小型攻擊型四旋翼無人機系統(tǒng)設計

任夢潔, 郭佳暉

(陸軍軍官學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，合肥 230031)

小型攻擊型四旋翼無人機系統(tǒng)設計

任夢潔, 郭佳暉

(陸軍軍官學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，合肥 230031)

針對目前攻擊型無人機戰(zhàn)場響應速度慢、難以支援戰(zhàn)術分隊的現(xiàn)狀，提出了小型攻擊型四旋翼無人機系統(tǒng)。該系統(tǒng)可由單兵攜帶，基于四旋翼的高穩(wěn)定性，能適應各種作戰(zhàn)條件，結合圖像處理技術，可以幫助士兵分析戰(zhàn)場形勢，快速識別敵方單位并發(fā)起攻擊，滿足了信息化條件下士兵的作戰(zhàn)需求，為陸軍戰(zhàn)術分隊的作戰(zhàn)手段打開了更廣闊的空間。

無人機； 單兵作戰(zhàn)； 圖像處理； 察打一體化

0 引言

目前，我國的無人機技術發(fā)展迅速，陸軍部隊大都配備了各類功能的無人機，以配合地面部隊的作戰(zhàn)行動,其中多以固定翼無人機為主，其準備周期長，戰(zhàn)場響應慢，難以根據戰(zhàn)局需要及時支援戰(zhàn)術分隊作戰(zhàn)，對“時敏目標”缺乏打擊能力。因此，陸軍急需一種成本低廉、操作簡單、可配備到連排一級并能快速部署的便攜式攻擊型無人機。

針對這個需求，提出了小型攻擊型四旋翼無人機系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了四旋翼技術、計算機技術、圖像處理技術和通信技術等，可以實現(xiàn)戰(zhàn)場偵察與打擊任務，大大提高了士兵的超視距作戰(zhàn)與偵察能力。士兵可以通過無人機獲取實時戰(zhàn)場圖像，根據戰(zhàn)場態(tài)勢做出正確的決策，同時基于圖像處理技術，還可以幫助士兵對戰(zhàn)場環(huán)境進行分析，識別出敵方單位，只需士兵確認目標后，無人機便能自行發(fā)起攻擊，這種“人在回路”的控制在方便士兵作戰(zhàn)的同時可以極大地減少誤傷友軍的概率[1-2]。

1 方案總體設計

1.1 設計框圖

該系統(tǒng)由四旋翼飛行器和地面控制站組成。四旋翼飛行器作為機載平臺，搭載了飛控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)以及無線傳輸系統(tǒng)。其中，飛控系統(tǒng)負責四旋翼飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定與航線規(guī)劃；火控系統(tǒng)可以根據地面站的遙控指令完成目標的瞄準與模擬導彈的發(fā)射，對目標進行實時和精準打擊;無線傳輸系統(tǒng)通過無線電實現(xiàn)機載平臺與地面控制站之間的通信。

地面控制站主要由加固筆記本電腦組成，負責戰(zhàn)場圖像信息的處理與四旋翼無人機的控制。圖1是該系統(tǒng)的數(shù)據鏈框圖。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據鏈框圖Fig.1 Block diagram of system data link

1.2 系統(tǒng)工作過程

戰(zhàn)場環(huán)境下，該無人機可由單兵攜帶，當需要對前方區(qū)域進行偵察而又不方便前行時，士兵可以通過地面站指引無人機飛往目標區(qū)域，無人機可以將攝像頭采集的圖像信息實時傳輸給地面站進行處理，一旦地面站匹配到既定目標，便會將其鎖定，士兵確認目標后，火控系統(tǒng)就會控制炮射云臺瞄準目標并實施攻擊，如果有遺漏目標，士兵也可手動發(fā)射武器完成打擊任務。

