基于圖像識(shí)別的四旋翼無人機(jī)空中投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

劉 帥，翁發(fā)祿，郭海長(zhǎng)，韋 輝

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

1 引言

地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害給人類的安全帶來了巨大威脅，特別是災(zāi)害發(fā)生后交通中斷給災(zāi)害救援及物資補(bǔ)給造成極大的困難?？罩芯仍拔镔Y投放具有方便快捷、不易受地形地貌影響等特點(diǎn)。在災(zāi)害發(fā)生后，通過空中投放實(shí)現(xiàn)急需物資補(bǔ)給可以為后續(xù)救援贏得時(shí)間，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

四旋翼無人機(jī)具有操作方便、空中懸停、空間限制小等特點(diǎn)，進(jìn)而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及軍事偵察等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。通過四旋翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)災(zāi)害環(huán)境下急需物資及藥品等投放無疑具備較強(qiáng)實(shí)效性及可行性。但是，復(fù)雜災(zāi)害環(huán)境有可能造成無人機(jī)通信不暢，進(jìn)而干擾物資投放控制，降低投放的準(zhǔn)確性。通過圖像識(shí)別實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行及自主完成物資投放，可以大大提高救援效率，具有較高的研究?jī)r(jià)值。本文通過嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼的控制與自主飛行，并通過圖像識(shí)別等技術(shù)手段完成物資投放任務(wù)，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的救災(zāi)搶險(xiǎn)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括物資投放控件設(shè)計(jì)、復(fù)雜環(huán)境下四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無人機(jī)自主飛行及基于圖像識(shí)別的物資投放設(shè)計(jì)。在物資投放控件設(shè)計(jì)中，物資投放脫鉤控件的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到任務(wù)能否勝利完成。為了保證安全投放，在此采用雙線圈驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)脫鉤動(dòng)作的雙保險(xiǎn)。在四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到災(zāi)害環(huán)境復(fù)雜，飛行干擾因素眾多，將通過引入容錯(cuò)控制及魯棒技術(shù)實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的抗風(fēng)、抗振設(shè)計(jì)。在通信中斷后，自動(dòng)切換至自主飛行。在物資投放點(diǎn)選取中，考慮災(zāi)害環(huán)境下通信及視線受阻等情況，將通過視頻圖像處理，實(shí)現(xiàn)物資投放點(diǎn)的選取，完成投放。同時(shí)四旋翼無人機(jī)的控制還包括自動(dòng)返航設(shè)計(jì)。在任務(wù)完成后，飛行器根據(jù)設(shè)定原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自主返航。

3 硬件設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)的空中投放系統(tǒng)硬件如圖1 所示。在通信允許范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)將控制信號(hào)發(fā)送給無人機(jī)，無人機(jī)將位置及狀態(tài)信息反饋回計(jì)算機(jī)。當(dāng)無人機(jī)飛出通信范圍后切換至自主飛行狀態(tài)，系統(tǒng)通過圖像識(shí)別選擇投放區(qū)，通過脫鉤裝置完成投放后，自主返回設(shè)定地點(diǎn)。

圖1 四旋翼無人機(jī)的空中投放系統(tǒng)硬件示意圖

為了提高系統(tǒng)的可靠性，增加了故障報(bào)警模塊，主要包括電池電量預(yù)警、物質(zhì)投放驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)預(yù)警、旋翼故障預(yù)警、航線偏離預(yù)警等。圖像處理模塊主要通過圖像識(shí)別實(shí)現(xiàn)投放地點(diǎn)的選取，并發(fā)送信息給控制器實(shí)現(xiàn)飛行器的定點(diǎn)與物質(zhì)投放?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示?？刂浦行臑镾TM32F407 芯片，外圍電路主要有陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、光流模塊、攝像頭組件、24C02、PWM I/O、LED 燈、穩(wěn)壓電源等。陀螺儀選用MPU-6050，其為全球首例整合性6 軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，避免了組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。磁力計(jì)完成測(cè)量無人機(jī)與東南西北四個(gè)方向上的夾角，實(shí)現(xiàn)飛行方向固定。氣壓計(jì)通過檢測(cè)大氣壓實(shí)現(xiàn)飛行器定高。光流模塊主要實(shí)現(xiàn)飛行器穩(wěn)定懸停。飛行器通過四路PWM 輸出控制四路電調(diào)，進(jìn)而控制四個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過PWM 輸入口接收遙控接收機(jī)信號(hào)。LED 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)顯示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分：圖像識(shí)別、飛行器飛行控制、通信、故障診斷。圖像的識(shí)別流程如圖3 所示。系統(tǒng)首先對(duì)拍攝得到的圖像進(jìn)行截取，然后進(jìn)行圖像預(yù)測(cè)理，包括圖像去噪、圖像卡爾曼濾波及圖像灰度化處理。其次進(jìn)行圖像分析（主要包括子區(qū)域分割、閾值設(shè)定、特征分解及提?。?，進(jìn)而搜索到最適合的投放區(qū)域，完成投放任務(wù)。

圖3 圖像識(shí)別流程總體框架

在通信通暢條件下，無人機(jī)可以通過計(jì)算機(jī)控制完成飛行任務(wù)。在通信中斷后，無人機(jī)可以根據(jù)設(shè)定飛行范圍自主飛行，完成相關(guān)任務(wù)。軟件運(yùn)行流程如圖4 所示。

圖4 軟件運(yùn)行流程

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，主要包括LED 燈、I/O 口及參數(shù)等的初始化，部分初始化程序如下：

LED_Init();//led 初始化

USB_HID_Init();/初始化USB

Param_Read();//參數(shù)初始化

My_SPI_Init();//初始化SPI

pwm_o_init();//PWM 輸出初始化

pid_init();//pid 參數(shù)初始化

......................

初始化結(jié)束后，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，循環(huán)查詢外部任務(wù)輸入，當(dāng)有外部任務(wù)輸入時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。任務(wù)結(jié)束后，執(zhí)行一次故障診斷。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)故障情況決定是否退出循環(huán)。最后，系統(tǒng)收到結(jié)束命令后退出程序。

5 總結(jié)

本文基于STM32 控制器實(shí)現(xiàn)了基于圖像識(shí)別的四旋翼無人機(jī)空中投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過MPU-6050 陀螺儀實(shí)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)及位置檢測(cè)?；诖帕τ?jì)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)方向定位，采用氣壓計(jì)完成了其氣壓定高，并通過光流模塊實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)飛行。為了提高飛行可靠性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)故障檢測(cè)、處理及報(bào)警。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了豐富的IO 口，可以與遙控器、計(jì)算機(jī)等外設(shè)實(shí)時(shí)通信。在無人機(jī)超出無線通信范圍時(shí)，實(shí)現(xiàn)了其自主飛行，自動(dòng)完成飛行及物資投放任務(wù)。在物品投放的地點(diǎn)選擇上引入了圖像識(shí)別算法，通過圖像的預(yù)處理及分析完成投放地點(diǎn)選擇，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。