史敏紅

（山西工程職業(yè)學(xué)院 山西 太原 030009）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展下，無人機在人們的現(xiàn)代生活中承擔(dān)著重要角色。 無人機憑借著自身便捷性強、體積小、受地形影響程度小等特點，廣泛地應(yīng)用于高空航拍中，為人們提供獨特的視覺體驗。 尤其是將無人機應(yīng)用于洪災(zāi)、泥石流等自然災(zāi)害中，可以在第一時間內(nèi)實時傳輸災(zāi)害第一現(xiàn)場受災(zāi)情況，并為災(zāi)害者投放相關(guān)物資，使得記者、救生員的人身安全得以有效保障，同時保障救援的高效性和精準(zhǔn)性［1］。 但是，如果遇到復(fù)雜天氣會降低無人機信號，導(dǎo)致無人機無法按照預(yù)先設(shè)定好的航線進行穩(wěn)定飛行。 為解決以上問題，本文設(shè)計和開發(fā)多用途四旋翼無人機系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，對無人機進行遠(yuǎn)程控制，并應(yīng)用圖像處理技術(shù)，促使無人機完成飛行任務(wù)，確保搶險人員即使遇到復(fù)雜環(huán)境，也能準(zhǔn)時到達(dá)受災(zāi)地區(qū)［2］。 所以，在圖像處理技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計多用途四旋翼無人機系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

結(jié)合系統(tǒng)需求分析情況，本文所設(shè)計的多用途四旋翼無人機系統(tǒng)必須滿足以下設(shè)計原則：①穩(wěn)定性原則。 穩(wěn)定性屬于系統(tǒng)重要性能指標(biāo)，系統(tǒng)只有在穩(wěn)定運行的狀態(tài)下才能有序正常地工作，因此在進行軟件設(shè)計、系統(tǒng)硬件選型方面，技術(shù)人員要重視對系統(tǒng)穩(wěn)定性提升。 ②安全性原則。 系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)作為用戶重要數(shù)據(jù)，技術(shù)人員要重視對數(shù)據(jù)的保護，提高其安全性，一旦系統(tǒng)在存儲數(shù)據(jù)期間缺乏相關(guān)安全保障，那么系統(tǒng)將會喪失存在的價值。 ③前沿性原則。 在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展下，智能產(chǎn)品更新迭代速度不斷加快，為了確保無人機系統(tǒng)不被快速淘汰，本文所設(shè)計的多用途四旋翼無人機系統(tǒng)必須運用先進、新型的技術(shù)，確保該系統(tǒng)能夠在長時間里更好地符合市場使用需求。 ④經(jīng)濟性原則。 目前，市場上出現(xiàn)多種無人機系統(tǒng)，各系統(tǒng)在功能設(shè)計上均有各自的優(yōu)勢，那么此時選用性價比高的無人機系統(tǒng)是用戶首要考慮的問題。 所以，在設(shè)計多用途四旋翼無人機系統(tǒng)期間，技術(shù)人員要重視對嵌入式設(shè)備以及高精度算法的運用，在保證系統(tǒng)功能實現(xiàn)效果的基礎(chǔ)上，最大化地降低系統(tǒng)設(shè)計成本，為保證系統(tǒng)的市場競爭力打下堅實的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計流程

系統(tǒng)整體設(shè)計流程如圖1 所示，從圖1 中可以看出，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從以下幾個方面入手：①在設(shè)計飛行控制系統(tǒng)時，要結(jié)合無人機在一定風(fēng)級下存在的懸停、復(fù)雜地理環(huán)境的不確定性等問題，應(yīng)用容錯控制技術(shù)，科學(xué)地設(shè)計系統(tǒng)控制方法。 ②在實現(xiàn)系統(tǒng)定向、定位和定高功能時，要借助陀螺儀、氣壓計等外圍電路［3］，對其進行設(shè)計和實現(xiàn)。 ③在獲取無人機圖像時，要借助機器視覺模塊，完成對所需無人機圖像的獲取和整理。 ④在設(shè)計掛鉤控件時，為保證物品能夠順利有效地脫鉤，需要采用雙線圈驅(qū)動法，保證脫鉤動作能夠順利完成。 ⑤在識別和檢測投放目標(biāo)點時，系統(tǒng)應(yīng)用視頻圖像處理技術(shù)［4］，對投放目標(biāo)點進行精確化識別。 ⑥在通信失常情況下，無人機要想順利執(zhí)行相關(guān)飛行任務(wù)，需要觸發(fā)系統(tǒng)自主飛行模塊，保證系統(tǒng)在實際運行中可以突破通信異常狀況的不良影響。⑦當(dāng)無人機順利完成各項飛行任務(wù)時，系統(tǒng)會自動切換為所設(shè)置好的自主返航模式，保證無人機在遇到通信失常情況下也能安全、順利返航到初始地點［5］。