2 硬件設計方案

2.1 機載平臺

為適應在森林、密集街區(qū)等復雜地形的作戰(zhàn)需要，本系統(tǒng)選用在靜態(tài)和準靜態(tài)飛行狀態(tài)下具有優(yōu)勢的四旋翼無人機作為機載平臺。如圖2所示，無人機軸距0.41 m，最大載重量為3 kg，續(xù)航時間約為20 min，最大巡航速度為54 km/h，具有自主飛行與垂直起降的功能[3]。無人機采用折疊結構設計，折疊后無人機尺寸只有50 mm×35 mm×20 mm，便于單兵攜帶，進一步提高了該無人機的戰(zhàn)場響應速度。

圖2 小型偵察打擊一體化無人機Fig.2 Small reconnaissance and strike integrated UAV

2.2 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)主要包括飛行處理器、慣性測量單元、氣壓計和GPS模塊等幾部分。

飛行處理器采用STM32F427作為主控制器[4]， 并用STM32F103作為協(xié)助處理器。當主控STM32F427因出現(xiàn)故障而死機時，STM32F103可以迅速接管飛行控制，以保證無人機的飛行安全，不至于墜毀，這種雙控制器冗余設計極大地提高了空中飛行的安全性。

慣性測量單元采用集加速度計與地磁傳感器于一體的LSM303芯片和低功耗三軸陀螺儀芯片L3GD20H。這兩款芯片均可以采用I2C總線與處理器進行通信，速度可達400 kHz，工作溫度范圍在-40 ℃～+85 ℃之間，完全可以滿足姿態(tài)測量的需求。

2.3 火控系統(tǒng)

火控系統(tǒng)由火控電路板和炮射云臺組成，如圖3所示。

圖3 火控系統(tǒng)Fig.3 Fire control system

火控電路板以STC89C52RC芯片[5]作為處理器。STC89C52RC是一款基于51核的8位單片機，其可靠性較高，可以完成數(shù)據處理、電機驅動和控制繼電器的工作,主要用于接收地面站的控制指令，根據指令控制炮射云臺、瞄準目標并發(fā)射武器。

炮射云臺采用兩個步進電機控制炮臺的俯仰角與方位角，在水平方向上可以實現(xiàn)360°旋轉，在俯仰方向上可以實現(xiàn)0°～90°旋轉。

實驗階段采用模擬火箭來代替武器，模擬火箭射程100 m，不具備殺傷能力。該系統(tǒng)可以根據未來作戰(zhàn)需要，裝備小型槍械、煙霧彈和麻醉槍等武器，完成精確殺傷有生力量的任務。

2.4 無線傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用匯豐HC-12模塊進行數(shù)據的傳輸，將地面站處理的結果通過無線鏈路傳輸給火控系統(tǒng)。該模塊的工作頻率范圍433.4～473.0 MHz，空閑電流為16 mA,最大發(fā)射功率可達100 mW，最大傳輸距離可達1000 m，利用串口與處理器進行通信，使用簡單并且高效可靠[6]。

圖像的傳輸采用歐姆威5.8g模擬圖傳模塊，傳輸距離3 km左右，共有32個頻點可調，具有抗干擾能力強、發(fā)熱量少、壽命長等優(yōu)點。

2.5 地面控制站

地面控制站[7]處理器為Intel Corei 5-2400，主頻為3.10 GHz，內存為4.0 GB，主要有4個功能：1) 將采集到的視頻圖像實時顯示在電腦屏幕上，獲取直觀的戰(zhàn)場信息；2) 利用目標識別技術對傳回的圖像信息進行實時處理，實時識別出戰(zhàn)場上需要攻擊的目標；3) 將人作為控制回路中的一個環(huán)節(jié)，增強人機交互；4) 對無人機進行控制。

3 圖像算法

圖像算法的具體流程如圖4所示，由飛控算法控制無人機進行巡航飛行，通過攝像頭不斷實時采集幀圖像，發(fā)送到地面站，并對采集到的圖像進行灰度化、圖像增強、圖像濾波、圖像二值化等預處理，然后進行目標識別，若在圖像中識別到目標，則地面站向火控系統(tǒng)發(fā)送指令，包括進行攻擊和目標方位等信息，實現(xiàn)對目標的實時打擊。

