基于四軸飛行器的校園全方位自動監控預警系統

劉剛，唐京武

（湖南科技大學物理與電子科學學院，湖南湘潭，411201）

1　四軸飛行器飛行原理及硬件構成

1.1　四軸飛行器飛行原理

四軸飛行器的飛行原理是通過4個螺旋槳之間對稱的兩個螺旋槳反作用力抵消每個螺旋槳產生的反槳矩。當4個螺旋槳以同一個速度旋轉時，每個螺旋槳產生相同的升力，當總升力大于四軸飛行器自身的重力時飛行器向上飛行，當產生的升力與自身重力等大時，飛行器在空中處于相對靜止狀態，當總升力小于四軸飛行器自身的重力時飛行器做下降運動。當飛行器左側兩個螺旋槳旋轉速度大于右側螺旋槳旋轉速度時，飛行器向右側飛行，反之向左飛行。相同原理，當前后兩對螺旋槳旋轉速度不同時，飛行器做前后運動。上述是四軸飛行器的基本飛行原理。

1.2　四軸飛行器硬件構成

四軸飛行器主要有地面站、遙控器、飛控模塊、GPS模塊、無刷電機以及高清攝像裝置組成。根據實際監控需要，飛行器有自動飛行監控和人工地面控制監控兩種監控模式。四軸飛行器硬件選用Pixhawk飛控模塊作為主控制器，這是一款32位的開源芯片，可以將規劃好的飛行器飛行路徑導入，并可根據實時監控需要修改飛行路徑參數。飛行器遙控模塊選用的是樂迪公司生產的AT9遙控器，能夠將接受的監控信號實時回傳，支持外圍拓展。

2　校園監控預警系統組成

在四軸飛行器上，裝載攝像頭以及紅外裝置，能夠對校園內影像進行數據采集，組成數據采集模塊。為解決四軸飛行器續航能力，擬采用無線充電系統對四軸飛行器進行充電，同時構建軟件隊列系統，控制多架四軸飛行器充電，形成充電隊列模塊。通過四軸飛行器機載無線數據發射端，以及主控制設置數據接收端，接收四軸飛行器實時采集數據，形成數據傳輸模塊。最后，由主控室的服務器對數據進行分析，對校園內突發事件進行識別，從而進行預警，形成數據處理模塊。

圖1　校園監控預警系統構成

2.1　數據采集模塊

數據采集模塊主要指搭載在四軸飛行器上的USB攝像頭，通過使用時間軸分布的方式對采集的視頻信息進行編號，根據攝像頭采集視頻的時間不同對不同的視頻信息進行排序，將采集的視頻信號保存為FLV格式，以便信號存儲和無線傳輸。校園全方位監控預警系統需要多臺飛行器進行圖像采集，依據視頻信息的首幀時間和該視頻的持續時間，對采集的視頻標記到特定的飛行器攝像頭的時間軸上。飛行器采集的視頻包括時間信息和地點信息通過使用ID和IP對視頻的屬性進行標示，以便對歷史記錄進行空間地點和屬性的雙向查詢。通過建立多媒體文件數據庫的方式對采集的視頻信息進行管理，每個飛行器采集的視頻信息都存在數據庫中單獨的目錄下面，采集的視頻按照飛行器編號和采集時間進行命名，保證采集的每段視頻都有唯一的URL。

2.2　無線充電序列模塊

目前存在的飛行器采用傳統的接觸式充電方式，該方式要求較高的對接精度，但是飛行器和充電器之間不能實現自動脫離，高頻的充電操作降低了充電系統的可靠性。本研究設計的四軸飛行器電池模塊主要包括無線充電序列模塊和鋰電池供電模塊。無線充電序列模塊接收充電器發射的高頻無線電能，使用專門的無線充電管理電路對飛行器安裝的鋰電池組進行無線充電，采用傳感器對鋰電池的電量信息進行采集，實時監測飛行器電池電量。

為提高飛行器鋰電池組的使用壽命，將充電過程劃分為恒流充電階段和恒充電階段。當無線充電站MCU芯片接收到充電指令后，將會產生特定頻率的驅動信號，經過E類功放逆變電路產生高頻正弦交流電的發射信號，通過電磁感應定律，在飛行器的能量接收端的感應線圈中產生正弦交流電，通過穩壓電路將交流電轉變成直流電，經過充電管理電路對飛行器安裝的鋰電池組進行充電，飛行器通過藍牙模塊向充電站發送充電完成信號，結束充電過程。

2.3　數據傳輸模塊

本系統中的數據傳輸和處理模塊選用S3C2440作為處理器，該處理器支持UART和USB等多種通訊接口。使用S3C440連接USB攝像頭和USB無線網卡進行視頻信息的無線傳輸具體的傳輸過程為，四軸飛行器搭載的USB攝像頭對校園內的視頻信息進行采集，通過無線網卡上傳到無線路由器，經過在學校構建的廣域網進行傳輸，可以通過WiFi的方式連接到接收端的無線路由，經過無線網絡或者是互聯網傳輸到監控室內的PC機上，通過數據處理模塊對采集的視頻信息進行分析和預警。

2.4　數據處理模塊設計

在本文設計的校園全方位自動監控預警系統中運用了運動目標檢測相關算法，主要從視頻信息的處理和模式識別兩個方面體現。采集的視頻圖像經過灰度處理經過相關算法使彩色圖像轉化成為灰度圖像，減少了圖像的計算量。在本文中選取加權平均法對采集的視頻圖像進行灰度處理，從整體上能夠反映圖像的整體特征，但簡化了PC機圖像處理的運算量。通過灰度處理之后，在圖像中可能會出現灰度比較集中的區域，利用直方圖均值化對灰度處理后的圖像進行處理，能夠增強圖像的對比度。外界陽光的強度和噪聲等環境因素都會對原始圖像產生干擾，使用中值濾波的方法對原始圖像的外界干擾進行濾波，獲得比較清晰的視頻圖像。

本文選用時域幀差法來檢測采集的視頻信息中是否有移動的物體存在，假如檢測到圖像中存在移動的運動物體，可利用背景差分法對移動目標進行提取。假如檢測視頻圖像沒有運動物體時，可以將當前的視頻信息進行保存，以便后期查看歷史圖像記錄。

3　火災預警實例講解

通過飛行器對火災圖像進行數據采集上傳到后臺PC機進行火災預警識別，間隔兩秒上傳一次火災圖像，PC機對各個飛行器捕捉的視頻進行火災判斷，當檢測到發生火災時會在校園平面圖實時顯示火災區域的視頻信息，想要不同視角觀察火災情況時，可以通過調用不同IP的飛行器進行查看，通過后臺程序可初步判斷火災嚴重程度，并進行決策采取相應的救火措施。

4　結語

通過對四軸飛行器的飛行原理以及硬件構成的研究，提出了基于四軸飛行器的校園全方位自動監控預警系統設計方案，該設計包括數據采集模塊、無線充電模塊、無線數據傳輸模塊和采集圖像處理模塊等四部分，通過火災預警實例分析證明該系統具有較高的可行性，為校園全方位自動監控預警系統設計奠定了基礎。