2.2 系統(tǒng)運行原理設(shè)計

該系統(tǒng)運行原理如下：首先，通過借助高性能STM32控制器，智能化控制陀螺儀、氣壓計等外圍電路，確保無人機順利執(zhí)行懸停任務(wù)、定向任務(wù)、定位任務(wù)、測高任務(wù)等各項飛行任務(wù)，確保整個系統(tǒng)能夠智能化控制飛行任務(wù)，使得無人機在通信失常的情況下能夠自動切換為自主返航模式，安全返航到原始地點。 其次，系統(tǒng)內(nèi)部還配置了故障監(jiān)測功能和飛行狀態(tài)監(jiān)測功能，使得無人機飛行連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性得以大幅度提高。 借助無人機，可以向外部設(shè)備安全、可靠地傳輸相關(guān)畫面信息，這為后期高空航拍、防火巡視、犯罪追捕等工作提供了極大的便利。最后，通過將掛鉤模塊設(shè)置到系統(tǒng)中，對所投放物品進行智能化控制，確保物品能夠順利投放到目標(biāo)地點。

2.3 系統(tǒng)運行環(huán)境搭建

2.3.1 硬件環(huán)境

硬件環(huán)境搭建為裝置穩(wěn)定運行提供良好的硬件環(huán)境。硬件環(huán)境搭建主要涉及應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、客戶端機器三大部分，這三大硬件性能指標(biāo)配置結(jié)果如表1 所示，從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器兩種硬件的CPU、內(nèi)存參數(shù)一致［6］，但是應(yīng)用服務(wù)器的硬盤內(nèi)存相對較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器硬盤內(nèi)存，這是由于應(yīng)用服務(wù)器所服務(wù)對象是包含數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的整個裝置，而數(shù)據(jù)庫服務(wù)器服務(wù)對象僅僅是數(shù)據(jù)庫，所以應(yīng)用服務(wù)器硬盤的內(nèi)存相對較大。

表1 硬件環(huán)境表

2.3.2 軟件環(huán)境

軟件環(huán)境搭建，為后期裝置功能模塊設(shè)計提供良好的軟件環(huán)境。 軟件環(huán)境搭建主要涉及中間件、程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫、開發(fā)工具、編程語言等工具配置［7］，上述工具配置結(jié)果如表2 所示，從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，該裝置在具體設(shè)計時，主要選用了SQLServer2020 數(shù)據(jù)庫、Microsoft Visual Studio2020 開發(fā)工具、B/S 架構(gòu)以及JAVA 編程語言，通過運用軟件工具，可以保證整個裝置模塊的開發(fā)效率和效果，使得裝置模塊開發(fā)成本降到最低，可以獲得較高的社會效益和經(jīng)濟效益。

表2 軟件環(huán)境表

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

四旋翼飛行器內(nèi)部安裝電機，該電機含有四個帶槳葉，以“十”字形的方式設(shè)置到系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

