微型無(wú)人機(jī)飛行工況視頻監(jiān)測(cè)及圖像處理與目標(biāo)識(shí)別研究

柴西林，邊濤，邵照勇

（1.西北師范大學(xué)知行學(xué)院，蘭州730070；2.千峰互聯(lián)科技有限公司，北京100000；3.中國(guó)石油蘭州石化分公司電儀事業(yè)部，蘭州730060）

0 引言

所謂無(wú)人機(jī)，即不載人的飛行器。根據(jù)微型無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合軍用或民用實(shí)際情況，無(wú)人機(jī)在空中巡查、消防救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)、交通管理等應(yīng)用中可發(fā)揮良好作用。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字圖像處理以及模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)視頻監(jiān)控技術(shù)也迅猛發(fā)展起來(lái)。本文將微型無(wú)人機(jī)飛行工況、視頻采集傳輸與圖像處理及模式識(shí)別的技術(shù)融合，建立于四旋翼飛行器飛行平臺(tái)上[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

微型無(wú)人機(jī)的整體設(shè)計(jì)包括硬件環(huán)境搭建、飛行軟件設(shè)計(jì)、地面輔助軟件設(shè)置、遙控器的設(shè)計(jì)與設(shè)置，各個(gè)模塊同時(shí)運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的正常工作，無(wú)人機(jī)整體設(shè)計(jì)方案[1]如圖1 所示。將景深攝像頭和傳感器搭載到四旋翼無(wú)人飛行器上面，采集到飛行器飛行工況的速度、高度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)飛行信息和圖像信息。上位機(jī)對(duì)傳輸回來(lái)的飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以便及時(shí)調(diào)整飛行器狀態(tài)；對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的識(shí)別。初步驗(yàn)證方式是通過(guò)在地面上放置一些標(biāo)識(shí)物，飛行器進(jìn)行識(shí)別，再通過(guò)對(duì)標(biāo)識(shí)物特征和飛行器自身數(shù)據(jù)結(jié)合，組織飛行命令，幫助飛行器完成特定飛行任務(wù)[2]；最后再選用特定環(huán)境，如交通環(huán)境中車輛、車道線等特定目標(biāo)的識(shí)別。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)整體設(shè)計(jì)方案框圖

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控MCU及接口

四旋翼無(wú)人機(jī)具有六自由度（位置與姿態(tài)），以及四個(gè)控制輸入輸出（旋翼轉(zhuǎn)速）的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它具有較強(qiáng)耦合，干擾敏感，多變量，非線性等特點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性決定了無(wú)人機(jī)飛行安全性，加大了飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。因此主控MCU 選用了STM32 系列芯片，其接口電路圖如圖3 所示。

圖3 主控MCU

2.2 定位、導(dǎo)航與無(wú)線通信

一方面，GPS 通常無(wú)法在近地環(huán)境中正常運(yùn)行，這需要綜合應(yīng)用光學(xué)、聲學(xué)、慣導(dǎo)、雷達(dá)和地形匹配技術(shù)，以及可靠、精確的定位和導(dǎo)航技術(shù)；另一方面，靠近地面的環(huán)境很復(fù)雜，并且干擾源較多。因此，需要較為可靠、安全的通信鏈路技術(shù)保障無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行。選擇能傳輸?shù)揭欢ň嚯x的傳輸設(shè)備建立無(wú)線通道傳送圖像數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)自身的數(shù)據(jù)信息，這兩類信息中，一般需要實(shí)時(shí)傳輸無(wú)人機(jī)自身的數(shù)據(jù)信息，而在需要時(shí)才采集圖像信息，且圖像信息需要較大的帶寬和功耗。因此，設(shè)計(jì)兩條無(wú)線通道傳輸這兩類信息[3-4]。系統(tǒng)采用基于2.4G 無(wú)線收發(fā)模塊NRF24L01 實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，它可以同時(shí)接收6 個(gè)通道的發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)為避免無(wú)線通信干擾還可以采用變頻手段改變通信頻道，其顯著特點(diǎn)是功能較強(qiáng)、控制較方便、價(jià)格便宜。NRF24L01+及其PA 接口如圖4 所示。

