六旋翼飛行器紅外探測系統(tǒng)設(shè)計與驗證

張 雷，邱亞峰，孟 瑞

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六旋翼飛行器紅外探測系統(tǒng)設(shè)計與驗證

張 雷，邱亞峰，孟 瑞

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

為了在人員無法到達(dá)的位置進(jìn)行探測，設(shè)計出以六旋翼飛行器為搭載平臺的紅外探測系統(tǒng)。因為國內(nèi)外沒有一家將紅外可見光融合系統(tǒng)與六旋翼飛行器系統(tǒng)融于一體的科研單位，因此該項目尚處于探索階段。將先行進(jìn)行紅外探測系統(tǒng)與連接云臺的設(shè)計，使其實現(xiàn)水平方向可360°，俯仰可－90°～＋30°轉(zhuǎn)動，之后對所設(shè)計的探測系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集實驗，根據(jù)不同視場得到的圖像，可以驗證設(shè)計的六旋翼飛行器紅外探測系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

六旋翼飛行器；紅外探測系統(tǒng)；連接云臺；圖像采集

0 引言

現(xiàn)在對于大家來說旋翼式飛行器都不陌生，許多工科類院?；蛳嚓P(guān)研發(fā)公司都在進(jìn)行多旋翼飛行器的開發(fā)，目前比較普遍的有四旋翼飛行器、六旋翼飛行器，它們已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而紅外可見光融合系統(tǒng)是指將輕型紅外探測器與可見光（CCD）探測器捕獲的圖像進(jìn)行綜合，鑒于圖像融合技術(shù)的重要性，世界上大部分發(fā)達(dá)國家包括部分發(fā)展中國家都競相投入大量人力、財力和物力進(jìn)行圖像融合技術(shù)的研究，并已取得豐碩成果。例如美國研發(fā)團(tuán)隊基于人眼彩色視覺原理的融合方法已在1999年開發(fā)出紅外與可見光融合的夜視系統(tǒng)裝置、手持式及頭戴式雙傳感器夜視鏡等[1]。但是目前，國內(nèi)外還沒有一家將紅外可見光融合系統(tǒng)與六旋翼飛行器系統(tǒng)融于一體的科研單位，因此該項目尚處于探索階段，本文的目的是設(shè)計出可以與六旋翼飛行器連接的紅外可見光融合系統(tǒng)和用于連接兩者的云臺結(jié)構(gòu)，并驗證所設(shè)計系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的可行性。

1 技術(shù)要求與工作原理

1.1 技術(shù)要求

根據(jù)需要在空中對惡劣地理環(huán)境進(jìn)行圖像采集、同時又要適用于黑暗環(huán)境的特點，確定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 工作原理

本文將以六旋翼飛行器作為探測器的搭載平臺。參照技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)需實現(xiàn)水平方向360°全方位以及豎直方向－90°～＋30°區(qū)域的監(jiān)控掃描，該角度范圍主要依靠飛行器云臺來實現(xiàn)，飛行器云臺依靠3個舵機(jī)的驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)和一定角度范圍的俯仰運動。根據(jù)設(shè)計要求飛行器負(fù)載平臺需要將該探測器送到合適的位置并保持懸停狀態(tài)，完成圖像信息采集[2]。

探測器由輕型紅外探測器與CCD探測器組成。CCD探測器在光線良好的情況下可探測較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，對外界環(huán)境因素的依賴性較大，而紅外探測器則不易受外界環(huán)境因素干擾，可以全天候工作，無需借助其他光源便可對熱輻射源進(jìn)行探測[3]。探測器圖像分為兩路經(jīng)過無線傳輸設(shè)備傳輸至地面圖像融合處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，可以輸出單路視頻，也可輸出融合視頻，供選擇分析采用。DSP圖像融合系統(tǒng)主要由前端的探測模塊[4]和圖像融合電路板組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 紅外可見光融合系統(tǒng)設(shè)計

