙控信號丟失和電量過低無法返航等情況，而其保存有許多重要的圖像及視頻資料，不能輕易丟失，因此設(shè)計著重對其安全保護功能進行完善。

1) 遙控信號丟失。在丟失遙控信號之后立即啟用失控保護功能。飛行器會在失控位置懸停 3s，以確認信號是否會恢復(fù)。若飛行器所處的懸停高度低于海拔 20m（水面艦艇高度大多＜20m），則飛行器會自動抬升，以避開返回時可能觸碰到的障礙物；若飛行器的飛行高度＞20m，則其會按最短路徑返回至起飛地點上空懸停 15s后自動降落。若飛行器遙控信號在該過程中恢復(fù)，則失控保護模式會自動關(guān)閉，轉(zhuǎn)入GPS模式飛行。

2) 低電壓保護。飛行器處于長時間緊張飛行作業(yè)狀態(tài)時，操作者極易忽略電源電壓的高低，使得飛行器極易因電源電壓過低而產(chǎn)生墜機的危險。當(dāng)電源電壓＜10.80V時自動觸發(fā)第一級保護，此時飛行器會發(fā)出低電壓報警，紅色LED燈急速閃爍，但仍能保持正常飛行。當(dāng)電源電壓＜10.50V時觸發(fā)第二級保護，此時飛行器將停止報警，但紅色 LED燈仍急速閃爍，飛行器將從懸停地點自主返航降落并不再接收遙控信號。

2 圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計

圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計見圖 1，分別由飛行器云臺控制系統(tǒng)、通信數(shù)據(jù)鏈和輔助操控手柄圖像采集系統(tǒng)等設(shè)備組成。

CCD相機通過安裝在艦載飛行器上的云臺實現(xiàn)0°～350°水平旋轉(zhuǎn)角度及+90°垂直旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)目標(biāo)的監(jiān)視，獲取視頻和圖像信息，并將其傳送給機載主控處理器，通過無線通信系統(tǒng)傳送給地面主控計算機，從而完成可疑目標(biāo)的獲取和信息傳輸[4]。

良好的拍攝效果需穩(wěn)定的云臺，即無論飛機在空中以何種姿態(tài)飛行，云臺都要一直保持絕對的水平姿態(tài)。云臺的PID調(diào)節(jié)在整個云臺調(diào)試過程中尤為重要。該設(shè)計利用Simple BGC軟件調(diào)節(jié)云臺參數(shù)，對云臺的橫滾、俯仰及三軸陀螺儀進行細節(jié)上的修正，使其在沒有接收到動作信號的狀態(tài)下始終與地面保持水平，并使飛行器能在不同的飛行姿態(tài)下對云臺的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測。圖像識別流程圖見圖2。

地面站屏幕菜單調(diào)節(jié)系統(tǒng)即OSD（On-Screen Display）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸給LCD顯示器，由其通過一些規(guī)定的字形或圖形顯示飛行器的狀態(tài)，讓使用者獲得所需的信息。

在 MAX7456芯片的基礎(chǔ)上建立一個OSD模塊，分別與飛行控制器和圖傳發(fā)射機連接，將飛行器的GPS坐標(biāo)、飛行高度、速度、航向及電量等實時信息呈現(xiàn)在地面站顯示器上，使操作者清晰、直觀地了解飛行器的實時狀態(tài)，以保證可疑目標(biāo)圖像獲取的準(zhǔn)確性和飛行器飛行的安全性。

通過上述設(shè)計，解決視頻和圖像信息的實時傳輸、云臺的穩(wěn)定性及實時監(jiān)控等問題，從而獲得可疑目標(biāo)的清晰圖像。

3 艦載主控中心目標(biāo)識別系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于計算機視覺的目標(biāo)識別技術(shù)是指對圖像序列中的目標(biāo)進行檢測和識別，獲取可疑目標(biāo)的更多信息，并對其相關(guān)技術(shù)進行處理和分析，從而完成目標(biāo)識別[5]。

圖像處理（Image Processing）技術(shù)是指通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復(fù)原、分割及提取特征等處理的方法和技術(shù)。圖像處理艦載主控中心系統(tǒng)是一套圖像識別及數(shù)據(jù)庫檢索系統(tǒng)[6-7]，其主要功能是處理和識別飛行器捕捉到的可疑目標(biāo)的圖像，識別流程圖如圖2所示。目標(biāo)識別是本文研究的重點。飛行器采集到的圖像是海上目標(biāo)的外形，可通過比較其艏艉特征、船橋的外形特征及艏艉的吃水深度比等，并與系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)庫相對比，識別出其詳細信息。