圖4 NRF24L01+和PA接口

2.3 電源模塊

影響微型四旋翼無(wú)人機(jī)尺寸的主要因素是其質(zhì)量，而動(dòng)力和能源設(shè)備的質(zhì)量占機(jī)身總質(zhì)量的很大一部分。因此，開(kāi)發(fā)更輕，更高效的動(dòng)力與能源裝置是使四旋翼進(jìn)一步微小型化的關(guān)鍵。系統(tǒng)使用的是一款可充電鋰電池，帶有漏電保護(hù)裝置，充電時(shí)的電流可以達(dá)到5000mA 這樣就可以連接在電腦上充電，而且采取了低功耗措施，四軸板載的電源接口部分，其電路圖如圖5 所示。

圖5 電源模塊

2.4 上位機(jī)控制

用上位機(jī)對(duì)飛行器實(shí)時(shí)控制，在調(diào)試的時(shí)候，需要隨時(shí)更改PID 參數(shù)，這就是要發(fā)送的命令，無(wú)人機(jī)航拍視頻顯示區(qū)域可查看航拍模式下視頻信息，圖6 所示為上位機(jī)界面。

2.5 數(shù)字圖像處理和目標(biāo)識(shí)別

為了快速、準(zhǔn)確地檢索識(shí)別和匹配出目標(biāo)信息，運(yùn)用了數(shù)字圖像處理及模式識(shí)別技術(shù)。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的景深攝像頭及圖像云臺(tái)，及時(shí)采集獲取交通視頻。然后將視頻中的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)對(duì)象從圖像背景中區(qū)分出來(lái)。通過(guò)航拍多個(gè)交通視頻并將其轉(zhuǎn)換成幀圖片，讓程序逐一分析每幀圖片的車輛和車道標(biāo)志線的情況，并將檢測(cè)目標(biāo)標(biāo)記出來(lái)，最后從合成的視頻中就可以看見(jiàn)被標(biāo)記的目標(biāo)區(qū)域。圖像處理過(guò)程主要基于數(shù)字圖像處理的基本原理，包括腐蝕、膨脹、開(kāi)運(yùn)算、灰度值與RGB、車輛質(zhì)心獲取和視頻的分幀等，運(yùn)用了特征提取識(shí)別的基本方法，實(shí)現(xiàn)了交通視頻中的車道線和淺色車輛的檢測(cè)和識(shí)別[5-8]。

圖6 上位機(jī)控制界面

圖7 從視頻中提取的幀圖像

圖8 圖7處理后的圖像

圖9 識(shí)別標(biāo)記淺色車輛

圖10 識(shí)別標(biāo)記車道線

3 飛行測(cè)試與分析

微型無(wú)人機(jī)硬件搭建完成后，首先要將無(wú)人機(jī)飛控模塊與地面站上位機(jī)連接，進(jìn)行一次加速度計(jì)、羅盤(pán)校準(zhǔn)、電調(diào)、遙控器、電源模塊的參數(shù)檢測(cè)與調(diào)試，確保無(wú)人機(jī)各模塊正常運(yùn)行，進(jìn)而確保無(wú)人機(jī)安全飛行，無(wú)人機(jī)實(shí)體如圖11 所示。各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常開(kāi)始試飛，多次試飛中電池電量、飛行速度、橫滾和偏航等參數(shù)正常。無(wú)人機(jī)在定高模式、自穩(wěn)模式、懸停模式、繞圈模式的飛行數(shù)據(jù)正常。在功能與完成飛行任務(wù)方面符合預(yù)期目標(biāo)，例如，分析飛行速度變化值，可以看到變速靈活，提速較快，降速平穩(wěn)，如圖12 所示。

圖11 微型無(wú)人機(jī)效果圖

圖12 飛行速度變化值

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)微型無(wú)人機(jī)飛行工況的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及視頻圖像采集處理，實(shí)現(xiàn)了特定目標(biāo)物的識(shí)別，指導(dǎo)無(wú)人機(jī)完成某些特定的飛行任務(wù)。并在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)到的交通視頻中車道線、車輛檢測(cè)識(shí)別等應(yīng)用。系統(tǒng)具有成本較低，易于控制，靈活性高等特點(diǎn)，可廣泛用于安防監(jiān)控、交通管理、農(nóng)業(yè)和林業(yè)、管線巡檢等眾多領(lǐng)域。