2.1 圖像融合探測器設(shè)計

設(shè)計的紅外可見光融合系統(tǒng)的探測器根據(jù)表1中的技術(shù)指標(biāo)選擇可見光探測器和紅外探測器：可見光探測器所使用的CCD是Watec公司的WAT-902H2（PAL）型高分辨率高靈敏度彩色攝像機(jī)。該探測器采用1/3In CCD圖像傳感器，有效像素數(shù)為752（H）×582（V），重量約140g，具有功耗低、體積小、重量輕、成像質(zhì)量好等優(yōu)點。探測器的鏡頭是中聯(lián)科創(chuàng)的VM08050MP型可見光鏡頭，焦距范圍8～80mm，視場角7.2°～41°，重量約100g；紅外探測器采用的是廣州颯特公司的HR320型非制冷紅外熱成像機(jī)芯，工作波段8～14mm，分辨率384×288，并配有電控調(diào)焦紅外鏡頭，視場角11°～8.2°，焦距5m～￥。

2.2 圖像融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖像視頻采集的質(zhì)量不僅與紅外探測器、CCD探測器及無線傳輸模塊性能參數(shù)有關(guān)，還與輕型紅外與CCD融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計相關(guān)。該融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點是保持兩套探測器視場大小相同并且有效重合，視場即通過探測器觀測到的可視域的大小，兩套探測器視場完全重合才能保證得到更好的融合圖像質(zhì)量。為滿足視場重合要求，探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

表1 探測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

圖1 紅外圖像融合系統(tǒng)原理框圖

圖2可見探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其各零部件的裝配關(guān)系，為保證紅外與CCD探測器光軸平行，這兩部分安裝于前面板上，紅外探測器固定安裝在前面板右側(cè)，使其軸線垂直于前面板，CCD探測器由鏡頭固定圈連接到前面板上，該部分可以微調(diào)，三維裝配圖如圖3(a)所示，實物如圖3(b)所示。

鏡頭固定圈上下設(shè)計2個3通孔，左右設(shè)計兩個M3螺紋孔，鏡頭固定圈與前面板用兩根固定銷連接，探測器與鏡頭固定圈裝配到位后用兩個指螺緊固，保證探測器可以與固定圈一起繞固定銷小幅度轉(zhuǎn)動，便于調(diào)節(jié)CCD探測器的視場使其與紅外探測器視場重合。左側(cè)面板與支撐板分別設(shè)計一個圓柱凸臺，并在凸臺中心設(shè)計一螺紋通孔，將CCD探測器調(diào)節(jié)精準(zhǔn)之后用兩根螺釘安裝在凸臺螺紋孔中并且擰緊使其分別頂住探測器左右兩側(cè)。

2.3 圖像融合系統(tǒng)光軸調(diào)校

配準(zhǔn)前可見光探測器和紅外探測器拍攝到的靶標(biāo)圖像[5]以及它們的融合圖像如圖4所示?？梢姽鈭D像4(a)中靶標(biāo)成黑色十字線，紅外圖像4(b)中靶標(biāo)成白色十字線。在融合圖像4(c)中兩個十字線位置錯開，水平方向相差15個像素，垂直方向相差13個像素，紅外探測器分辨率為384×288，視場角為11°～8.2°，根據(jù)公式(1)計算可得[6]，可見光探測器和紅外探測器水平方向光軸偏差7.5mrad，垂直方向光軸偏差6.5mrad：

式中：為探測器的視場角；為該視場角對應(yīng)的像素數(shù)；為該方向上十字線偏差像素數(shù)；為光軸偏差量，mrad。

1.接收機(jī)1 2.電池 3.左側(cè)面板 4.CCD探測器 5.鏡頭固定圈 6.CCD鏡頭 7.底板 8.接收機(jī)2接收機(jī)盛放盒 10.上面板 11.支撐板 12.紅外探測器 13.調(diào)節(jié)孔 14.紅外鏡頭

圖2 探測系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of detection system

以輕型紅外探測器為基準(zhǔn)對CCD探測器安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到配準(zhǔn)后可見光探測器和紅外探測器拍攝到的靶標(biāo)圖像以及它們的融合圖像如圖5所示，可見光圖像5(a)與紅外圖像5(b)中的靶標(biāo)重合，誤差在一個像素以內(nèi)，根據(jù)公式(1)計算可得，可見光探測器和紅外探測器水平方向光軸偏差0.5mrad，垂直方向光軸偏差0.5mrad，符合設(shè)計要求。

