基于ROS的語音控制及特定目標跟隨飛行器

代政 申劍濤 張堡瑞 張鑫

摘要：本文旨在開發出一種基于ROS的語音控制及特定目標跟隨飛行器。該飛行器可以用語音控制它的運動狀態，并且可以根據指定目標的形狀和顏色進行智能跟隨[1-2]。本系統可以應用在多個方面，比如：危險物品搜索、軍事目標檢測及監視和車輛監控等方面。

關鍵詞：飛行器；語音控制；目標跟隨；ROS

0引言

隨著科技的不斷進步，無人機逐漸被應用于很多方面。包括航空攝像、高空作業和礦井勘測等領域[3-4]，但是目前最主要的還是被用于航空拍攝領域。隨著人們需求的不斷提高，對無人機功能的要求也越來越高。一些危險領域的工作也需要無人機來實現。

本文開發一種飛行器可以用語音控制它的運動狀態，并且可以根據指定目標的形狀和顏色進行智能跟隨。幫助人們解決生活中的難題，提高生活質量。

1 系統結構

基于ROS的語音控制及特定目標跟隨飛行器的系統框架圖如圖1所示。整個系統分為地面控制系統和飛行器端控制系統。地面控制系統采用樹莓派為控制核心，內部用機器人操作系統ROS來運行。地面控制系統利用LD3320芯片外接麥克風來采集語音信息，將相應的控制信號通過NRF24L01無線傳輸模塊實時的傳送到飛行器端，將傳感器信息進行融合處理后進行姿態解算，并根據語音控制信號要求，以達到改變飛行器姿態的目的。飛行器控制端上裝有微型攝像頭來負責圖像的采集，并將采集的圖像發給地面系統。同時對于地面發送來的語音指令進行處理執行和對特定目標的分析和匹配來進行跟隨。

2 硬件部分

2.1主控器模塊和傳感器模塊設計

飛行器端的主控制器選用意法半導體的STM32F103ZET6這款處理器，其內部采用ARM的32位Cortex-M3內核，具有很快的處理速度。四旋翼飛行器在控制的過程中需要實時的采集姿態信息，本設計采用了采用六軸運動組件MPU6050、三軸數字羅盤HMC5583L傳感器來檢測四旋翼飛行過程中的姿態信息。

2.2電機控制模塊和無線傳輸模塊設計

系統選用的是空心杯電機，由于其需要較大的電流才能驅動工作，所以電路中通過四路MOSFET來驅動，然后通過控制PWM的占空比來調節電機轉速。系統采用的無線通信芯片型號為NRF24L01，是一種功能強大的射頻收發器，通信距離50米左右，具備自動重發功能。配置后即可利用其進行通信。

3 軟件部分

3.1 語音控制端設計

語音識別模塊選用語音處理芯片LD3320。通過先進的優化算法，無需任何的訓練，其就可以完成一定詞匯量的任意人聲的識別，準確率高達95%以上。語音系統可有上述單條指令為一條語句，也可由多條指令共同構成一條語句。當讀取到“開始”指令后即語句開始，讀取到“結束”指令為語句的結束。

3.2 特定目標跟隨端設計

無人機通過攝像頭采集到視頻圖像，stm32控制器將視頻通過無線模塊發送給樹莓派，在樹莓派上進行圖像的預處理。通過中值濾波消除椒鹽噪聲和脈沖噪聲，保護邊緣等信息。通過高斯平滑濾波濾去圖像中疊加的高頻噪聲，并保留原圖像的特征信息。通過線性灰度變換法將曝光不足或曝光過度的區域按照線性函數進行拉伸，增強圖像的對比度，改善圖像的視覺效果。

飛行器端通過氣壓計傳感器獲得飛行高度，并保持飛行高度不變。地面控制端獲取到跟蹤目標的運動軌跡后，控制飛行器在水平方向做同步跟隨。

3.3 ROS的移植與實現

搭建Ubuntu14.04LTS桌面系統；安裝G++、 Python、 GTK2.0等圖像處理依賴項；安裝CUDA、 OpenCV14Tegra、 ROS、 OpenCV2.4.9。

4 結束語

本項目以四旋翼飛行器為研究對象，通過語音識別技術來控制飛行器的運動狀態，利用圖像處理的方法來采集視頻圖像，并將信息發送到地面系統并在樹莓派顯示屏上顯示出來。通過視頻上人物特征來識別特定目標，從而實現跟隨的目的。本系統可以進行擴大化，開發成有利于工業利用的飛行器，幫助人們解決更多的難題。

參考文獻：

[1]何瑜.四軸飛行器控制系統設計及其姿態解算和控制算法研究[D].成都：電子科技大學，2015.

[2]左軒塵，韓亮亮，莊杰，石琪琦，黃煒.基于ROS的空間機器人人機交互系統設計[J].計算機工程與設計，2015，12（36）：3371-3375.

[3]劉洪偉.基于單目視覺的移動機器人目標識別與定位[D]；山東大學，2011.

[4]金紹敏.四軸飛行器的設計與算法研究[D].湖北：中南民族大學.2015.

項目基金：文章源自西南科技大學創新基金項目資助 CX17-082