一種具有目標識別功能的艦載警用飛行系統的設計

何學明

（公安海警學院 機電管理系，浙江 寧波 315801）

一種具有目標識別功能的艦載警用飛行系統的設計

何學明

（公安海警學院 機電管理系，浙江 寧波 315801）

為使海警部隊在海上執法時能從眾多船舶中快速尋找可疑船舶，并快速獲得其詳細信息，設計一種艦載警用飛行系統。該系統可實現空中抵近偵察，運用艦載的目標識別系統獲得可疑目標的圖像，配有功能強大的可疑目標數據庫，從而達到快速、準確地識別海上目標的目的。試驗結果表明，所提出的方法和設計完全符合海警執法的要求，設計的飛行系統適合艦載和警用，設計的目標識別系統精確、可靠，具有較高的推廣應用價值。

目標識別；艦載；警用；飛行器；設計

0 引 言

當前，隨著海洋強國戰略走向國家層面，海警部隊作為海上執法單位的作用日益凸顯。海警部隊大多通過雷達回波和瞭望來識別海上目標。通過雷達識別只能判斷出可疑船舶大致的形狀和位置，無法判斷出其裝備情況、人員配備情況及其他詳細信息，且在復雜、陌生的海域容易被其他形狀類似于船舶的海島或設施干擾。瞭望人員大多由其他人員兼任，工作強度較大，同時瞭望器材僅局限于傳統的望遠鏡，存在視距有限、艦艇抵近偵察易發生碰撞事故及艦艇人員的安全得不到保障等不足[1-3]。因此，海警艦艇作為執法工作的載體，在空中目標偵察、海上爭端的空中證據收集及可疑目標識別等方面的能力還有待提高。

針對上述問題，設計一種艦載警用飛行系統。該系統由空中飛行器和艦載主控中心2部分組成，可實現空中抵近偵察，運用機載的目標采集系統獲得可疑目標的圖像并將其傳輸給艦載主控中心的目標識別系統，配有功能強大的可疑目標數據庫并能進行識別，達到快速、準確地識別海上目標的目的，解決當前海警執法面臨的重大難題。

1 艦載警用飛行器的設計

根據警用和海上飛行的實際要求，設計一種艦載警用多旋翼飛行器。該飛行器是一種適用于海上飛行、搭載高精度云臺相機的多旋翼飛行器，不僅能完成基本的飛行動作（包括垂直起降、前后運動、橫滾、俯仰及懸停等），實現遙控/自主的低空飛行，還能完成航拍偵察任務，采集半徑500m范圍內的視頻和圖像信息，并通過高頻信號將其傳送回來或存儲在飛行器的隨機存儲設備中。該飛行器通過全球定位系統（Global Positioning System，GPS）導航，按設定的航跡完成直徑2km范圍內的航點飛行，并按要求完成航拍、偵察等高空作業任務。針對警用和艦載的要求，對該飛行器做以下特殊設計：

1.1 機身設計

選擇空心碳纖維材料，在達到最大強度的同時減輕機身整體質量，為搭載警用裝備預留起飛質量。同時，空心碳纖維材料的電磁屏蔽性好，可使飛行器在艦載復雜電磁的條件下使用。此外，飛行器各部分結構采用防水防霧處理，可滿足在海洋環境下飛行的要求。

1.2 能源與動力裝置設計

為適應海上飛行環境，該飛行器的動力裝置選用特殊的防水型小型無刷直流電機，槳葉與電機直連，減少了減速器，增大了扭矩，減輕了質量。此外，選用5200mA·h 25C DC的鋰電池組，通過4組電子調

速器（Electronic Speed Controller，ESC）將電壓降至5V的穩定電壓，并通過無感換向方式將直流電供給電機，有效避免水汽對電池組產生影響。該電池組可供飛行器飛行30min左右，滿足任務需求。

