無人機(jī)在多傳感器的數(shù)據(jù)融合和校園防火應(yīng)用

董作峰 李想 吳蔚

摘要：無人機(jī)作為一種高新技術(shù)領(lǐng)域的熱門研究項(xiàng)目，吸引著全球各行各業(yè)的目光。首先，需要明確無人機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù);同時(shí)，傳感器是它的工作重心，而單一的傳感器的作用有限，多傳感器相互補(bǔ)充，共同發(fā)揮作用已成為主流;目前無人機(jī)應(yīng)用的難點(diǎn)在于多傳感器協(xié)同工作時(shí)的數(shù)據(jù)信息融合。本文主要介紹飛行中坐標(biāo)轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)融合理論及圖像探測(cè)，最后介紹了在校園防火方面的應(yīng)用，在安防方面有重要影響。

關(guān)鍵詞：坐標(biāo)轉(zhuǎn)化;數(shù)據(jù)信息融合;圖像探測(cè)

中圖分類號(hào)：TP319 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 無人機(jī)的組成部分、相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)化

1.1 組成部分

無人機(jī)主要由飛機(jī)機(jī)架、飛行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“飛控系統(tǒng)”）、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控器、遙控信號(hào)接收器、相機(jī)探測(cè)設(shè)備構(gòu)成。

（1）機(jī)架：機(jī)架的兩個(gè)重要參數(shù)是重量和軸距。分為機(jī)身和起落架兩部分。選材優(yōu)選復(fù)合材料，高強(qiáng)度，剛性強(qiáng)。螺旋槳和電機(jī)決定了機(jī)架的尺寸。槳翼越長(zhǎng)，電機(jī)越大，機(jī)架也越大。如圖1所示。

（2）飛控系統(tǒng)：飛控系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)的重點(diǎn)，是無人機(jī)的“心臟”。飛控系統(tǒng)主要由陀螺儀、加速度計(jì)、慣性測(cè)量單元（IMU）、氣壓計(jì)、磁力計(jì)（電子羅盤）、GPS、載波相位差分技術(shù)（RTK）及其他多種傳感器組成。

（3）動(dòng)力系統(tǒng)：無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)由螺旋槳、無刷電機(jī)、電調(diào)、電池組成。無人機(jī)通過漿翼產(chǎn)生反作用力推動(dòng)機(jī)體運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)的電調(diào)控制器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（4）遙控器：通過其來實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的控制。

（5）遙控信號(hào)接收器：讓飛控系統(tǒng)去接受操作者發(fā)出的信號(hào)。

（6）云臺(tái)相機(jī)：相機(jī)一般通過云臺(tái)（Gimbal）裝在無人機(jī)上，能滿足相機(jī)的3個(gè)自由度：繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)，軸心安裝電機(jī)，配合陀螺儀，避免像素的損失。

慣性模塊由MPU6050（陀螺儀、加速度計(jì)）、HMC5883L（磁力計(jì)）組成。選用的氣壓高度計(jì)為MS5611。采用的光流傳感器為PX4LOW。選用的氣壓高度計(jì)為MS5611。

1.2 相關(guān)傳感器

加速度計(jì)：不僅決定各方向加速力，還能決定傾斜角度，還可以檢測(cè)所受震動(dòng)。加速度計(jì)傳感器的數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的輸入。

磁羅盤：為無人機(jī)飛行提供方向數(shù)據(jù)。能夠偵測(cè)設(shè)備在X、Y、Z各軸向所承受磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)。為了獲得正確的方向，磁性數(shù)據(jù)還需要加速度計(jì)提供傾斜角度數(shù)據(jù)。

氣壓計(jì)：根據(jù)大氣壓力計(jì)算高度，協(xié)助無人機(jī)導(dǎo)航。

1.3 相關(guān)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化

（1）GPS導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS可以提供精度、緯度及高度3組數(shù)據(jù)。在進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算時(shí)我們需要把3個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成ECEF坐標(biāo)系下，然后再轉(zhuǎn)換成NED坐標(biāo)系下。其中，N為曲率半徑，相關(guān)信息如圖2所示。

（2）IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：在飛行控制過程中，加速度計(jì)與陀螺儀獲得無人機(jī)加速度和角速度信息，進(jìn)而估測(cè)位置、姿態(tài)、速度等數(shù)據(jù)。

（3）AHRS航姿參考系統(tǒng)：提供航向、橫滾和側(cè)翻等姿態(tài)信息。內(nèi)部采用的多傳感器數(shù)據(jù)融合進(jìn)行的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。

2 多傳感器的數(shù)據(jù)融合

在傳感器方面，多傳感器相互配合可以互相彌補(bǔ)缺點(diǎn)，增強(qiáng)各個(gè)方面的應(yīng)用能力，提高可信度和容錯(cuò)率。在數(shù)據(jù)精度上，無人機(jī)的多傳感器能得到多個(gè)數(shù)據(jù)，結(jié)合所有數(shù)據(jù)能夠得到更加精確的測(cè)量結(jié)果;同時(shí)考慮工作原理等因素來確保數(shù)據(jù)發(fā)揮作用。此外，也需要格外注意姿態(tài)精度和高度精度的時(shí)效性。

