基于樹(shù)莓派的無(wú)人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)

張玄 王猛 杜文樂(lè)

摘要 針對(duì)地面人員難以進(jìn)入觀測(cè)和耗費(fèi)大量人力的區(qū)域，其環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息采集費(fèi)時(shí)費(fèi)力，設(shè)計(jì)出一款基于樹(shù)莓派的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)至關(guān)重要。利用四軸無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性和負(fù)載能力，搭栽樹(shù)莓派核心處理器，借助Opencv庫(kù)進(jìn)行圖像處理，以攝像頭作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊，以無(wú)線串口的信息交換方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，以SMTP協(xié)議發(fā)送郵件作為數(shù)據(jù)回傳，為地面人員提供及時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息。判斷一定環(huán)境范圍內(nèi)的交通堵塞、人員聚集以及突發(fā)自然災(zāi)害等情況。

【關(guān)鍵詞】圖像處理 環(huán)境監(jiān)測(cè) 無(wú)人機(jī) 樹(shù)莓派

由于一些地區(qū)或場(chǎng)合的特殊情況，地面人員難以直接進(jìn)行人眼觀測(cè)，而且長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)在無(wú)人機(jī)方面的研究，莫過(guò)于進(jìn)行遙感操作，而由遙感操作得到的圖像判讀、解譯后獲得的往往是對(duì)地物的大致估計(jì)，會(huì)和實(shí)際情況有出入，所以還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地面環(huán)境信息的直接采集和數(shù)據(jù)的主動(dòng)回傳。四旋翼無(wú)人機(jī)由于其成本低、體積小、便于使用和維護(hù)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)特點(diǎn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可行性的前提條件。樹(shù)莓派通過(guò)GPS獲取位置信息從而控制攝像頭采集地面圖像，并進(jìn)行處理識(shí)別，然后將處理結(jié)果通過(guò)郵件回傳到手機(jī)等終端。樹(shù)莓派的快速處理回傳構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整體由樹(shù)莓派核心處理模塊、無(wú)人機(jī)運(yùn)載模塊、圖像采集模塊、GPS模塊、信息回傳模塊組成。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，將指定地點(diǎn)的位置信息輸入無(wú)人機(jī)APM飛控芯片和樹(shù)莓派，通過(guò)手持遙感控制無(wú)人機(jī)起飛，無(wú)人機(jī)搭載樹(shù)莓派與攝像頭按飛行計(jì)劃到達(dá)指定位置。當(dāng)無(wú)人機(jī)到達(dá)指定位置時(shí)，樹(shù)莓派控制攝像頭進(jìn)行圖像信息的采集，然后對(duì)模板圖片和采集照片進(jìn)行圖像對(duì)比處理，判斷當(dāng)前環(huán)境是否異常，并將結(jié)果通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)向終端發(fā)送郵件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳，系統(tǒng)總體模塊如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體硬件模塊

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由樹(shù)莓派、攝像頭、四旋翼無(wú)人機(jī)等組成。如圖2所示。

樹(shù)莓派屬于核心處理模塊，通過(guò)電壓5V電流2A的鋰電池供電，固定在無(wú)人機(jī)上;攝像頭采用山狗相機(jī)通過(guò)USB接口連接在樹(shù)莓派上;無(wú)人機(jī)充當(dāng)運(yùn)載設(shè)備，主要工作為運(yùn)載設(shè)備從地面到達(dá)指定拍攝位置;APM芯片控制無(wú)人機(jī)的定高、定點(diǎn)飛行;華為上網(wǎng)卡通過(guò)USB連接在樹(shù)莓派上提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。下面詳細(xì)介紹一些主要硬件系統(tǒng)。

2.2 樹(shù)莓派

設(shè)計(jì)使用的樹(shù)莓派型號(hào)為3代B型，其系統(tǒng)基于Linux，是一個(gè)只有銀行卡大小的微型電腦。樹(shù)莓派3B搭載ARM Cortex-A5364位四核處理器，主頻1.2Ghz，板載1GB內(nèi)存（LPDDR2），樹(shù)莓派3B有著豐富的外部接口，可連接諸多外圍設(shè)備，諸如攝像頭、GPS、舵機(jī)、鍵盤等，其CPU為ARM構(gòu)建，該板卡可以像普通開(kāi)發(fā)板一樣作為算法運(yùn)行模塊，也可以同普通電腦一樣，作為一臺(tái)PC使用，體積更小，功耗更低，樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板具備足夠的運(yùn)算能力和充足的外部擴(kuò)展接口，它有4個(gè)USB2.0接口，可連接驅(qū)動(dòng)USB攝像頭、USB-3G上網(wǎng)卡等設(shè)備，支持HDMI高清視頻輸出。有Python、C等程序語(yǔ)言的編譯環(huán)境。

2.3 攝像頭

SJCAM SJ6 LEGEND是一款運(yùn)動(dòng)相機(jī)，采用聯(lián)詠96660主控芯片，支持1080P/30幀高清拍攝，1200萬(wàn)像素拍照，2 0英寸高清顯示屏，7片高清光學(xué)玻璃鏡頭，高達(dá)1700的取景角度，入境畫(huà)面更多，適合航拍，HDMI高清輸出，它具有高清圖像，高數(shù)據(jù)容量，樹(shù)莓派可通過(guò)攝像頭的USB接口提取并處理圖片。

