基于LED 顯示系統(tǒng)的戶外新媒體無人機研究

秦朝奕，周彥昂，柏廣銀，荊 暢，雷 鳴，龔紅梅

（蘇州城市學院 光學與電子信息學院，江蘇 蘇州）

基于LED 顯示系統(tǒng)的戶外無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。近年來，無人機從軍用領域延伸至民用領域。民用無人機產業(yè)體系逐漸完備，人才、技術、資本等要素日益完善，各類產業(yè)跨界融合，有力推動無人機產業(yè)新發(fā)展[1]。目前針對“無人機+”的相關研究有很多，羅明達等人專研植保無人機變量噴霧系統(tǒng)，提升現有植保無人機噴霧流量隨飛行速度變化自適應調整的精準性，降低施藥偏差[2]。屈瑩等人采用無人機遙感探測技術實現對國土空間規(guī)劃用地的遙感影像監(jiān)測，提取國土空間規(guī)劃用地測繪遙感影像的邊緣輪廓[3]。朱外明等人研究物流柜與無人機協(xié)同配送，制定無人機的飛行路線和物流柜上的服務順序，解決最小完工時間問題[4]。李亞東等人探索了一種基于目標檢測模型和多目標追蹤的無人機造林成活率自動檢測方法[5]。

以上研究大多針對開發(fā)無人機應用新發(fā)展以及完善技術方案、提高技術水平。中國無人機產業(yè)的發(fā)展隱患，具體表現為產業(yè)內和產業(yè)間協(xié)同的復雜性和高難度[6]。正是如此，“無人機+”新應用的發(fā)現與技術落實更具難度。雖然無人機的應用范圍十分廣泛，但主要應用在攝影，植保、災難救援、監(jiān)控、測繪等領域，但是“無人機+”的衍生產品擁有傳媒類空缺。而在能夠利用低空資源起到傳媒作用的無人機領域，只有無人機編隊能實現這一功能，但其資源消耗巨大，只能應用于特定場合，不適合推廣大規(guī)模的采用。而將無人機設備與現代化全息顯示設備結合，打造具備傳播信息和互動能力的戶外新媒體無人機，充分利用低空資源，應用前景廣闊。單機一體化戶外新媒體無人機作為空中的獨特移動信息傳播載體，具有其他媒體無可比擬的優(yōu)勢，適航性強，機動性好，可以在特定高度特定場所，不受地面障礙物限制，用于品牌、產品廣告投放以及空中表演、燈光秀和重要信息傳遞等。時效性強，可出現在比賽現場、活動策劃會場、禮儀慶典、盛大游行等重要場合，同時在針對場合設計特定可更內容，實現信息內容的精準投放。目前單機戶外新媒體無人機的設計和研發(fā)關注度較低。

本文設計出一種單機一體化戶外新媒體無人機，利用人眼視覺暫留效應，高速旋轉的LED 燈帶能形成顯示畫面從而進行信息的傳播。本文設計的戶外新媒體無人機，通過將無人機與旋轉LED 顯示屏結合后，使其成為具備傳播信息和互動能力的單個一體化傳媒無人機，能在空中完成信息傳播任務的新設備。并且通過技術創(chuàng)新，實現大幅提高精準度、靈活度和安全度，解決戶外新媒體無人機的姿態(tài)穩(wěn)定、精確制導、LED 高速旋轉顯示的問題。

1 方案設計

單機一體化戶外新媒體無人機作為空中的獨特移動信息傳播載體，必須具有適航性強，機動性好等特點，可以在特定高度特定場所，不受地面障礙物限制，用于品牌、產品廣告投放以及空中表演、燈光秀和重要信息傳遞等?；谶@些特定的要求，首先需要解決核心技術問題，既如何解決戶外新媒體無人機的姿態(tài)穩(wěn)定、精確制導、LED 高速旋轉顯示的問題。本文設計出一種基于國產芯片的戶外新媒體無人機，包括機身、云臺、MCU 開發(fā)板、LED 燈帶。具體裝置設計如下：

