搜救抓取一體化無(wú)人機(jī)的方案設(shè)計(jì)

章東莞 張揚(yáng) 田文強(qiáng) 熊欣 胡楊

摘 ?要：無(wú)人機(jī)由于其小型化、快速起降和無(wú)機(jī)載人員等特點(diǎn)，特別適用于搜索和災(zāi)害救援，該功能要求無(wú)人機(jī)通過(guò)機(jī)載設(shè)備在目標(biāo)區(qū)域?qū)ふ?，選定并抓取“目標(biāo)物品”;然后攜帶“目標(biāo)物品”放到指定區(qū)域。本設(shè)計(jì)所要完成的目標(biāo)定位系統(tǒng)搭建是通過(guò)圖傳將獲取的圖像信息回傳到地面站，然后電腦通過(guò)視頻采集卡讀取圖像信息并結(jié)合操作者通過(guò)紅外裝置確定的預(yù)抓取平面，在處理后獲得圖像中“目標(biāo)物品”的圖像坐標(biāo)，之后通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成“目標(biāo)物品”在真實(shí)世界中的坐標(biāo);最后將坐標(biāo)發(fā)送給抓取平臺(tái)實(shí)現(xiàn)抓取。

關(guān)鍵詞：搜救;圖像;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;一字線紅外激光器

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）22-0105-03

Abstract： Due to its miniaturization， rapid take-off and landing， and inorganic personnel， the UAV is especially suitable for search and disaster rescue. This function requires the drone to search for the target area through airborne equipment， select and capture "target item"; then carry the "target item" to the designated area. The target positioning system to be completed by the design is to transmit the acquired image information to the ground station through the image transmission， and then the computer reads the image information through the video capture card and combines the pre-crawling plane determined by the operator through the infrared device to process.The image coordinates of the "target item" in the image are obtained; then the coordinate of the image is converted into the coordinates of the "target item" in the real world by coordinate conversion; finally， the coordinates are sent to the crawling platform to implement the grab.

Keywords： search and rescue; image; coordinate transformation; one-line infrared laser

引言

無(wú)人機(jī)在近些年已經(jīng)從軍事領(lǐng)域進(jìn)軍到民用行業(yè)中，在搜救、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、以及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛應(yīng)用。在無(wú)人機(jī)偵察搜救方面的應(yīng)用比如火場(chǎng)救援，地震災(zāi)區(qū)搜救，以及航模搜救，基于無(wú)人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性都有著廣闊的應(yīng)用前景。然而當(dāng)下國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)人機(jī)搜救抓取方面的研究尚不成熟，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)NRSL實(shí)驗(yàn)室的研究成果中，無(wú)人機(jī)無(wú)需第三方設(shè)備的輔助，僅依靠自身的傳感器和相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，軌跡規(guī)劃和抓取控制。目標(biāo)識(shí)別和定位的還存在一些問(wèn)題，其PID控制軌跡的效果并不是很好，在現(xiàn)實(shí)中單件應(yīng)用起來(lái)成本高，還未具有成熟的使用價(jià)值。山西大同大學(xué)橋棟碩士的研究成果中談及的鐵絲網(wǎng)抓取方案雖然抓取面積大，但固定性不好，容易掉落。

