劉剛，唐京武

（湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南湘潭，411201）

1　四軸飛行器飛行原理及硬件構(gòu)成

1.1　四軸飛行器飛行原理

四軸飛行器的飛行原理是通過(guò)4個(gè)螺旋槳之間對(duì)稱的兩個(gè)螺旋槳反作用力抵消每個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的反槳矩。當(dāng)4個(gè)螺旋槳以同一個(gè)速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)螺旋槳產(chǎn)生相同的升力，當(dāng)總升力大于四軸飛行器自身的重力時(shí)飛行器向上飛行，當(dāng)產(chǎn)生的升力與自身重力等大時(shí)，飛行器在空中處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)總升力小于四軸飛行器自身的重力時(shí)飛行器做下降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)飛行器左側(cè)兩個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度大于右側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，飛行器向右側(cè)飛行，反之向左飛行。相同原理，當(dāng)前后兩對(duì)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度不同時(shí)，飛行器做前后運(yùn)動(dòng)。上述是四軸飛行器的基本飛行原理。

1.2　四軸飛行器硬件構(gòu)成

四軸飛行器主要有地面站、遙控器、飛控模塊、GPS模塊、無(wú)刷電機(jī)以及高清攝像裝置組成。根據(jù)實(shí)際監(jiān)控需要，飛行器有自動(dòng)飛行監(jiān)控和人工地面控制監(jiān)控兩種監(jiān)控模式。四軸飛行器硬件選用Pixhawk飛控模塊作為主控制器，這是一款32位的開(kāi)源芯片，可以將規(guī)劃好的飛行器飛行路徑導(dǎo)入，并可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控需要修改飛行路徑參數(shù)。飛行器遙控模塊選用的是樂(lè)迪公司生產(chǎn)的AT9遙控器，能夠?qū)⒔邮艿谋O(jiān)控信號(hào)實(shí)時(shí)回傳，支持外圍拓展。

2　校園監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)組成

在四軸飛行器上，裝載攝像頭以及紅外裝置，能夠?qū)π@內(nèi)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，組成數(shù)據(jù)采集模塊。為解決四軸飛行器續(xù)航能力，擬采用無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)四軸飛行器進(jìn)行充電，同時(shí)構(gòu)建軟件隊(duì)列系統(tǒng)，控制多架四軸飛行器充電，形成充電隊(duì)列模塊。通過(guò)四軸飛行器機(jī)載無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射端，以及主控制設(shè)置數(shù)據(jù)接收端，接收四軸飛行器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)傳輸模塊。最后，由主控室的服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)校園內(nèi)突發(fā)事件進(jìn)行識(shí)別，從而進(jìn)行預(yù)警，形成數(shù)據(jù)處理模塊。

圖1　校園監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

2.1　數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要指搭載在四軸飛行器上的USB攝像頭，通過(guò)使用時(shí)間軸分布的方式對(duì)采集的視頻信息進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)攝像頭采集視頻的時(shí)間不同對(duì)不同的視頻信息進(jìn)行排序，將采集的視頻信號(hào)保存為FLV格式，以便信號(hào)存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸。校園全方位監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)需要多臺(tái)飛行器進(jìn)行圖像采集，依據(jù)視頻信息的首幀時(shí)間和該視頻的持續(xù)時(shí)間，對(duì)采集的視頻標(biāo)記到特定的飛行器攝像頭的時(shí)間軸上。飛行器采集的視頻包括時(shí)間信息和地點(diǎn)信息通過(guò)使用ID和IP對(duì)視頻的屬性進(jìn)行標(biāo)示，以便對(duì)歷史記錄進(jìn)行空間地點(diǎn)和屬性的雙向查詢。通過(guò)建立多媒體文件數(shù)據(jù)庫(kù)的方式對(duì)采集的視頻信息進(jìn)行管理，每個(gè)飛行器采集的視頻信息都存在數(shù)據(jù)庫(kù)中單獨(dú)的目錄下面，采集的視頻按照飛行器編號(hào)和采集時(shí)間進(jìn)行命名，保證采集的每段視頻都有唯一的URL。