（1） 機身上設有機艙、微型攝像裝置和避障裝置。

（2） 機身內設置有控制系統(tǒng)。

（3） 機艙頂部設有電機，直流電機上設有旋轉云端。

（4） 機身的四周設有LED 燈帶，燈帶一端與云端的單片機開發(fā)板相連，另一端與滑動軸承相連。

（5） 機艙底部設有伸縮桿與滑動軸承連接，伸縮桿的盡頭與支架相連接，滑動軸承與LED 燈帶相連接。

（6） 機艙底部設計有接電口，可以支持有線連接地面電源，執(zhí)行空中長時間固定范圍工作。

2 硬件裝置

單機一體化戶外新媒體無人機機械結構、飛控，主要采用國產化器件，包括機身、無刷電機、行星減速電機、飛控倉、LED 燈帶、旋轉云端盒子、中心主軸；中心主軸貫穿機身，下方有一滑輪；頂部連接著電機，底部連接支架。主軸頂部上的電機連接著旋轉云端盒子；飛控艙內置有電路控制系統(tǒng)；旋轉云端盒子內置有LED 旋轉屏電路控制系統(tǒng)；旋轉云端盒子與LED燈帶連接，該LED 燈帶與主軸下方的滑輪連接。飛控倉內的電路控制系統(tǒng)包括飛行控制器、遙控通信模塊、電機驅動器和電源，電源為飛行控制器、電機驅動器供電。機身上有四個對稱分布的旋翼臂，每個旋翼臂上都有一個電機和一個螺旋槳，并且電機與飛控倉內的電機驅動器連接。旋轉云端盒子上設有單片機開發(fā)板、電源。機身旁有一LED 燈帶，燈帶一端與旋轉云端盒子內的單片機開發(fā)板相連，另一端與中心主軸下方的滑輪相連。飛控倉兩側各有一個水平方向的無刷電機，該電機與飛控倉內的電機驅動器連接（見表1和圖1）。

圖1 單機戶外新媒體無人機設計

表1 單機戶外新媒體無人機機械結構

3 經典線性控制器算法的軟屏顯示系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)精簡穩(wěn)定，界面操作便捷，針對LED 旋轉燈帶圖案顯示算法控制管理而進行開發(fā)，軟件能夠讓用戶進行運行狀態(tài)控制，主頁，燈照預案，燈光角度控制，設備連接，投放燈光顏色開關時間控制等操作，能夠實現空中屏幕高速旋轉并進行傳媒任務（見圖2）。

圖2 單機戶外新媒體無人機軟屏顯示系統(tǒng)操作界面

4 飛行系統(tǒng)

飛行系統(tǒng)需要解決的關鍵問題為搭載了LED 燈帶后無人機在飛行控制、導航、安全上的相關技術問題。

4.1 基于線性全狀態(tài)反饋控制器算法結合AI 強化學習研發(fā)的AI 飛控系統(tǒng)

將AI 技術與無人機技術結合。通過構建一個強化學習的環(huán)境，讓AI 進行自我學習，來解決經典動力學問題，達到控制無人機姿態(tài)的效果。采用全面優(yōu)化的姿態(tài)解析以及多傳感器融合算法，精準可靠，實現無人機在搭載物體和惡劣環(huán)境下的自主保持穩(wěn)態(tài)（見圖3）。

圖3 AI 飛控系統(tǒng)工作示意

4.2 基于yolo 圖像算法與慣性制導、北斗導航研發(fā)的無人機導航系統(tǒng)

依托邊緣智能計算平臺打造一個邊緣人工智能應用，通過圖像目標檢測，識別路徑，精準建模。不斷學習處理當前狀態(tài)的路徑模型，達到路徑導航的效果。內置高增益天線和高性能接收機，使其接收到的衛(wèi)星信號更強，解決無人機在遮擋較為嚴重的惡劣場景下的收星和定位問題（見圖4）。

圖4 無人機導航系統(tǒng)工作示意

4.3 特征識別視覺避障系統(tǒng)

機身6 向都具備雙目視覺及近紅外傳感器，配有特征識別視覺避障系統(tǒng)，實現全方位避障（見圖5）。

圖5 特征識別視覺避障系統(tǒng)人臉識別界面

結束語

本文設計了一款單機一體化戶外新媒體無人機。研究了無人機與搭載旋轉LED 燈帶后機械結構、飛控設計等關鍵技術問題，并利用人肉眼的視覺暫留原理，利用高速旋轉的LED 燈帶能形成顯示畫面，達到進行信息傳播的目的。并且通過技術創(chuàng)新，實現大幅提高精準度、靈活度和安全度，解決了單機戶外新媒體無人機的姿態(tài)穩(wěn)定、精確制導以及視覺避障等問題，為無人機的發(fā)展提供了新的應用場景。