劉 帥，翁發(fā)祿，郭海長，韋 輝

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

1 引言

地震、火災等自然災害給人類的安全帶來了巨大威脅，特別是災害發(fā)生后交通中斷給災害救援及物資補給造成極大的困難。空中救援及物資投放具有方便快捷、不易受地形地貌影響等特點。在災害發(fā)生后，通過空中投放實現(xiàn)急需物資補給可以為后續(xù)救援贏得時間，具有較強的現(xiàn)實意義。

四旋翼無人機具有操作方便、空中懸停、空間限制小等特點，進而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及軍事偵察等領(lǐng)域都有廣泛應用。通過四旋翼無人機實現(xiàn)災害環(huán)境下急需物資及藥品等投放無疑具備較強實效性及可行性。但是，復雜災害環(huán)境有可能造成無人機通信不暢，進而干擾物資投放控制，降低投放的準確性。通過圖像識別實現(xiàn)無人機自主飛行及自主完成物資投放，可以大大提高救援效率，具有較高的研究價值。本文通過嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)對四旋翼的控制與自主飛行，并通過圖像識別等技術(shù)手段完成物資投放任務，對于復雜環(huán)境下的救災搶險具有一定的應用價值。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)包括物資投放控件設計、復雜環(huán)境下四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計、無人機自主飛行及基于圖像識別的物資投放設計。在物資投放控件設計中，物資投放脫鉤控件的安全穩(wěn)定運行關(guān)系到任務能否勝利完成。為了保證安全投放，在此采用雙線圈驅(qū)動，實現(xiàn)脫鉤動作的雙保險。在四旋翼無人機控制系統(tǒng)設計中，考慮到災害環(huán)境復雜，飛行干擾因素眾多，將通過引入容錯控制及魯棒技術(shù)實現(xiàn)四旋翼無人機的抗風、抗振設計。在通信中斷后，自動切換至自主飛行。在物資投放點選取中，考慮災害環(huán)境下通信及視線受阻等情況，將通過視頻圖像處理，實現(xiàn)物資投放點的選取，完成投放。同時四旋翼無人機的控制還包括自動返航設計。在任務完成后，飛行器根據(jù)設定原點，實現(xiàn)自主返航。

3 硬件設計

四旋翼無人機的空中投放系統(tǒng)硬件如圖1 所示。在通信允許范圍內(nèi)，計算機將控制信號發(fā)送給無人機，無人機將位置及狀態(tài)信息反饋回計算機。當無人機飛出通信范圍后切換至自主飛行狀態(tài)，系統(tǒng)通過圖像識別選擇投放區(qū)，通過脫鉤裝置完成投放后，自主返回設定地點。

圖1 四旋翼無人機的空中投放系統(tǒng)硬件示意圖

為了提高系統(tǒng)的可靠性，增加了故障報警模塊，主要包括電池電量預警、物質(zhì)投放驅(qū)動系統(tǒng)預警、旋翼故障預警、航線偏離預警等。圖像處理模塊主要通過圖像識別實現(xiàn)投放地點的選取，并發(fā)送信息給控制器實現(xiàn)飛行器的定點與物質(zhì)投放。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示?？刂浦行臑镾TM32F407 芯片，外圍電路主要有陀螺儀、磁力計、氣壓計、光流模塊、攝像頭組件、24C02、PWM I/O、LED 燈、穩(wěn)壓電源等。陀螺儀選用MPU-6050，其為全球首例整合性6 軸運動處理組件，相較于多組件方案，避免了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。磁力計完成測量無人機與東南西北四個方向上的夾角，實現(xiàn)飛行方向固定。氣壓計通過檢測大氣壓實現(xiàn)飛行器定高。光流模塊主要實現(xiàn)飛行器穩(wěn)定懸停。飛行器通過四路PWM 輸出控制四路電調(diào)，進而控制四個電機的旋轉(zhuǎn)，同時通過PWM 輸入口接收遙控接收機信號。LED 實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)顯示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 軟件設計

軟件設計主要包括四個部分：圖像識別、飛行器飛行控制、通信、故障診斷。圖像的識別流程如圖3 所示。系統(tǒng)首先對拍攝得到的圖像進行截取，然后進行圖像預測理，包括圖像去噪、圖像卡爾曼濾波及圖像灰度化處理。其次進行圖像分析（主要包括子區(qū)域分割、閾值設定、特征分解及提?。M而搜索到最適合的投放區(qū)域，完成投放任務。

圖3 圖像識別流程總體框架

在通信通暢條件下，無人機可以通過計算機控制完成飛行任務。在通信中斷后，無人機可以根據(jù)設定飛行范圍自主飛行，完成相關(guān)任務。軟件運行流程如圖4 所示。

圖4 軟件運行流程

系統(tǒng)上電后先進行初始化，主要包括LED 燈、I/O 口及參數(shù)等的初始化，部分初始化程序如下：

LED_Init();//led 初始化

USB_HID_Init();/初始化USB

Param_Read();//參數(shù)初始化

My_SPI_Init();//初始化SPI

pwm_o_init();//PWM 輸出初始化

pid_init();//pid 參數(shù)初始化

......................

初始化結(jié)束后，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，循環(huán)查詢外部任務輸入，當有外部任務輸入時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入執(zhí)行相關(guān)任務。任務結(jié)束后，執(zhí)行一次故障診斷。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將根據(jù)故障情況決定是否退出循環(huán)。最后，系統(tǒng)收到結(jié)束命令后退出程序。

5 總結(jié)

本文基于STM32 控制器實現(xiàn)了基于圖像識別的四旋翼無人機空中投放系統(tǒng)設計。系統(tǒng)通過MPU-6050 陀螺儀實現(xiàn)無人機姿態(tài)及位置檢測。基于磁力計實現(xiàn)了無人機方向定位，采用氣壓計完成了其氣壓定高，并通過光流模塊實現(xiàn)了定點飛行。為了提高飛行可靠性，系統(tǒng)設計了報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時故障檢測、處理及報警。同時，系統(tǒng)設計了豐富的IO 口，可以與遙控器、計算機等外設實時通信。在無人機超出無線通信范圍時，實現(xiàn)了其自主飛行，自動完成飛行及物資投放任務。在物品投放的地點選擇上引入了圖像識別算法，通過圖像的預處理及分析完成投放地點選擇，并通過仿真與實驗驗證了方案的可行性。