利用MATLAB軟件設(shè)計可疑目標(biāo)識別軟件，利用MATLAB的內(nèi)建函數(shù)，直接調(diào)用圖像處理及識別函數(shù)，將圖像轉(zhuǎn)化為矩陣的形式，利用矩陣運算實現(xiàn)不同的圖像處理[8-10]。

4 試驗研究

4.1 懸停測試

飛行器在實際完成任務(wù)過程中通常需要懸停，以對可疑目標(biāo)進行實時偵察。懸停性能決定著完成任務(wù)的質(zhì)量。在5s的測試時間內(nèi)，該飛行器在GPS飛行模式下無遙控信號懸停，若能保證前后左右移動幅度＜10cm，傾斜角度＜15°，則說明滿足懸停要求。

4.2 飛行器航拍測試

清晰的航拍效果是偵察和后期數(shù)字化處理的基礎(chǔ)。在飛行器飛行過程中，無線圖傳模塊將采集到的圖像通過圖傳操控器（見圖3）的雪花屏顯示給操作者，配合由 AT89C52控制、無刷電機帶動的二自由度云臺，使飛行器以任意姿態(tài)飛行且云臺沒有接收到動作指令時，攝像頭能始終保持水平，優(yōu)化航拍效果。圖4為航拍效果圖，試驗選擇在中雨天氣下進行，同時測試飛行器的全天候防水效果。試驗結(jié)果表明，飛行器平臺及圖像采集系統(tǒng)工作正常，圖像采集系統(tǒng)可清晰、真實地反映飛行器所處環(huán)境的情況，效果良好，達到了預(yù)期目標(biāo)。

4.3 目標(biāo)識別試驗

該試驗以某艦艇的舷號為試驗?zāi)０澹瑢υ撓咸栠M行數(shù)字化識別及數(shù)據(jù)庫檢索。測試可疑目標(biāo)識別系統(tǒng)的工作性能，讀入原始圖像，將拍攝到的艦艇圖像寫入到可疑目標(biāo)識別程序中（見圖5）。

按順序進行圖像預(yù)處理、邊緣提取、艦艇定位、字符分割和字符識別，并通過檢索數(shù)據(jù)庫得到最后的識別結(jié)果（見圖6）。

5 結(jié) 語

本文闡述一種具有目標(biāo)識別功能的艦載警用飛行系統(tǒng)設(shè)計，該飛行系統(tǒng)由多旋翼飛行器（圖像采集系統(tǒng)）和艦載主控中心（圖像識別系統(tǒng)）2部分構(gòu)成。通過對飛行平臺進行穩(wěn)定懸停及夜間飛行測試、圖像采集系統(tǒng)實際工作狀態(tài)測試和海警艦艇舷號識別等試驗，表明該系統(tǒng)的設(shè)計合理，硬件設(shè)計簡潔，滿足海警部隊的實際海上任務(wù)需求，云臺及攝像系統(tǒng)工作穩(wěn)定。此外，軟件界面編程簡明易使用，可對實際艦艇的外形特征進行準(zhǔn)確識別，并能完成模擬數(shù)據(jù)庫信息展示。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可靠，能達到設(shè)計要求，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

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Design of a Shipborne Police Flight System with Target Identification Function

HE Xue-ming

（Department of Electrical and Mechanical Management, China Maritime Police Academy, Ningbo 315801, China）

A shipborne police flight system is designed to enable the maritime police force to fast identify suspicious vessels from numerous ships and to fast obtain the detailed information of the suspicious vessel during law enforcement at sea. This system can achieve low altitude scout and gather images of the suspicious object through the shipborne target identification system, and is equipped with powerful suspicious object database for the fast and accurate identification of objects at sea. The experimental result shows that the proposed method and the design will fully satisfies the requirements of the maritime police force, the designed flight system is suitable for ship-borne and police purpose, and the designed target identification system is accurate, reliable and has high value for wider application.

target identification; ship-borne; police; aircraft; design

E962；V211.8

A

2095-4069 (2017) 06-0013-04

2016-09-29

浙江省自然科學(xué)基金（LY15E090004）

何學(xué)明，男，教授，博士，1966年生。1997年畢業(yè)于華中科技大學(xué)機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)從事輪機工程、機電智能控制、水下機器人技術(shù)的教學(xué)與研究。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.003