從圖2 中可以看出，整個系統(tǒng)硬件主要是由光源模塊、機器視覺模塊、壓力計、磁力計、陀螺儀等部分組成。在控制四旋翼飛行器時，要做好對電機的有效控制［8］。 在控制電機期間，要運用STM32 控制器所產(chǎn)生的四路PWM波，智能化控制四個電機的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到智能化控制飛行器的目的。 四個電機轉(zhuǎn)子經(jīng)過長時間的旋轉(zhuǎn)后，會產(chǎn)生一定的合扭矩力，當(dāng)合扭矩力與飛行器重量相同時，四旋翼飛行器會處于懸停狀態(tài)；當(dāng)合扭矩力小于飛行器重量時，四旋翼飛行器會處于降落狀態(tài)；當(dāng)合扭矩力大于飛行器重量時，四旋翼飛行器會處于上升狀態(tài)［9］。 無人機通過智能化控制四個電機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)對四旋翼飛行器仰視角度的實時化、精確化控制和調(diào)整。 通常情況下，為實現(xiàn)對四旋翼無人機模型的精確化、詳細(xì)化描述，一方面構(gòu)建慣性坐標(biāo)系（X1，X2，X3），另一方面要重視對機體坐標(biāo)系（X，Y，Z）構(gòu)建。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在具體設(shè)計中，需要嚴(yán)格按照如圖3 所示的無人機圖像識別流程，完成對無人機圖像的識別和處理，并鎖定相應(yīng)的目標(biāo)地點。 無人機在實際飛行中，通常面臨地理環(huán)境復(fù)雜、拍攝噪音大、圖像對比度低等問題，所以，要從去噪、濾波處理、灰度化處理三個環(huán)節(jié)，對所拍攝的圖像進行系統(tǒng)化處理。 在通信正常情況下，借助計算機、遙控器，很容易精確地控制無人機飛行狀態(tài)，確保無人機順利完成各項飛行任務(wù)［10-11］。 在通信不暢的情況下，無人機要想完成各種飛行任務(wù)，需要運用超聲波避障模塊，進行自主返航飛行。 當(dāng)系統(tǒng)正常通電后，無人機可以在第一時間內(nèi)自動初始化處理I/O 端口、LED 燈、數(shù)字電視復(fù)用系統(tǒng)（packet identifier，PID）等參數(shù)。 當(dāng)無人機初始化結(jié)束后，該系統(tǒng)自動進入到待機狀態(tài)，等待和執(zhí)行后期所派發(fā)的飛行任務(wù)。 當(dāng)外部任務(wù)派發(fā)成功后，無人機會自動執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。 當(dāng)飛行任務(wù)完成后，無人機會采用自主診斷的方式，分析和判斷該系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障問題，并再次置于待機狀態(tài)，等待下一個飛行任務(wù)的派發(fā)和給定。

圖3 四旋翼無人機圖像識別流程圖

5 系統(tǒng)實驗結(jié)果分析

為驗證該系統(tǒng)的有效性和可靠性，技術(shù)人員采用實驗的方式，利用Microsoft Windows XP 操作系統(tǒng)，借助處理器完成對硬件配置，并選用型號為NVIDIA GeForce MX250的CPU，該CPU 內(nèi)存為60 G。 圖4 為該系統(tǒng)部署和搭建后，無人機視角下的目標(biāo)識別結(jié)果，從圖4 中可以看出，車識別率達(dá)到0.84；船識別率達(dá)到0.93，實驗結(jié)果有效地驗證該系統(tǒng)的可靠性和可行性。 總之，在本次實驗中可以將無人機飛行高度始終控制為6 m 左右，有效地提高了目標(biāo)識別結(jié)果，取得良好的應(yīng)用效果，完全符合預(yù)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求。

圖4 無人機視角下的目標(biāo)識別結(jié)果

6 結(jié)語

綜上所述，本文借助STM32 控制器，應(yīng)用圖像處理技術(shù)，完成了對多用途四旋翼無人機系統(tǒng)科學(xué)化設(shè)計。 該系統(tǒng)通過應(yīng)用STM32 控制器，可以實現(xiàn)對外圍電路的有效控制，從而達(dá)到及時監(jiān)測無人機當(dāng)前飛行狀態(tài)的目的。 該系統(tǒng)借助MPU-6050 陀螺儀，可以智能化、精確化檢測無人機飛行姿態(tài)和具體位置，通過借助磁力計，精確地定位無人機當(dāng)前飛行方向，并借助氣壓計，確定出無人機當(dāng)前所處的氣壓。 該系統(tǒng)結(jié)合所獲取的圖像信息，可以借助光流模塊，保證無人機定點飛行實現(xiàn)效果。 由此可見，本文所設(shè)計的多用途四旋翼無人機系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，值得被進一步推廣和應(yīng)用。