1.3 起落架設計

飛行器降落著地時，整個機身的質量將全部由起落架承擔，因此必須具有良好的支撐和減震功能，以避免飛行器降落時震動對部件造成損壞。每個起落架的上端都裝有一個由碳纖維材料制成的彈性支架，上面開有大小不等的孔，以減輕整體質量；支架與下層連接板通過尼龍螺母連接，以保證連接強度。對支架末端進行磨砂處理，使飛行器可在雨天濕滑的甲板面上平穩起降。

1.4 保護設計

飛行器在實際使用中可能會遇到電磁條件復雜、遙控信號丟失和電量過低無法返航等情況，而其保存有許多重要的圖像及視頻資料，不能輕易丟失，因此設計著重對其安全保護功能進行完善。

1) 遙控信號丟失。在丟失遙控信號之后立即啟用失控保護功能。飛行器會在失控位置懸停 3s，以確認信號是否會恢復。若飛行器所處的懸停高度低于海拔 20m（水面艦艇高度大多＜20m），則飛行器會自動抬升，以避開返回時可能觸碰到的障礙物；若飛行器的飛行高度＞20m，則其會按最短路徑返回至起飛地點上空懸停 15s后自動降落。若飛行器遙控信號在該過程中恢復，則失控保護模式會自動關閉，轉入GPS模式飛行。

2) 低電壓保護。飛行器處于長時間緊張飛行作業狀態時，操作者極易忽略電源電壓的高低，使得飛行器極易因電源電壓過低而產生墜機的危險。當電源電壓＜10.80V時自動觸發第一級保護，此時飛行器會發出低電壓報警，紅色LED燈急速閃爍，但仍能保持正常飛行。當電源電壓＜10.50V時觸發第二級保護，此時飛行器將停止報警，但紅色 LED燈仍急速閃爍，飛行器將從懸停地點自主返航降落并不再接收遙控信號。

2 圖像采集系統的設計

圖像采集系統的硬件設計見圖 1，分別由飛行器云臺控制系統、通信數據鏈和輔助操控手柄圖像采集系統等設備組成。

CCD相機通過安裝在艦載飛行器上的云臺實現0°～350°水平旋轉角度及+90°垂直旋轉角度范圍內目標的監視，獲取視頻和圖像信息，并將其傳送給機載主控處理器，通過無線通信系統傳送給地面主控計算機，從而完成可疑目標的獲取和信息傳輸[4]。

良好的拍攝效果需穩定的云臺，即無論飛機在空中以何種姿態飛行，云臺都要一直保持絕對的水平姿態。云臺的PID調節在整個云臺調試過程中尤為重要。該設計利用Simple BGC軟件調節云臺參數，對云臺的橫滾、俯仰及三軸陀螺儀進行細節上的修正，使其在沒有接收到動作信號的狀態下始終與地面保持水平，并使飛行器能在不同的飛行姿態下對云臺的工作狀態進行實時監測。圖像識別流程圖見圖2。

地面站屏幕菜單調節系統即OSD（On-Screen Display）系統，數據傳輸給LCD顯示器，由其通過一些規定的字形或圖形顯示飛行器的狀態，讓使用者獲得所需的信息。

在 MAX7456芯片的基礎上建立一個OSD模塊，分別與飛行控制器和圖傳發射機連接，將飛行器的GPS坐標、飛行高度、速度、航向及電量等實時信息呈現在地面站顯示器上，使操作者清晰、直觀地了解飛行器的實時狀態，以保證可疑目標圖像獲取的準確性和飛行器飛行的安全性。

通過上述設計，解決視頻和圖像信息的實時傳輸、云臺的穩定性及實時監控等問題，從而獲得可疑目標的清晰圖像。

3 艦載主控中心目標識別系統的軟件設計

基于計算機視覺的目標識別技術是指對圖像序列中的目標進行檢測和識別，獲取可疑目標的更多信息，并對其相關技術進行處理和分析，從而完成目標識別[5]。

圖像處理（Image Processing）技術是指通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割及提取特征等處理的方法和技術。圖像處理艦載主控中心系統是一套圖像識別及數據庫檢索系統[6-7]，其主要功能是處理和識別飛行器捕捉到的可疑目標的圖像，識別流程圖如圖2所示。目標識別是本文研究的重點。飛行器采集到的圖像是海上目標的外形，可通過比較其艏艉特征、船橋的外形特征及艏艉的吃水深度比等，并與系統建立的數據庫相對比，識別出其詳細信息。

