基于樹莓派的無人機環境監測反饋系統

張玄 王猛 杜文樂

摘要 針對地面人員難以進入觀測和耗費大量人力的區域，其環境實時監測與信息采集費時費力，設計出一款基于樹莓派的無人機實時環境監測反饋系統至關重要。利用四軸無人機的穩定性和負載能力，搭栽樹莓派核心處理器，借助Opencv庫進行圖像處理，以攝像頭作為實時數據采集模塊，以無線串口的信息交換方式進行實時數據的監測，以SMTP協議發送郵件作為數據回傳，為地面人員提供及時、準確的環境監測信息。判斷一定環境范圍內的交通堵塞、人員聚集以及突發自然災害等情況。

【關鍵詞】圖像處理 環境監測 無人機 樹莓派

由于一些地區或場合的特殊情況，地面人員難以直接進行人眼觀測，而且長時間監測費時費力，傳統的環境監測在無人機方面的研究，莫過于進行遙感操作，而由遙感操作得到的圖像判讀、解譯后獲得的往往是對地物的大致估計，會和實際情況有出入，所以還應加強對地面環境信息的直接采集和數據的主動回傳。四旋翼無人機由于其成本低、體積小、便于使用和維護的穩定設計特點為系統設計提供可行性的前提條件。樹莓派通過GPS獲取位置信息從而控制攝像頭采集地面圖像，并進行處理識別，然后將處理結果通過郵件回傳到手機等終端。樹莓派的快速處理回傳構成完整的網絡，實現環境實時監測。

1 系統總體設計

整體由樹莓派核心處理模塊、無人機運載模塊、圖像采集模塊、GPS模塊、信息回傳模塊組成。系統開始工作時，將指定地點的位置信息輸入無人機APM飛控芯片和樹莓派，通過手持遙感控制無人機起飛，無人機搭載樹莓派與攝像頭按飛行計劃到達指定位置。當無人機到達指定位置時，樹莓派控制攝像頭進行圖像信息的采集，然后對模板圖片和采集照片進行圖像對比處理，判斷當前環境是否異常，并將結果通過3G網絡向終端發送郵件實現數據回傳，系統總體模塊如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 整體硬件模塊

系統硬件結構主要由樹莓派、攝像頭、四旋翼無人機等組成。如圖2所示。

樹莓派屬于核心處理模塊，通過電壓5V電流2A的鋰電池供電，固定在無人機上;攝像頭采用山狗相機通過USB接口連接在樹莓派上;無人機充當運載設備，主要工作為運載設備從地面到達指定拍攝位置;APM芯片控制無人機的定高、定點飛行;華為上網卡通過USB連接在樹莓派上提供網絡環境。下面詳細介紹一些主要硬件系統。

2.2 樹莓派

設計使用的樹莓派型號為3代B型，其系統基于Linux，是一個只有銀行卡大小的微型電腦。樹莓派3B搭載ARM Cortex-A5364位四核處理器，主頻1.2Ghz，板載1GB內存（LPDDR2），樹莓派3B有著豐富的外部接口，可連接諸多外圍設備，諸如攝像頭、GPS、舵機、鍵盤等，其CPU為ARM構建，該板卡可以像普通開發板一樣作為算法運行模塊，也可以同普通電腦一樣，作為一臺PC使用，體積更小，功耗更低，樹莓派開發板具備足夠的運算能力和充足的外部擴展接口，它有4個USB2.0接口，可連接驅動USB攝像頭、USB-3G上網卡等設備，支持HDMI高清視頻輸出。有Python、C等程序語言的編譯環境。

2.3 攝像頭

SJCAM SJ6 LEGEND是一款運動相機，采用聯詠96660主控芯片，支持1080P/30幀高清拍攝，1200萬像素拍照，2 0英寸高清顯示屏，7片高清光學玻璃鏡頭，高達1700的取景角度，入境畫面更多，適合航拍，HDMI高清輸出，它具有高清圖像，高數據容量，樹莓派可通過攝像頭的USB接口提取并處理圖片。