1 基本原理

搜救抓取一體化無(wú)人機(jī)主要由數(shù)字定位系統(tǒng)，機(jī)械定位系統(tǒng)，紅外輔助定位系統(tǒng)，主控系統(tǒng)和四旋翼系統(tǒng)五部分組成，為了實(shí)現(xiàn)搜救與抓取一體化，直接思路是在無(wú)人機(jī)上復(fù)合具有抓取功能的系統(tǒng)，而要完成抓取功能需要先實(shí)現(xiàn)定位的功能，為實(shí)現(xiàn)定位，可采用在四旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)架上搭載一個(gè)拍攝無(wú)人機(jī)下方的高清攝像頭，通過(guò)該攝像頭將包含目標(biāo)的圖像回傳到操控者的圖像顯示系統(tǒng)，利用MATLAB進(jìn)行圖像處理，獲得目標(biāo)抓取點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)，再將其傳入arduino 控制板上，通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械定位機(jī)構(gòu)使機(jī)械爪接收控制板發(fā)出的信號(hào)移動(dòng)到對(duì)應(yīng)目標(biāo)正上方，至此就實(shí)現(xiàn)了定位的功能。通過(guò)設(shè)計(jì)可以伸縮并在不同高度閉合抓取的機(jī)械手從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的抓取。特別的，對(duì)于圖像中不同高度的目標(biāo)點(diǎn)的拾取問(wèn)題，可采用能在機(jī)架上上下移動(dòng)的一字線激光源來(lái)輔助操作者確定目標(biāo)物品的待抓取點(diǎn)在圖像中的位置并同時(shí)把高度對(duì)應(yīng)匹配上。這里采用的是半人工定位的方式，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和靈活性。該系統(tǒng)的模型如圖1所示。

2 數(shù)字定位系統(tǒng)?

2.1 概述

搜救與抓取一體化無(wú)人機(jī)在人工控制下進(jìn)行抓取動(dòng)作時(shí)，因?yàn)樽ト∧繕?biāo)地點(diǎn)是未知的，所以需要將圖像傳入到人工控制平臺(tái)處，由操作人員根據(jù)實(shí)時(shí)圖像確定抓取目標(biāo)位置。MATLAB有對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理的功能，可以得到在MATLAB上某個(gè)像素點(diǎn)的位置，因此可以利用這個(gè)特點(diǎn)提前將無(wú)人機(jī)機(jī)架下方的若干個(gè)指定平面上每個(gè)點(diǎn)的位置與MATLAB上對(duì)應(yīng)面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)。當(dāng)要抓取圖像中的某個(gè)目標(biāo)時(shí)，只需要人在MATLAB上拾取合適的像素點(diǎn)，就可以得到目標(biāo)在機(jī)架下方某平面內(nèi)的較為精確的位置。坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布B接示意圖如圖2所示。

2.2 不同高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于需要建立攝像頭捕捉的目標(biāo)位置與實(shí)際坐標(biāo)的關(guān)系并且要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同高度目標(biāo)物的抓取，所以需要在MATLAB上建立不同高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

為了獲得更大的視野，需將攝像頭偏離軸線斜置約20度，然后對(duì)傳輸回來(lái)的圖像進(jìn)行桶型畸變矯正，這里采用空間坐標(biāo)的前向映射法和雙線性插值法相結(jié)合的方法。為了獲取正確的目標(biāo)坐標(biāo)以及簡(jiǎn)化后續(xù)抓取運(yùn)算步驟，需要進(jìn)行一個(gè)透視變形以此建立一個(gè)虛擬救援平臺(tái)。

在獲取紅外輔助定位系統(tǒng)所得到的高度值之后，即待抓取目標(biāo)高度值，將以像素坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換順序從上位機(jī)發(fā)送正確的待抓取物的三維坐標(biāo)值。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖3。

經(jīng)過(guò)上述變換以后，所得到的（x2，y2）都是相對(duì)于圖像中X1軸和Y1軸投影到地面中的X2軸Y2軸的距離。我們?cè)趯?shí)際中所使用的坐標(biāo)系是以救援平臺(tái)的角度轉(zhuǎn)軸與地面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，角度轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閆w軸，XwYw平面在地面上的三維XwYwZw坐標(biāo)系，因此還要進(jìn)行一個(gè)坐標(biāo)的平移。為了方便坐標(biāo)的平移我們使用十字線紅外激光作為輔助。十字線紅外激光固定在救援平臺(tái)的一腳上上下移動(dòng)，這樣就可以確定Xw軸和Yw軸的位置。由此就可以算出需要進(jìn)行平移的量，再給不同象限的值加上相應(yīng)的正負(fù)號(hào)，就可以得到真實(shí)的坐標(biāo)值。

3 機(jī)械定位系統(tǒng)