3 連接云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，云臺除用于安裝紅外可見光探測系統(tǒng)外，還需要實現(xiàn)水平方向360°，俯仰－90°~＋30°轉(zhuǎn)動。本文設(shè)計的云臺由3種運動機(jī)構(gòu)組成：縱向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰運動機(jī)構(gòu)。縱向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要起到兩個作用：第一作為飛行器與探測系統(tǒng)提供銜接，第二保證飛行器云臺具備360°全方位轉(zhuǎn)動能力，保證探測監(jiān)視的快速響應(yīng)特性；橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用分為：增穩(wěn)作用，保持云臺安裝探測系統(tǒng)的載物臺面保持水平；俯仰運動機(jī)構(gòu)作用：變換探測系統(tǒng)拍攝角度，保證能夠探測到仰角15°以下的任意目標(biāo)物（角度低于15°，主要考慮兩點：①飛行器能夠飛到制定點進(jìn)行圖像采集活動；②角度大于15°會導(dǎo)致機(jī)臂頭端包括無刷電機(jī)、旋翼進(jìn)入探測系統(tǒng)視場）[7]。

3.1 縱向周轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在縱向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，要求云臺整體水平旋轉(zhuǎn)速度不能過快，轉(zhuǎn)速過高不易控制合理的定位，轉(zhuǎn)速過慢不能夠及時跟蹤目標(biāo)物，造成圖像采集延遲，最好能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速控制在0.15r/s左右。舵機(jī)轉(zhuǎn)速由無負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過60°角所需時間來衡量，常見舵機(jī)的速度一般在0.11s/60°～0.21s/60°之間[8]。換算成轉(zhuǎn)速為：0.794r/s～1.515r/s，若將舵機(jī)轉(zhuǎn)速計算云臺轉(zhuǎn)速需計算傳動比，依據(jù)公式(2)：

＝a/b＝ba＝a/b＝b/a(2)

式中：為傳動比；a、a、a、a分別為舵機(jī)齒輪的角速度、轉(zhuǎn)速、直徑、齒數(shù)；b、b、b、b分別為云臺齒輪的角速度、轉(zhuǎn)速、直徑、齒數(shù)。

由云臺轉(zhuǎn)速及舵機(jī)轉(zhuǎn)速范圍可計算出傳動比的范圍：5.3＜＜10.1。因此在負(fù)載不大的情況下優(yōu)先考慮小傳動比設(shè)計，齒輪傳動符合設(shè)計要求，根據(jù)傳動比范圍選用傳動比＝6，連接情況如圖6所示。圖6中可清晰看出各零部件之間的裝配關(guān)系，即銷軸用于飛行器升力單元與落地支撐單元的銜接。舵機(jī)帶動小齒輪轉(zhuǎn)動時，由于大齒輪與飛行器動力單元固定不動，舵機(jī)連同飛行器落地支撐單元圍繞大齒輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)云臺360°全方位運轉(zhuǎn)。

3.2 橫向周轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

飛行器探測系統(tǒng)主要針對圖像視頻的采集而研發(fā)，圖像質(zhì)量的好壞決定了飛行器探測系統(tǒng)的性能好壞。對目標(biāo)物圖像信息進(jìn)行采集時，為提高畫面質(zhì)量，要保證探測系統(tǒng)紅外鏡頭軸線與CCD鏡頭軸線所在平面處于水平位置，這就要求飛行器云臺具備一定的橫滾能力[9]。飛行器調(diào)整飛行姿態(tài)完成指定運動要求，會造成機(jī)身傾斜，尤其當(dāng)飛行器做向右、向左飛行時，沒有橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)時，探測器帶來的傾角將得不到補(bǔ)償，采集的圖像會嚴(yán)重傾斜，令人視覺疲勞[10]。

圖4 配準(zhǔn)前十字靶標(biāo)圖像

圖5 配準(zhǔn)后十字靶標(biāo)圖像 Fig.5 Cross target images after registration

圖6 縱向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要具備響應(yīng)快速的特性，因此所用舵機(jī)應(yīng)具備較高轉(zhuǎn)速，由于重力的作用，探測器安裝于飛行器云臺上方后，自身重力能夠輔助舵機(jī)完成保持水平的動作，因此對于舵機(jī)來說，扭矩不用太高，又因為雙傳感器探測系統(tǒng)安裝于俯仰機(jī)構(gòu)上，因此橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)整體尺寸較大，為了減輕總體重量預(yù)留足夠大的安裝空間，動力傳動設(shè)計采用同步帶傳動，最小傳動比為飛行器水平放置時的位置，此時≈4。橫向周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動力源選用STO960HMG-3.5T型號數(shù)字舵機(jī)，該舵機(jī)運轉(zhuǎn)角度范圍－90°～90°，扭矩為12.2kg×cm，轉(zhuǎn)速為0.16s/60°（1.042r/s），由式(2)及當(dāng)傳動比＝4時，得滾轉(zhuǎn)速度為0.26r/s，能夠滿足使用要求。設(shè)計的周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示，圖7(a)為周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維裝配效果圖，圖7(b)為左視圖。