2.4 四旋翼無(wú)人機(jī)

四旋翼無(wú)人機(jī)與固定翼無(wú)人機(jī)相比具有體積較小、成本低、操縱靈巧、可以垂直升降等優(yōu)勢(shì)，采用APM2.8開(kāi)源飛控，配合mission planner地面站軟件可以在飛行過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)飛行姿態(tài)，自動(dòng)調(diào)整空中參數(shù)，便于操控，也可以預(yù)先寫入飛行計(jì)劃，讓無(wú)人機(jī)按照指定路徑飛到目的位置，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)并自主返航。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 程序概述

程序設(shè)計(jì)主要包括通過(guò)串口獲取GPS信息作為觸發(fā)信號(hào)，控制攝像頭獲取一幀圖像、圖像處理、郵件回傳等。利用樹(shù)莓派獲取指定位置的GPS信息后控制攝像頭延時(shí)3s待無(wú)人機(jī)穩(wěn)定后拍照;郵件回傳主要利用Smtpliblib模塊在服務(wù)器中的Python中提供處理郵件系統(tǒng)的接口，通過(guò)調(diào)用smtplib庫(kù)使用SMTP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單的封裝，從python腳本發(fā)送郵件信息。在這之前還需要通過(guò)QQ郵箱開(kāi)啟smtp/pop設(shè)置，獲取配置郵件客戶端字符碼，從而能夠使其在LINUX系統(tǒng)下發(fā)送郵件。

3.2 圖像處理算法

圖像壓縮：根據(jù)實(shí)際需求，縮小圖像使其更加清晰平滑。當(dāng)圖片被有損壓縮時(shí)，組成圖片的像素點(diǎn)減少，將有大量肉眼不可見(jiàn)的細(xì)節(jié)丟失，簡(jiǎn)化細(xì)節(jié)，從而提高python的運(yùn)行速度，減少因處理圖片而占用的內(nèi)存。

圖像分割：圖像分割是把圖像通過(guò)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分成若干個(gè)特定的、或者有特殊性質(zhì)的區(qū)域，基于本項(xiàng)目.實(shí)地拍攝圖像均為航拍圖像，按照標(biāo)志劃分為不同區(qū)域，例如操場(chǎng)、教學(xué)樓、活動(dòng)區(qū)等，通過(guò)圖像分割將這些區(qū)域從一張圖片上分割出來(lái)，并且單獨(dú)進(jìn)行對(duì)比監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，可以迅速將其檢測(cè)出來(lái)。

圖像對(duì)比：本設(shè)計(jì)采用灰度直方圖，用來(lái)描述圖像灰度值的分布，其計(jì)算代價(jià)較小，圖像對(duì)比可以對(duì)圖像進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等，并且被廣泛地應(yīng)用于圖像處理的各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)兩張圖片擁有相同灰度，而顏色卻不相同時(shí)，灰度值直方圖會(huì)將他們視為同樣的物體，存在的差異也將無(wú)法檢測(cè)，基于這種情況，我們進(jìn)一步選擇顏色直方圖進(jìn)行檢測(cè)。顏色直方圖可以準(zhǔn)確的識(shí)別出圖片上任何顏色差異，比如火災(zāi)、車輛、氣候等人眼可見(jiàn)的變化。通常伴隨著色彩的突變，輪廓的變化事實(shí)上也是色彩區(qū)域發(fā)生變化，通過(guò)顏色直方圖，我們統(tǒng)計(jì)顏色出現(xiàn)的區(qū)域，便可以將突變的色彩準(zhǔn)確查找出來(lái)，也就是檢測(cè)出了圖像的異常。

判定結(jié)果分析：判定圖像異常的臨界值和無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性有關(guān)。無(wú)人機(jī)實(shí)際運(yùn)作中首先需要飛往一個(gè)地方，記錄下當(dāng)前的坐標(biāo)以及拍攝并選取其中一張環(huán)境無(wú)異常且圖像清晰的圖像作為模板圖，無(wú)人機(jī)第二次定點(diǎn)飛往同樣的坐標(biāo)再次拍攝實(shí)時(shí)圖像與模板圖對(duì)比匹配，判定是否有異常。無(wú)人機(jī)定點(diǎn)飛行能力以及在天空中保持平衡的能力均影響到臨界的取值，臨界值需要無(wú)人機(jī)大量飛行實(shí)驗(yàn)后才能得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的值。本文中的臨界值設(shè)定為80%，處理結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于樹(shù)莓派的無(wú)人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)反饋系統(tǒng)，利用無(wú)人機(jī)的靈活方便和樹(shù)莓派的強(qiáng)大處理能力，通過(guò)拍攝實(shí)際圖像場(chǎng)景，運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行自主識(shí)別和檢測(cè)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)、信息發(fā)送速度和傳輸范圍、系統(tǒng)的穩(wěn)定性等性能。解決了人們想實(shí)時(shí)快速了解周邊環(huán)境區(qū)域內(nèi)的交通狀況、人員聚集情況以及突發(fā)（自然）災(zāi)害等問(wèn)題。但是GPS的定位精度影響了系統(tǒng)的處理速度，有待改善，以及圖像處理的速度也可以進(jìn)一步改善。

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