2.4 四旋翼無人機

四旋翼無人機與固定翼無人機相比具有體積較小、成本低、操縱靈巧、可以垂直升降等優勢，采用APM2.8開源飛控，配合mission planner地面站軟件可以在飛行過程中隨時監測飛行姿態，自動調整空中參數，便于操控，也可以預先寫入飛行計劃，讓無人機按照指定路徑飛到目的位置，完成監測任務并自主返航。

3 軟件系統設計

3.1 程序概述

程序設計主要包括通過串口獲取GPS信息作為觸發信號，控制攝像頭獲取一幀圖像、圖像處理、郵件回傳等。利用樹莓派獲取指定位置的GPS信息后控制攝像頭延時3s待無人機穩定后拍照;郵件回傳主要利用Smtpliblib模塊在服務器中的Python中提供處理郵件系統的接口，通過調用smtplib庫使用SMTP協議進行簡單的封裝，從python腳本發送郵件信息。在這之前還需要通過QQ郵箱開啟smtp/pop設置，獲取配置郵件客戶端字符碼，從而能夠使其在LINUX系統下發送郵件。

3.2 圖像處理算法

圖像壓縮：根據實際需求，縮小圖像使其更加清晰平滑。當圖片被有損壓縮時，組成圖片的像素點減少，將有大量肉眼不可見的細節丟失，簡化細節，從而提高python的運行速度，減少因處理圖片而占用的內存。

圖像分割：圖像分割是把圖像通過不同的劃分標準來劃分成若干個特定的、或者有特殊性質的區域，基于本項目.實地拍攝圖像均為航拍圖像，按照標志劃分為不同區域，例如操場、教學樓、活動區等，通過圖像分割將這些區域從一張圖片上分割出來，并且單獨進行對比監控，當發生異常情況時，可以迅速將其檢測出來。

圖像對比：本設計采用灰度直方圖，用來描述圖像灰度值的分布，其計算代價較小，圖像對比可以對圖像進行平移、旋轉、縮放等，并且被廣泛地應用于圖像處理的各個領域。當兩張圖片擁有相同灰度，而顏色卻不相同時，灰度值直方圖會將他們視為同樣的物體，存在的差異也將無法檢測，基于這種情況，我們進一步選擇顏色直方圖進行檢測。顏色直方圖可以準確的識別出圖片上任何顏色差異，比如火災、車輛、氣候等人眼可見的變化。通常伴隨著色彩的突變，輪廓的變化事實上也是色彩區域發生變化，通過顏色直方圖，我們統計顏色出現的區域，便可以將突變的色彩準確查找出來，也就是檢測出了圖像的異常。

判定結果分析：判定圖像異常的臨界值和無人機的穩定性有關。無人機實際運作中首先需要飛往一個地方，記錄下當前的坐標以及拍攝并選取其中一張環境無異常且圖像清晰的圖像作為模板圖，無人機第二次定點飛往同樣的坐標再次拍攝實時圖像與模板圖對比匹配，判定是否有異常。無人機定點飛行能力以及在天空中保持平衡的能力均影響到臨界的取值，臨界值需要無人機大量飛行實驗后才能得到一個較為準確的值。本文中的臨界值設定為80%，處理結果如圖3所示。

4 結論

本設計基于樹莓派的無人機環境監測反饋系統，利用無人機的靈活方便和樹莓派的強大處理能力，通過拍攝實際圖像場景，運用該系統進行自主識別和檢測，經過多次實驗驗證了該系統的功能實現、信息發送速度和傳輸范圍、系統的穩定性等性能。解決了人們想實時快速了解周邊環境區域內的交通狀況、人員聚集情況以及突發（自然）災害等問題。但是GPS的定位精度影響了系統的處理速度，有待改善，以及圖像處理的速度也可以進一步改善。

參考文獻

[1]張青，陳昌倫，吳狄，遙感技術在環境監測領域中方法運用研究[J].綠色科技，2015 （03）：235-236.

[2]尤好，張新鑫，張朝暉，基于OpenCV和樹莓派的運動檢測[J].電子技術，2017 （02）： 59-61.

[3]何春，一種基于直方圖的圖像二值化算法[J].宜賓學院學報，2016 （12）：53-55.