3.3 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計

飛行器云臺俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計是保證探測系統(tǒng)能夠完成對正下方到水平偏上的區(qū)域進(jìn)行掃描探測，云臺俯仰機(jī)構(gòu)的動力輸出為俯仰軸系，該軸系由云臺支撐架、左側(cè)傳動支撐軸系、右側(cè)支撐軸系及負(fù)載臺等組成。三維設(shè)計效果如圖8所示。

3.4 飛行器探測系統(tǒng)整機(jī)展示

結(jié)合空間布局對以上幾部分運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并將各部分設(shè)計好的元件出具工程圖，對所有元件進(jìn)行定制或采購，最后裝配在一起。整機(jī)如圖9所示。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

我們對基于無人機(jī)平臺的紅外與可見光圖像融合系統(tǒng)[11]進(jìn)行了室外飛行的圖像采集實驗，圖10(a)為飛行器搭載探測器飛行并且采集圖像的實驗。為充分保證實驗安全性使飛行器高度到達(dá)20m左右懸停，此時飛行器距路上行走的人員兩點之間的距離約為40m。圖10(b)～(d)為探測系統(tǒng)采集到的圖像，圖(b)為可見光圖像，圖(c)為紅外圖像，圖(d)為融合圖像。由圖可見，無人機(jī)搭載探測器從空中拍攝圖像，經(jīng)無線傳輸模塊傳輸?shù)降孛娼邮掌?，能夠采集到較為穩(wěn)定清晰的圖像。對比3張圖可以看出可見光圖像較為清晰的反映出視場內(nèi)人物及路面的景象；由于室外氣溫較低，路面熱輻射較少，紅外圖像可以清晰地辨認(rèn)出路面上行走的人員目標(biāo)；而融合圖像具備兩者圖像的優(yōu)點，背景清晰、目標(biāo)明顯[12]。

Fig.7 Schematic diagram of lateral flow diagram

1舵機(jī)安裝板 2.舵機(jī) 3.工字支撐板1 4.小齒輪 5.大齒輪工字支撐板2 7.軸套1 8.銷軸1 9.負(fù)載臺

Fig.9 The detection system

圖10 飛行器搭載探測器飛行采集圖像

5 結(jié)論

基于六旋翼飛行器平臺的紅外與可見光圖像融合感知系統(tǒng)實現(xiàn)了圖像融合系統(tǒng)與無人機(jī)的有效結(jié)合，在圖像融合系統(tǒng)已有的探測優(yōu)勢下，進(jìn)一步提高了其探測能力，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，操作簡單，性能穩(wěn)定。無人機(jī)可以將探測器帶到人員無法到達(dá)的位置進(jìn)行探測，其自主懸停、定位、巡航等功能為探測提供了很好的支持，為應(yīng)對特殊的探測環(huán)境提供可能性。

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Six Rotor Aircraft Infrared Detection System Design and Verification

ZHANG Lei，QIU Ya-feng，MENG Rui

(,,210094,)

This infrared detection system, in which the six rotor aircraft is the carrying platform, is designed for detecting the area people have no access to. Since no R&D institution has been capable of integrating six rotor aircraft system with fusion technology of infrared and visible image, this project is still at a groping stage. This article covers the design of infrared detection system and connection structure which enables it rotate 360°in horizontal direction and －90°to＋30°in the direction of pitch axis. And the images of different views from image acquisition test can prove that infrared detection system with six rotor aircraft meets the design requirements.

six rotor aircraft，infrared detection system，connection structure，image acquisition

TN216

A

1001-8891(2015)08-0685-06

2015-01-16；

2015-03-10.

張雷，男（1989-），江蘇南通人，碩士研究生，從事機(jī)械電子工程方面研究。E-mail：843149114@qq.com。