◆黃 瑩

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一種基于無人機(jī)的河流巡檢系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)研究

◆黃 瑩

（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽 241002）

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其運(yùn)用也越來越廣泛，但是大多數(shù)的應(yīng)用還是通過人工操作遙控器來控制無人機(jī)的飛行方向與速度。本文利用CCD傳感器、MC9S12XS128MAL單片機(jī)、圖像動態(tài)閾值二值化算法等設(shè)計一種無人操作的基于無人機(jī)的河流巡檢系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)，使無人機(jī)可以自動沿著河流巡檢，解決了在復(fù)雜山地環(huán)境下的河流自動監(jiān)測問題。

無人機(jī)；CCD傳感器；圖像二值化；河流巡檢

0 引言

河流的巡察工作在軍事和民用上都具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的人工巡查方式不及時、不準(zhǔn)確、費(fèi)時費(fèi)力。采用無人機(jī)巡檢的方法對河流的水位、污染、堤壩等情況進(jìn)行勘察是技術(shù)發(fā)展的趨勢。在無人機(jī)巡查過程中，需要精確的控制無人機(jī)的飛行路線，保證無人機(jī)不偏離河岸，但現(xiàn)有的技術(shù)主要靠人工操作無人機(jī)，靠無人機(jī)拍攝并實(shí)時傳回的視頻圖像判斷無人機(jī)是否偏離航線，自動化程度不高。在復(fù)雜山地環(huán)境下，由于山地對遙控信號的屏蔽作用，操作員必須離無人機(jī)較近，然而在復(fù)雜的山地環(huán)境下操作員與無人機(jī)的距離難以保證。本文設(shè)計了一種依據(jù)河岸能夠自動控制無人機(jī)飛行的導(dǎo)航技術(shù)。該技術(shù)在圖像動態(tài)閾值二值化算法研究的基礎(chǔ)上，基于MC9S12XS128MAL單片機(jī)和CCD傳感器，由CCD采集河岸圖像信息，傳送給單片機(jī)運(yùn)用二值化算法進(jìn)行處理，快速并準(zhǔn)確的找出河岸的位置，保證無人機(jī)不偏離河岸。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

圖1 無人機(jī)的河流巡檢系統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)基本框架

如圖1所示，路徑傳感器采用線性CCD，將CCD采集到的河流及河岸信息，通過圖像處理算法提取出邊界信息，通過相應(yīng)的控制方法，控制無人機(jī)的速度和方向，使無人機(jī)能夠沿著河流的軌跡飛行。本文著重介紹無人機(jī)的自動導(dǎo)航技術(shù)，即控制方向部分的研究，對控制速度方面不作過多敘述。由于CCD傳感器易受光線的亮度影響，因此，在不同的時間段，不同的天氣環(huán)境下采集的圖像信息有很大的差別，這就對圖像處理的算法有著很高的要求。我們采用圖像動態(tài)閾值二值化算法，可自動適應(yīng)不同環(huán)境光的情況，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 CCD傳感器

電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一種以電荷為信號載體的微型圖像傳感器,具有光電轉(zhuǎn)換和信號電荷存儲、轉(zhuǎn)移及讀出的功能,其輸出信號通常是視頻信號,可存儲于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或輸入計算機(jī),便于進(jìn)行圖像存儲、增強(qiáng)、識別等處理。本系統(tǒng)受天氣環(huán)境等外界因素影響極大，所以我們采用TSL1401 線性 CCD，晴朗天氣的光線和陰暗天氣的光線有很大的不同，所以不能采用相同的曝光參數(shù)。曝光量與輸出電壓密切相關(guān)，而曝光量又取決于曝光時間和CCD 模塊所采用的鏡頭光圈的大小。無人機(jī)的飛行航線為適應(yīng)各種運(yùn)行環(huán)境，必須實(shí)時感知環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境閉環(huán)調(diào)節(jié)曝光量，使得在不同環(huán)境中曝光量都處于一個合理的范圍，這樣才能保證在不同環(huán)境中 CCD 輸出電壓在合理范圍。本系統(tǒng)采用軟件調(diào)整曝光時間，這是因?yàn)殓R頭的相關(guān)參數(shù)一旦確定，在無人機(jī)飛行中難以改變，但可通過程序十分方便的修改曝光時間。

3 圖像動態(tài)閾值二值化算法

由于采用線性CCD，在相同的曝光時間內(nèi)河面的灰度值大于河岸的灰度值，兩者差值隨曝光時間增大而增大。因此，在正常光線下，本設(shè)計采用10ms曝光并且調(diào)節(jié)運(yùn)放使河岸河面電壓差值達(dá)到最大，便于二值化處理采集到的圖像。此外，為了避免光線強(qiáng)度的影響，我們使用了動態(tài)閾值二值化算法提高循線的適應(yīng)性，并控制調(diào)整曝光時間，以適應(yīng)不同光照狀況下的數(shù)據(jù)采集。

提取河岸邊沿的思路是：先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和二值化處理，避免異常像素點(diǎn)對中線采集的影響。在二值化后的圖像（如圖2）基礎(chǔ)上，先對圖像進(jìn)行微分處理，記為du/dt（u代表CCD采集到的河岸河面信息的電壓）。根據(jù)前期實(shí)地檢測，設(shè)置一個小值e(接近為0),并且設(shè)置a、b、c、d的值（近似A、B、C、D點(diǎn)的斜率）。開始時從左向右掃描，如果出現(xiàn)du/dt從小于e到大于a變化的現(xiàn)象，則表示檢測到A點(diǎn)，記錄下A點(diǎn)的值；如果出現(xiàn)du/dt從大于b到小于e變化的現(xiàn)象，則表示檢測到B點(diǎn)，記錄下B點(diǎn)的值；如果出現(xiàn)du/dt從小于e到大于c的絕對值變化的現(xiàn)象，則表示檢測到C點(diǎn)，記錄下C點(diǎn)的值；如果出現(xiàn)du/dt從大于d的絕對值到小于e變化的現(xiàn)象，則表示檢測到D點(diǎn)，記錄下D點(diǎn)的值。采集完同一條直線上的A、B、C、D四點(diǎn)后，根據(jù)中心線=（A+B+C+D）/4計算出本次河岸的位置之后與理論中線64作差得出無人機(jī)與河岸的偏差。無人機(jī)在飛行過程中出現(xiàn)各種狀況導(dǎo)致掃描點(diǎn)數(shù)不完整時，根據(jù)掃描到的單邊點(diǎn)計算偏差。

圖2 二值化后的圖像

圖3 河岸與河面圖像

4 結(jié)語

本文以河流巡檢為應(yīng)用背景，在無人機(jī)的基礎(chǔ)上，文章介紹河流巡檢導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計思路和實(shí)現(xiàn)方案，并提出了河流巡檢系統(tǒng)等待解決的一些問題和優(yōu)化拓展方向。本技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動導(dǎo)航功能的同時，還進(jìn)一步提高了巡檢系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確率。同時，本文所提到的技術(shù)實(shí)施和生產(chǎn)過程中等待解決的一些問題，是一個系統(tǒng)需要了解的，這也為以后的研究提供了一個方向。

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安徽師范大學(xué)本科生優(yōu)秀畢業(yè)論文培育計劃（pyjh2016302）。