利用MATLAB軟件設計可疑目標識別軟件，利用MATLAB的內建函數，直接調用圖像處理及識別函數，將圖像轉化為矩陣的形式，利用矩陣運算實現不同的圖像處理[8-10]。

4 試驗研究

4.1 懸停測試

飛行器在實際完成任務過程中通常需要懸停，以對可疑目標進行實時偵察。懸停性能決定著完成任務的質量。在5s的測試時間內，該飛行器在GPS飛行模式下無遙控信號懸停，若能保證前后左右移動幅度＜10cm，傾斜角度＜15°，則說明滿足懸停要求。

4.2 飛行器航拍測試

清晰的航拍效果是偵察和后期數字化處理的基礎。在飛行器飛行過程中，無線圖傳模塊將采集到的圖像通過圖傳操控器（見圖3）的雪花屏顯示給操作者，配合由 AT89C52控制、無刷電機帶動的二自由度云臺，使飛行器以任意姿態飛行且云臺沒有接收到動作指令時，攝像頭能始終保持水平，優化航拍效果。圖4為航拍效果圖，試驗選擇在中雨天氣下進行，同時測試飛行器的全天候防水效果。試驗結果表明，飛行器平臺及圖像采集系統工作正常，圖像采集系統可清晰、真實地反映飛行器所處環境的情況，效果良好，達到了預期目標。

4.3 目標識別試驗

該試驗以某艦艇的舷號為試驗模板，對該舷號進行數字化識別及數據庫檢索。測試可疑目標識別系統的工作性能，讀入原始圖像，將拍攝到的艦艇圖像寫入到可疑目標識別程序中（見圖5）。

按順序進行圖像預處理、邊緣提取、艦艇定位、字符分割和字符識別，并通過檢索數據庫得到最后的識別結果（見圖6）。

5 結 語

本文闡述一種具有目標識別功能的艦載警用飛行系統設計，該飛行系統由多旋翼飛行器（圖像采集系統）和艦載主控中心（圖像識別系統）2部分構成。通過對飛行平臺進行穩定懸停及夜間飛行測試、圖像采集系統實際工作狀態測試和海警艦艇舷號識別等試驗，表明該系統的設計合理，硬件設計簡潔，滿足海警部隊的實際海上任務需求，云臺及攝像系統工作穩定。此外，軟件界面編程簡明易使用，可對實際艦艇的外形特征進行準確識別，并能完成模擬數據庫信息展示。試驗結果表明該系統可靠，能達到設計要求，具有較高的推廣應用價值。

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Design of a Shipborne Police Flight System with Target Identification Function

HE Xue-ming

（Department of Electrical and Mechanical Management, China Maritime Police Academy, Ningbo 315801, China）

A shipborne police flight system is designed to enable the maritime police force to fast identify suspicious vessels from numerous ships and to fast obtain the detailed information of the suspicious vessel during law enforcement at sea. This system can achieve low altitude scout and gather images of the suspicious object through the shipborne target identification system, and is equipped with powerful suspicious object database for the fast and accurate identification of objects at sea. The experimental result shows that the proposed method and the design will fully satisfies the requirements of the maritime police force, the designed flight system is suitable for ship-borne and police purpose, and the designed target identification system is accurate, reliable and has high value for wider application.

target identification; ship-borne; police; aircraft; design

E962；V211.8

A

2095-4069 (2017) 06-0013-04

2016-09-29

浙江省自然科學基金（LY15E090004）

何學明，男，教授，博士，1966年生。1997年畢業于華中科技大學機械電子工程專業，現從事輪機工程、機電智能控制、水下機器人技術的教學與研究。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.003