搜救與抓取一體化無(wú)人機(jī)在人工控制下進(jìn)行搜救與抓取動(dòng)作時(shí)，因?yàn)樾枰ト∥锏木_位置并不是已知的，所以不能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)抓取，只能在人工控制下到達(dá)目標(biāo)正上方一定范圍內(nèi)。所以，有必要設(shè)計(jì)出能夠?qū)C(jī)械爪移動(dòng)到目標(biāo)正上方的機(jī)械結(jié)構(gòu)。而這個(gè)結(jié)構(gòu)要能夠受主板控制系統(tǒng)控制，到達(dá)主板指定位置?？梢圆捎脴O坐標(biāo)系定位，用一個(gè)360度舵機(jī)控制機(jī)械爪的頂部移動(dòng)，使用角位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出量的控制，另用一個(gè)360度舵機(jī)，用同步帶及帶輪連接的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)量轉(zhuǎn)化為直線位移量。機(jī)械定位模型圖如圖5所示。

4 紅外輔助定位系統(tǒng)

在機(jī)架的一個(gè)腳上裝上一個(gè)可以上下滑動(dòng)的同步皮帶，在皮帶上裝上一字線激光器，轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶的同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由360度小舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)并且用電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高度的反饋，該360度舵機(jī)由操控者來(lái)直接操控，一字線激光輔助操控者判斷想要抓取物體部分的高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的不同高度部位的抓取。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

5 主控系統(tǒng)

通過(guò)獲得目標(biāo)在圖像中的像素坐標(biāo)以后，還需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以獲得目標(biāo)的世界坐標(biāo)。然后將目標(biāo)在笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，一系列轉(zhuǎn)換以后MATLAB會(huì)將坐標(biāo)通過(guò)串口發(fā)送給地面站的arduino控制板，然后再通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給救援平臺(tái)上的控制板從而實(shí)現(xiàn)抓取。控制示意圖如圖 7所示。

6 結(jié)論

（1）本文基于MATLAB軟件以及無(wú)限終端設(shè)備建立了一套可行的搜救抓取一體化無(wú)人機(jī)方案：通過(guò)高清攝像頭將包含目標(biāo)的圖像回傳到操控者的圖像顯示系統(tǒng)，利用MATLAB進(jìn)行數(shù)字圖像處理獲得目標(biāo)抓取點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)，再將其傳入控制芯片上，通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械定位機(jī)構(gòu)使機(jī)械爪移動(dòng)到對(duì)應(yīng)目標(biāo)正上方實(shí)現(xiàn)抓取。

（2）為了實(shí)現(xiàn)可以抓取不同高度，不同形狀的立體的目標(biāo)物，本文設(shè)計(jì)采用一字線激光源來(lái)輔助操作者確定目標(biāo)物品的待抓取點(diǎn)在圖像中的位置能夠與相應(yīng)高度的平面對(duì)應(yīng)起來(lái)，采用可以在不同高度閉合抓取的機(jī)械手從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的抓取。

（3）該方案仍有些許不足，對(duì)操作者有一定要求，并且無(wú)人機(jī)需要降落在平坦的地面上，抓取精度也不是很高。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬棟，薛彩梁.某空中飛行器抓取裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].山西大同大學(xué)，2016.

[2]都業(yè)貴.基于視覺(jué)伺服的飛行機(jī)械臂抓取控制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]張蕾.國(guó)外無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2009，49（07）：88-92.

[4]曹志偉.無(wú)人機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].民營(yíng)科技，2017（04）：57.

[5]潘煉.傳感器原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[6]王祁.傳感器信息處理及應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2012.

[7]高宏.基于Pro/E的三自由度機(jī)械臂末端執(zhí)行曲線軌跡勻速運(yùn)動(dòng)的仿真與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造工藝設(shè)備，2014（4）.

[8]沈洪星.單/多四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及若干應(yīng)用的研究[D].浙江大學(xué)，2016.

[9]高珍，鄧甲昊，孫驥，等.微型無(wú)人機(jī)圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2007，25（16）：68-72.

[10]劉亞強(qiáng)，陳文藝.桶形畸變圖像的一種校正方法[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，17（2）：27-30.