VR探索飛行器研究

滕海坤，姜 靜，徐 浩

（黑河學院 計算機與信息工程學院，黑龍江 黑河 164300）

0 引 言

本文設計的VR探索飛行器融合了VR（虛擬現實）技術和小型航拍飛行器，便于操作人員以第一視角遠距離操控飛行器探查未知領域復雜環境，特別是災難場所或救援人員前進困難的地區，能夠準確為救援或其他活動提供第一手信息，相較于第三視角，探索周邊環境更加全面，具有更好的人機交互體驗[1]。

1 系統介紹

VR探索飛行器主要包括四個模塊，即VR圖像形成模塊、飛行控制模塊、動力模塊和圖像接收/處理模塊。系統結構如圖1所示。

圖1 VR探索飛行器系統結構圖

飛行控制模塊：該模塊由飛控APM完成，控制四個電機的轉速進而控制飛機姿態，載有加速度計、陀螺儀、氣壓計、羅盤等傳感器。利用M8NGPS對飛行器進行精準定位，通過無線遙控器來操作飛行器的基本動作（垂直、俯仰、滾轉、偏航、定點、定航運動）。

動力模塊：該模塊通過四個電調控制無刷電機為飛行器提供動力輸出，包括電子調速器、無刷電機和鋰電池。

圖像采集模塊：該模塊完成圖像信息的采集及傳輸，包括700線高清攝像頭和AV圖傳發射接收器TS832。

圖像接收處理模塊：該模塊完成圖像接收以及VR成像，包括UVC采集卡、安卓系統手機、口袋APP、150頻點無線信號接收器。

2 工作原理

本文研究的四軸飛行器具有自穩、體積小、低功耗和定點定高的易控制性；搭載700線高清攝像頭，利用TS832進行圖像采集和發射，手機端采用UVC視頻采集卡采集圖像。視頻傳輸可輸出AV信號，也可通過無線傳輸到手機終端，支持智能手機安卓系統和iOS系統，將所傳圖像結合VR技術，感受第一視角體驗；控制系統使用APM控制電機的轉速進而控制飛行器的姿態，加上M8NGPS完成定高定點返航等功能，傳輸距離遠且穩定，并且通過OSD將接收的數據流（高度、飛行速度、坐標等）疊加到圖像上；使用OTG模塊將UVC采集卡連接到手機端接收圖像，在手機端用口袋APP來處理圖像，最終通過VR眼鏡形成VR圖像，實現人機交互。VR探索飛行器硬件組成模塊如圖2所示。

圖2 VR探索飛行器硬件組成模塊

3 創新點

本文的創新點如下：

（1）實現了VR技術與飛行器系統的融合。現階段無人機技術發展迅速，在娛樂、工業和軍事等方面都有應用，然而市場上的飛行器大多注重開發功能并提升無人機性能，卻忽略了人機交互體驗[2]。飛行器的VR沉浸式體感控制系統融合了虛擬現實設備和體感控制系統，可創造更好的人機交互體驗，探查時更加具體，人的感官可與飛行器拍攝實時同步，能清晰地觀察并把握細節。

（2）改進外形，更好選取拍攝角度。本文改進了飛行器外形使其可多角度選取畫面并立體地模擬現實環境，完美解決了拍攝角度選取困難的問題。新的結構主架使飛行器能更快速地飛行，節省時間，避免人力物力資源的浪費。使用VR技術及新型結構主架，可使飛行器在快速飛行的同時模擬穩定的環境，做到真正的實時同步。在學術研究領域，基于視覺信息與傳統的慣性導航系統的組合導航，能夠解決目前待解決的室外導航難題，不僅提高了飛行器導航的精度，而且增強了導航的可靠性。

（3）通過人機交互方式擴展飛行器應用領域。本文將虛擬現實技術與飛行器結合的最主要目的是擴展應用領域，即災難救險及農業領域。操作人員可使用VR探索飛行器360°全方位探測災難場所的周邊環境，第一時間做出最準確的判斷，減少人員傷亡和降低人力資源成本；同時，也可應用于農業大面積谷物生長的情況拍攝，不僅降低了操作難度，提高了工作效率，還大大降低了作業的勞動強度。如果操作人員第一時間未做出反應，也可根據視頻采集功能進行二次查看。

4 結 語

VR探索飛行器，除了具備使用普通航拍飛行器的功能外，還擁有更易操控的特性和圖像傳輸直觀性。因此該系統在應用領域和特殊領域都有較大優勢。應用領域：使用 VR 體感控制系統的原因在于系統的易操控性，操控者可靈活操控飛行器，又因圖像傳輸的直觀性，操控者可擁有更廣闊且逼真的視野，實現對飛行的整體掌控。特殊領域：對于一些災難救險工作、氣候環境惡劣和大面積作業的研究領域來說，VR探索飛行器是較好的觀測工具，且該飛行器易于操控，便于人們使用[3]。同時，VR 圖像系統還可讓觀測者更直觀、更清晰地觀測到研究對象，能夠針對現場情況第一時間做出準確判斷，制定應對策略，減少人員傷亡并降低勞動強度。

[1] 趙暄，王毓臻，張渝強，等.“時空印象”——VR體感飛行器[J].物聯網技術，2017，7（1）：14-15.

[2] 張良杰，朱麗敏，鐘石根，等.VR技術現狀與應用領域研究[J].傳感器世界，2017，23（5）：26-31.

[3] 魏振華，劉強.VR技術在土木工程防災中的應用[J].工程管理學報，2016，30（2）：81-85.

[4] 施鵬. VR技術在安全生產培訓中的運用[J].安全，2017，38（8）：54-56.

[5] 友文. 走進虛擬現實，解析NVIDIA“VR技術”[J].電腦知識與技術（經驗技巧），2016（7）：96-99.

[6] 王戈靜. 基于VR技術的工業場景導覽互動系統設計與應用[J].自動化與儀器儀表，2017（10）：124-125.

[7] 孫晗.VR技術——傳媒數字化發展的新路徑[J].電腦知識與技術（學術交流），2017，13（11）：205-206.

[8] 王永紅.VR技術在農業領域的應用[J].科技創新與應用，2017（25）：152.