2.2　無(wú)線充電序列模塊

目前存在的飛行器采用傳統(tǒng)的接觸式充電方式，該方式要求較高的對(duì)接精度，但是飛行器和充電器之間不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫離，高頻的充電操作降低了充電系統(tǒng)的可靠性。本研究設(shè)計(jì)的四軸飛行器電池模塊主要包括無(wú)線充電序列模塊和鋰電池供電模塊。無(wú)線充電序列模塊接收充電器發(fā)射的高頻無(wú)線電能，使用專門的無(wú)線充電管理電路對(duì)飛行器安裝的鋰電池組進(jìn)行無(wú)線充電，采用傳感器對(duì)鋰電池的電量信息進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行器電池電量。

為提高飛行器鋰電池組的使用壽命，將充電過(guò)程劃分為恒流充電階段和恒充電階段。當(dāng)無(wú)線充電站MCU芯片接收到充電指令后，將會(huì)產(chǎn)生特定頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)E類功放逆變電路產(chǎn)生高頻正弦交流電的發(fā)射信號(hào)，通過(guò)電磁感應(yīng)定律，在飛行器的能量接收端的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生正弦交流電，通過(guò)穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，經(jīng)過(guò)充電管理電路對(duì)飛行器安裝的鋰電池組進(jìn)行充電，飛行器通過(guò)藍(lán)牙模塊向充電站發(fā)送充電完成信號(hào)，結(jié)束充電過(guò)程。

2.3　數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理模塊選用S3C2440作為處理器，該處理器支持UART和USB等多種通訊接口。使用S3C440連接USB攝像頭和USB無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行視頻信息的無(wú)線傳輸具體的傳輸過(guò)程為，四軸飛行器搭載的USB攝像頭對(duì)校園內(nèi)的視頻信息進(jìn)行采集，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡上傳到無(wú)線路由器，經(jīng)過(guò)在學(xué)校構(gòu)建的廣域網(wǎng)進(jìn)行傳輸，可以通過(guò)WiFi的方式連接到接收端的無(wú)線路由，經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者是互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控室內(nèi)的PC機(jī)上，通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集的視頻信息進(jìn)行分析和預(yù)警。

2.4　數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的校園全方位自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)中運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)相關(guān)算法，主要從視頻信息的處理和模式識(shí)別兩個(gè)方面體現(xiàn)。采集的視頻圖像經(jīng)過(guò)灰度處理經(jīng)過(guò)相關(guān)算法使彩色圖像轉(zhuǎn)化成為灰度圖像，減少了圖像的計(jì)算量。在本文中選取加權(quán)平均法對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行灰度處理，從整體上能夠反映圖像的整體特征，但簡(jiǎn)化了PC機(jī)圖像處理的運(yùn)算量。通過(guò)灰度處理之后，在圖像中可能會(huì)出現(xiàn)灰度比較集中的區(qū)域，利用直方圖均值化對(duì)灰度處理后的圖像進(jìn)行處理，能夠增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。外界陽(yáng)光的強(qiáng)度和噪聲等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)原始圖像產(chǎn)生干擾，使用中值濾波的方法對(duì)原始圖像的外界干擾進(jìn)行濾波，獲得比較清晰的視頻圖像。

本文選用時(shí)域幀差法來(lái)檢測(cè)采集的視頻信息中是否有移動(dòng)的物體存在，假如檢測(cè)到圖像中存在移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)物體，可利用背景差分法對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行提取。假如檢測(cè)視頻圖像沒(méi)有運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，可以將當(dāng)前的視頻信息進(jìn)行保存，以便后期查看歷史圖像記錄。

3　火災(zāi)預(yù)警實(shí)例講解

通過(guò)飛行器對(duì)火災(zāi)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集上傳到后臺(tái)PC機(jī)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警識(shí)別，間隔兩秒上傳一次火災(zāi)圖像，PC機(jī)對(duì)各個(gè)飛行器捕捉的視頻進(jìn)行火災(zāi)判斷，當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)在校園平面圖實(shí)時(shí)顯示火災(zāi)區(qū)域的視頻信息，想要不同視角觀察火災(zāi)情況時(shí)，可以通過(guò)調(diào)用不同IP的飛行器進(jìn)行查看，通過(guò)后臺(tái)程序可初步判斷火災(zāi)嚴(yán)重程度，并進(jìn)行決策采取相應(yīng)的救火措施。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)四軸飛行器的飛行原理以及硬件構(gòu)成的研究，提出了基于四軸飛行器的校園全方位自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線充電模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和采集圖像處理模塊等四部分，通過(guò)火災(zāi)預(yù)警實(shí)例分析證明該系統(tǒng)具有較高的可行性，為校園全方位自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。