韋 輝，翁發(fā)祿，郭海長，劉 帥

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

1 研究背景

隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)在人們的生活中變得隨處可見，它在現(xiàn)代人的生活中扮演著愈發(fā)重要的角色。由于無人機(jī)具有自身便攜、體積小、不受地形影響等特點(diǎn)，在旅途中，使用無人機(jī)進(jìn)行高空航拍，可以為人們帶來一種不一樣的視角體驗(yàn)。更重要的是在抗災(zāi)救援方面，在洪災(zāi)、火災(zāi)，泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，使用無人機(jī)可以將災(zāi)害第一現(xiàn)場的受災(zāi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，并進(jìn)行物資投放，很大程度上保證了記者、救生員等人員的生命安全，并為精準(zhǔn)救援帶來更多的寶貴時(shí)間。但是過度復(fù)雜的外部天氣可能會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)信號(hào)不通暢以及飛機(jī)不能正常沿指定航線飛行。本文通過開發(fā)嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人的控制，并通過圖像識(shí)別等技術(shù)手段完成飛行任務(wù)，對(duì)由于復(fù)雜環(huán)境原因?qū)е戮葹?zāi)搶險(xiǎn)人員無法及時(shí)到達(dá)的問題，無人機(jī)起到一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括極端環(huán)境下飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于圖像處理的物品投放設(shè)計(jì)以及通信失常下自主返航飛行。極端環(huán)境下，在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要考慮一定的風(fēng)級(jí)下可以懸停、抗振等問題。同時(shí)考慮復(fù)雜環(huán)境的不確定性，在系統(tǒng)的控制方法設(shè)計(jì)中同時(shí)引入了容錯(cuò)控制及魯棒技術(shù)。系統(tǒng)的定向、定位及定高主要通過陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)等外圍電路實(shí)現(xiàn)。無人機(jī)在圖像的獲取上，主要通過OPENMV來完成。設(shè)計(jì)掛鉤控件的過程中，為了確保物品順利脫鉤，采用雙線圈驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)脫鉤動(dòng)作雙保險(xiǎn)。在投放目標(biāo)點(diǎn)的識(shí)別和檢測上，系統(tǒng)通過視頻圖像處理來完成。同時(shí)在無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，若突發(fā)通信失常情況，系統(tǒng)將會(huì)觸發(fā)自主飛行，確保系統(tǒng)不受通訊突發(fā)狀況的影響。在無人機(jī)完成飛行任務(wù)后，系統(tǒng)會(huì)切換到自主返航模式，確保無人機(jī)在通訊中斷條件下的安全性。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器由四個(gè)帶漿葉的電機(jī)安裝在“十”字對(duì)稱架上，以STM32F407 芯片為系統(tǒng)的控制中心，外加MPU-605 型號(hào)陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、光流模塊、OPENMV、24C02、PWM I/O、LED 燈、穩(wěn)壓電源等外圍電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。對(duì)飛行器的控制實(shí)則是對(duì)電機(jī)的控制，通過控制器輸出四路PWM 波實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制以達(dá)到對(duì)整個(gè)飛行器的控制。當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的合扭矩和飛行器機(jī)身質(zhì)量一致時(shí)，飛行器處于懸停狀態(tài)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)自旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的合扭矩小于飛行器機(jī)身質(zhì)量時(shí)，飛行器處于降落狀態(tài)；當(dāng)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的合扭矩大于飛行器機(jī)身質(zhì)量時(shí)，飛行器處于上升狀態(tài)。無人機(jī)通過對(duì)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同的控制達(dá)到對(duì)飛行器俯仰角度、橫滾角度、偏航角度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的姿態(tài)控制。通常需要建立慣性坐標(biāo)系{X1，Y1，Z1}和機(jī)體坐標(biāo)系{X，Y，Z}來對(duì)四旋翼無人機(jī)模型進(jìn)行描述。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括無人機(jī)飛行控制設(shè)計(jì)、圖像識(shí)別及處理、通信及故障報(bào)警、自主返航超聲波避障4 大部分。圖像識(shí)別及處理主要包括截取圖像預(yù)處理、圖像融合、圖像分割、目標(biāo)特征提取和目標(biāo)鎖定5 個(gè)模塊。再通過圖像預(yù)處理算法、圖像融合算法、圖像分割識(shí)別算法、特征提取算法等進(jìn)行目標(biāo)地點(diǎn)選定。由于地理環(huán)境復(fù)雜，所以無人機(jī)所拍攝的圖片噪音大、對(duì)比度低。因此需要對(duì)圖片進(jìn)行圖像去噪、圖像濾波以及圖像灰度化處理。四旋翼無人機(jī)圖像識(shí)別流程如圖2 所示。

圖2 四旋翼無人機(jī)圖像識(shí)別流程圖

在通信正常時(shí)無人機(jī)可受控制，無人機(jī)由計(jì)算機(jī)或遙控器等設(shè)備進(jìn)行控制，直至完成飛行任務(wù)。若通信受阻或任務(wù)完成時(shí)，無人機(jī)通過超聲波避障等功能完成自主返航飛行。系統(tǒng)通電后，無人機(jī)將自動(dòng)進(jìn)行I/O 口、LED 燈、PWM 輸出、PID 參數(shù)等初始化。初始化完成，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待給定飛行任務(wù)。當(dāng)外部有任務(wù)給定時(shí)，無人機(jī)會(huì)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。完成任務(wù)后，無人機(jī)會(huì)進(jìn)行自診斷，判斷系統(tǒng)是否有故障，再回到待機(jī)狀態(tài)，等待給定下一個(gè)任務(wù)，直至系統(tǒng)收到結(jié)束任務(wù)。

3 總結(jié)

本文主要介紹了以STM32 控制器為核心的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)基于圖像處理的多用途無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過控制器控制外圍電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的監(jiān)測，系統(tǒng)通過MPU-6050 陀螺儀實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)及位置檢測，通過磁力計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)方向的定位，通過氣壓計(jì)定高無人機(jī)氣壓，通過OPENMV 獲取圖像，并通過光流模塊實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)飛行。為了順利完成每次任務(wù)，提高飛行的可靠性，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了飛行故障報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)故障進(jìn)行自診斷及故障處理，并判斷是否可繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)，提高安全性。同時(shí)，為了避免飛行距離過遠(yuǎn)及環(huán)境過于復(fù)雜問題，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了自主飛行功能。在飛行區(qū)域的選擇上，系統(tǒng)通過圖像預(yù)處理、圖像融合、圖像分割、目標(biāo)特征提取和目標(biāo)鎖定等方法實(shí)現(xiàn)，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。