圖4 圖像處理算法流程Fig.4 Flow chart of image processing algorithm

本系統(tǒng)對目標識別方法的實時性和準確性要求較高，因此選擇適用性和匹配能力比較強的SIFT算法。雖然SIFT算法對于旋轉、縮放以及亮度變化保持不變性，但由于其產生的SIFT特征維數(shù)比較大，因而造成算法復雜度高、計算量大，難以滿足實時性的要求;同時，SIFT特征點匹配包含了大量的誤匹配，因此其精度仍需提高?；诖颂岢隽烁倪M的SIFT特征圖像匹配算法[8]。主要改進措施分為兩類。

1) 減小匹配時間。針對特征向量維數(shù)過高的問題，采用新的方法生成SIFT特征描述符[9]，降低特征向量維數(shù)至64維，針對匹配公式計算量大的問題，采用協(xié)方差和反余弦函數(shù)代替歐氏距離描述兩個特征點之間的距離，從而減小了匹配時間。

2) 提高匹配精度。采用雙向匹配思想，并結合RANSAC一致性檢測算法消除錯配[10-11]，進一步提高SIFT算法的匹配精度，從而滿足了無人機對目標識別準確性和實時性的要求。

4 設計實現(xiàn)

為驗證該系統(tǒng)的有效性，搭建了四旋翼機載平臺，通過無線鏈路將無人機和地面控制站連接起來，并在操場設置了假目標，利用地面站控制無人機對操場進行搜索與偵察。一旦目標進入視野，地面站便能快速識別并鎖定目標，確認目標后，火控系統(tǒng)控制炮射云臺迅速瞄準目標，對其發(fā)起攻擊并命中。通過實驗驗證了飛行器飛控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)和目標識別方法設計的可靠性。實驗效果如圖5和圖6所示。

圖5 目標識別瞬間Fig.5 The moment of target recognition

圖6 火力打擊瞬間Fig.6 The moment of fire attacking

5 結束語

本文創(chuàng)新性地將四旋翼無人機作為武器平臺，可以實現(xiàn)垂直起降與自主飛行，具有方便攜帶、戰(zhàn)場響應速度快以及環(huán)境適應性強等優(yōu)點，利用地面站對圖像信息進行處理，可以快速準確地識別并鎖定敵方單位，輔助士兵作戰(zhàn)，提高了士兵的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，為戰(zhàn)術分隊偵察與打擊“時敏目標”提供了有效手段，在信息化作戰(zhàn)條件下具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 岳基隆,張慶杰,朱華勇.微小型四旋翼無人機研究進展及關鍵技術淺析[J].電光與控制,2010,17(10):46-52.

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[4] 黃智偉,于紅利,寧志剛,等.基于STM32F417的圖像采集系統(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2012,12(10):48-51.

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DesignofaSmallAttackingQuad-RotorUAVSystem

REN Meng-jie, GUO Jia-hui

(Laboratory of Guidance Control and Information Perception Technology of High Overload Projectiles,Army Officer Academy of PLA,Hefei 230031,China)

The attacking UAVs have slow response speed in the battlefield and have difficulty to support the tactical unit.To solve the problem,a small attacking quad-rotor UAV system is proposed.The system can be carried by one soldier,which is adaptive to a variety of operational conditions owing to the high stability of the four rotors.Combined with image processing technologies,the system can help soldiers analyze the battlefield situations,quickly identify enemy units and finally launch attacks.The system can meet the operational requirements of army soldiers under the modern operational conditions,and provide more possible operational methods for army’s tactical units.

UAV; individual combat; image processing; reconnaissance and strike integration

任夢潔，郭佳暉.小型攻擊型四旋翼無人機系統(tǒng)設計[J].電光與控制，2017，24( 11) : 88-90，99.REN M J，GUO J H.Design of a small attacking quad-rotor UAV system[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 88-90，99．

2016-12-08

2017-01-08

“十二五”裝備預研基金重點項目(9140A05030213JB910 13)

任夢潔(1993 —),女，陜西華陰人，碩士生，研究方向為目標探測與毀傷評估。

TP391.4

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.018