一種基于無人機的河流巡檢系統導航技術研究

◆黃 瑩

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一種基于無人機的河流巡檢系統導航技術研究

◆黃 瑩

（安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 241002）

隨著無人機技術的快速發展，其運用也越來越廣泛，但是大多數的應用還是通過人工操作遙控器來控制無人機的飛行方向與速度。本文利用CCD傳感器、MC9S12XS128MAL單片機、圖像動態閾值二值化算法等設計一種無人操作的基于無人機的河流巡檢系統導航技術，使無人機可以自動沿著河流巡檢，解決了在復雜山地環境下的河流自動監測問題。

無人機；CCD傳感器；圖像二值化；河流巡檢

0 引言

河流的巡察工作在軍事和民用上都具有十分重要的意義。傳統的人工巡查方式不及時、不準確、費時費力。采用無人機巡檢的方法對河流的水位、污染、堤壩等情況進行勘察是技術發展的趨勢。在無人機巡查過程中，需要精確的控制無人機的飛行路線，保證無人機不偏離河岸，但現有的技術主要靠人工操作無人機，靠無人機拍攝并實時傳回的視頻圖像判斷無人機是否偏離航線，自動化程度不高。在復雜山地環境下，由于山地對遙控信號的屏蔽作用，操作員必須離無人機較近，然而在復雜的山地環境下操作員與無人機的距離難以保證。本文設計了一種依據河岸能夠自動控制無人機飛行的導航技術。該技術在圖像動態閾值二值化算法研究的基礎上，基于MC9S12XS128MAL單片機和CCD傳感器，由CCD采集河岸圖像信息，傳送給單片機運用二值化算法進行處理，快速并準確的找出河岸的位置，保證無人機不偏離河岸。

1 系統方案設計

圖1 無人機的河流巡檢系統導航技術基本框架

如圖1所示，路徑傳感器采用線性CCD，將CCD采集到的河流及河岸信息，通過圖像處理算法提取出邊界信息，通過相應的控制方法，控制無人機的速度和方向，使無人機能夠沿著河流的軌跡飛行。本文著重介紹無人機的自動導航技術，即控制方向部分的研究，對控制速度方面不作過多敘述。由于CCD傳感器易受光線的亮度影響，因此，在不同的時間段，不同的天氣環境下采集的圖像信息有很大的差別，這就對圖像處理的算法有著很高的要求。我們采用圖像動態閾值二值化算法，可自動適應不同環境光的情況，進一步提高了系統的穩定性。

2 CCD傳感器

電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一種以電荷為信號載體的微型圖像傳感器,具有光電轉換和信號電荷存儲、轉移及讀出的功能,其輸出信號通常是視頻信號,可存儲于適當的介質或輸入計算機,便于進行圖像存儲、增強、識別等處理。本系統受天氣環境等外界因素影響極大，所以我們采用TSL1401 線性 CCD，晴朗天氣的光線和陰暗天氣的光線有很大的不同，所以不能采用相同的曝光參數。曝光量與輸出電壓密切相關，而曝光量又取決于曝光時間和CCD 模塊所采用的鏡頭光圈的大小。無人機的飛行航線為適應各種運行環境，必須實時感知環境，并根據環境閉環調節曝光量，使得在不同環境中曝光量都處于一個合理的范圍，這樣才能保證在不同環境中 CCD 輸出電壓在合理范圍。本系統采用軟件調整曝光時間，這是因為鏡頭的相關參數一旦確定，在無人機飛行中難以改變，但可通過程序十分方便的修改曝光時間。

3 圖像動態閾值二值化算法

由于采用線性CCD，在相同的曝光時間內河面的灰度值大于河岸的灰度值，兩者差值隨曝光時間增大而增大。因此，在正常光線下，本設計采用10ms曝光并且調節運放使河岸河面電壓差值達到最大，便于二值化處理采集到的圖像。此外，為了避免光線強度的影響，我們使用了動態閾值二值化算法提高循線的適應性，并控制調整曝光時間，以適應不同光照狀況下的數據采集。

提取河岸邊沿的思路是：先對采集的數據進行濾波處理和二值化處理，避免異常像素點對中線采集的影響。在二值化后的圖像（如圖2）基礎上，先對圖像進行微分處理，記為du/dt（u代表CCD采集到的河岸河面信息的電壓）。根據前期實地檢測，設置一個小值e(接近為0),并且設置a、b、c、d的值（近似A、B、C、D點的斜率）。開始時從左向右掃描，如果出現du/dt從小于e到大于a變化的現象，則表示檢測到A點，記錄下A點的值；如果出現du/dt從大于b到小于e變化的現象，則表示檢測到B點，記錄下B點的值；如果出現du/dt從小于e到大于c的絕對值變化的現象，則表示檢測到C點，記錄下C點的值；如果出現du/dt從大于d的絕對值到小于e變化的現象，則表示檢測到D點，記錄下D點的值。采集完同一條直線上的A、B、C、D四點后，根據中心線=（A+B+C+D）/4計算出本次河岸的位置之后與理論中線64作差得出無人機與河岸的偏差。無人機在飛行過程中出現各種狀況導致掃描點數不完整時，根據掃描到的單邊點計算偏差。

圖2 二值化后的圖像

圖3 河岸與河面圖像

4 結語

本文以河流巡檢為應用背景，在無人機的基礎上，文章介紹河流巡檢導航系統的技術設計思路和實現方案，并提出了河流巡檢系統等待解決的一些問題和優化拓展方向。本技術實現無人機自動導航功能的同時，還進一步提高了巡檢系統的效率和準確率。同時，本文所提到的技術實施和生產過程中等待解決的一些問題，是一個系統需要了解的，這也為以后的研究提供了一個方向。

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安徽師范大學本科生優秀畢業論文培育計劃（pyjh2016302）。