基于高效自動識別,飛行的物理創新無人機的研究

賈睿龍 李冰

(重慶交通大學,重慶 400074)

1 概述

在如今,無人機的運用越來越廣泛,生活的很多方面都能看到其身影,但與此同時,多數無人機用于航拍農業居多,特用無人機相對較為少見,于是設計了此款識別類以及物理測量類兩用式無人機。此無人機旨在警用、物理實驗用途以及測量用途。該無人機有一套完整的體系,在保持自身穩定的情況下也可完成多項任務,在物理方面有著不少的創新點,例如引入光學思想來定點偵察,通過光譜像素等識別物體,借助聲波測量風速等等,接下來將從多個方面進行詳細說明。

2 設計思想

2.1 無人機總體方案設計

2.1.1 硬件系統設計

無人機整體采用多模塊搭配形式,根據硬件系統功能可分為五大類系統：中央處理器主控系統、圖像分類識別系統、光流系統、飛行器姿態控制系統、地面控制系統。

2.1.1.1 中央處理器主控系統

采用TM4C123G 為主控的芯片,該組件是基于ARM Cortex-M4F 的微控制器平臺,具有低功耗,高性能等優點。同時使用樹莓派建立無人機與地面的通信連接。

2.1.1.2 圖像分類識別系統

借助AI 視覺識別模塊,利用當前所流行的卷積神經網絡技術,依靠tensorflow 來訓練模型,通過模塊特征點識別來達到航拍以及實時識別的效果。

2.1.1.3 光流系統

圖1

采用ATK-PMW3901 來進行無人機的高精準懸停,根據物理基礎融合光流,采用激光定高以及氣壓定高。

2.1.1.4 飛行器姿態控制系統

使用KS103 通過超聲波根據反射距離進行空中自動避障,同時通過PID 算法來進行實時姿態調整,并且根據反饋結果來測定不同風速。

地面控制系統：

通過PC 端借助上位機來進行地面系統控制。

2.1.2 軟件系統設計

軟件系統主要是在64 位Ubantu18.04 操作系統下開發完成的,主體使用無名創新部分開源飛控代碼以及自己的模塊代碼。TI 芯片主用C 語言對其進行操作,圖像識別部分主由microPython 進行操作。

系統軟件功能模塊設計：各個模塊之間相互配合運行,PID設計,中值濾波,突發故障情況處理設計,數據接收發送設計。

地面控制系統

地面監控平臺是在64 位Window10 操作系統下開發完成的,使用Qt 開發環境來設計操作界面并且通過指令來進行具體功能操作。

2.1.3 無人機總體方案創新點

當今無人機主分為民用無人機、工業無人機、軍用無人機。在民用方面主要用于航拍,而這款無人機在航拍的基礎上添加了對航拍對象的識別分類功能。例如將可疑物導入訓練,在拍攝中,攝像頭在拍攝全景的同時,會對他所認為的可疑物進行全程檢測。同時此無人機增添了物理檢測功能,可記錄地理磁力因素、風力因素、熱力等多項數據,并且實時傳輸回用戶端。

2.2 基于模塊的無人機圖像識別分類方法

2.2.1 神經網絡識別

無人機圖像識別采用卷積神經網絡,其本質是根據物理思維以及數學思維來對特征點進行記錄。通過AI 視覺識別模塊,將攝像頭所獲得的原始光學進行邏輯分類處理并進行實際運算。

2.2.2 中值濾波技術

數字圖像在形成的過程中,經常受到各種因素影響,例如光學影響、聲學影響。為了抑制或者盡可能消除這些影響,就需要對這些進行處理,也就是通常所說的濾波處理。

2.2.3 物理創新點

以光學分類技術為基礎,相較于以往識別技術增加了更為準確、可靠的性能。同時采用中值濾波算法對圖像進行降噪處理,極大地保證了圖像的完整度以及分類的準確性。

2.3 基于光流模塊的速度測定,位置數據測定

圖2

光流模塊是采集兩幀圖像之間的像素不變,并且兩幀圖像具有相對運動性質,根據微元思想,則會有I(x,y,t)=I(x+dx,y+dy,t+dt)經過泰勒公式展開得：

引用lucas-kanade 方法進行求解

采取最小二乘求解,便可得到飛行速度綜合式

2.4 流體平衡PID 算法測量風速

PID 的本質是將誤差值e(t)的比例,積分和微分通過線性構合組成控制量對系統進行實際控制,其輸出信號為：

在有風速的情況下,無人機的自身平衡難以得到控制,但通過此算法,無人機可以進行迅速的姿態調整來適應當前速度情況,在借助陀螺儀的情況下精準感知集體偏轉角度等數據,并且在比例公式下,將數據進行反推算,便可得到實時的流體速度。在測量流體數據的情況下,能在自身保持穩定的基礎之上,將數據穩定實時反饋給PC 端。

圖3

將其進行整合后,該控制系統可表達為：

通過平衡穩定,借助光流模塊lucas-kanade 方法計算可得知機體飛行速度。

在得知機體速度后,運用所搭配的超聲波模塊,另借助順風逆風之間的速度差,以及移動速度的時間差,即可測量出當前風速情況。超聲波模塊可以準確得知發出波長時間是t1,接受波長時間為t2,并且根據超聲波波速計算出移動距離x。并且在超聲波傳遞過程中,可拿自身機體作為參照,不存在聲波發射出去不能接受的情況,并且通過pid 調節了平衡,極大情況的避免了誤差,即有以下公式：

物理創新點：

相較于傳統遙控器的控制,所設計無人機更偏向于進行自我調控,也即自我適應不同風速下的飛行姿態。而且具備現代大多數無人機都不具備的功能,即在小誤差范圍內測量流速的情況,并且將數據實時返回給用戶端,在測定地理風速的情況下提供了有效途徑,并且完全不使用風速計,減輕了機體重量。

3 調試及其結果分析

根據初步調試,飛行狀態能保持較優良的穩定性能,但是重慶地區無強風,所以強風數據暫時不能進行測定。

表1

同時根據光進行的圖像識別效果也很理想,準確地識別出了書本這一物體。

該無人機還配備了氣壓檢測以及磁力檢測等功能,介于實驗篇幅,在這里不進行具體方法闡述以及實驗結果說明。

結果分析方面：測定精確度很高,但仍然有很大的改進空間,在一篇論文曾看到四點式三角函數測量風速的方法,如若引用,實驗數據應會更加接近真實值。同時光流模塊的定點定高根據像素差的方法也很準確。

4 結論

本次物理實驗中,多考慮專業與物理結合的方向。發揮了電氣專業弱電特性與物理概念相結合的優勢,設計了這款多用無人機。本來想加入無人機壓強測量實驗和磁力測量實驗的方法及數據結論,但礙于論文篇幅有限便未加入,只保留了風速測量以及圖像識別光學部分。

總的來說物理實驗測定效果還是不錯的,但是多用無人機需要大量時間來做成,因此便未能完整體現成品效果,只能進行一些實驗數據的測定,暫不能完成PC 端完全控制的部分,有些許遺憾,但會投入更多將其完善。