多傳感器數(shù)據(jù)融合的常用方法分為隨機(jī)和人工智能兩大類：隨機(jī)類方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計(jì)法[2]、D-S證據(jù)推理[3]、產(chǎn)生式規(guī)則等[4];而人工智能類則有模糊邏輯理論[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]、專家系統(tǒng)[7]等。

多傳感器信息融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型：

（1）集中式融合結(jié)構(gòu)（損失少，互關(guān)難）。

（2）分布式融合結(jié)構(gòu)（局部獨(dú)立）。

（3）混合式融合結(jié)構(gòu)（成本高）。

（4）多級(jí)式融合結(jié)構(gòu)（綜合）。

2.1 卡爾曼加權(quán)法的高度融合

2.2 異類傳感器協(xié)同探測(cè)

無人機(jī)電子偵察設(shè)備結(jié)合CCD相機(jī)協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行偵察并且發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)。電子偵察設(shè)備可以搜索、截獲、識(shí)別、定位和分析空中輻射的電磁能量。

同時(shí)應(yīng)電力線路安全巡檢需要，設(shè)計(jì)了集成光學(xué)、紅外、紫外、激光掃描等傳感器為一體的設(shè)備。

（1）可見光相機(jī)：對(duì)地表情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）紅外檢測(cè)設(shè)備：通過紅外線反饋的信息對(duì)溫度進(jìn)行采集。

（3）紫外檢測(cè)設(shè)備：通過紫外線的吸收量來檢測(cè)。

（4）空間掃描設(shè)備：通過AD和DA進(jìn)行信號(hào)處理。

3 關(guān)于校園防火系統(tǒng)的無人機(jī)

近幾年我國高校頻繁發(fā)生火災(zāi)事件，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，作為培養(yǎng)人才的地方，保證正常的秩序和學(xué)習(xí)環(huán)境是非常必要的。因此校園火災(zāi)問題尤為重要。

3.1 功能概況

對(duì)無人機(jī)進(jìn)行編程導(dǎo)航自主飛行，對(duì)校園進(jìn)行特定方式的自動(dòng)掃描，主要利用無人機(jī)的氣敏傳感器、溫度傳感器及成像和掃描設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)事故的初步判斷。一旦超過指定數(shù)據(jù)，立即觸發(fā)警報(bào)。同時(shí)，傳輸GPS圖像，便于相關(guān)人員及時(shí)判斷，減少誤差;無人機(jī)搭載水箱，及時(shí)應(yīng)對(duì)緊急情況，操作水箱，減少損失。

3.2 長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)

延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間[9]是完成任務(wù)的有利條件，下面介紹3種方式：

（1）最優(yōu)化設(shè)定固定軌跡，既可以保證無人機(jī)盡可能多的長(zhǎng)時(shí)作業(yè)，又可以降低成本。

（2）選用優(yōu)化的無人機(jī)，如續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)270 min的HYDrone-1800。

（3）實(shí)現(xiàn)無線充電[10]。無線充電站主要由電動(dòng)停機(jī)坪、充電艙艙門和無線充電艙3部分組成。通過光耦繼電器模塊控制系統(tǒng)的照明。無線充電艙內(nèi)的發(fā)射模塊和線圈，配合無人機(jī)上的掛載電路實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的無線充電（STM32F407VET6芯片，ESP8266 WiFi模塊，DS18B20溫度傳感器，無線充電模塊）。

3.3 避障系統(tǒng)

（1）幾種典型的障礙物模型：旋翼無人機(jī)包圍盒模型，建筑包圍盒模型，樹木包圍盒模型，路燈等公共設(shè)施包圍盒模型，禁飛區(qū)、限飛區(qū)等包圍盒模型。

（2）模擬飛行環(huán)境的柵格模型及高度模型。對(duì)包括圖書館、勤學(xué)樓、致學(xué)樓、餐廳、停車場(chǎng)等在內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行建模。用黑色柵格方塊表示該柵格存在障礙物，白色柵格方塊表示淺柵格中不存在障礙物。

（3）由于準(zhǔn)確測(cè)量飛行環(huán)境中障礙物高度工作任務(wù)復(fù)雜且意義并不大，所以本文將采用估計(jì)值對(duì)障礙物進(jìn)行高度估計(jì)，假定每層樓高3米，每棵樹高4米，路燈高6米，假設(shè)校園中不存在禁飛區(qū)、限飛區(qū)等。假定障礙物密集區(qū)域?yàn)檫B續(xù)且高度均勻的整體。

（4）基于A*算法[11]設(shè)計(jì)出規(guī)避路徑，設(shè)置不同的高度路徑代價(jià)比例值，實(shí)現(xiàn)不同的規(guī)避路徑。

（5）通過機(jī)體內(nèi)部自檢模塊，及時(shí)檢查故障[12]。

4 結(jié)語

在未來，無人機(jī)多傳感器技術(shù)在安防方面會(huì)越來越受歡迎。深入研究無人機(jī)飛行期間需要的相關(guān)系統(tǒng)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，會(huì)更好理解無人機(jī)的工作狀態(tài)，并對(duì)故障做出正確的判斷和處理，多傳感器數(shù)據(jù)融合的卡爾曼加權(quán)法是目前主要的融合方法。將多傳感器聯(lián)合處理技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際，對(duì)各種傳感器實(shí)施應(yīng)用，發(fā)揮各自作用，形成一個(gè)完整的安防無人機(jī)體系，提出了校園防火的實(shí)用模型，為以后深入研究做出了鋪墊。

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