VR探索飛行器研究

滕海坤，姜 靜，徐 浩

（黑河學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江 黑河 164300）

0 引 言

本文設(shè)計(jì)的VR探索飛行器融合了VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)和小型航拍飛行器，便于操作人員以第一視角遠(yuǎn)距離操控飛行器探查未知領(lǐng)域復(fù)雜環(huán)境，特別是災(zāi)難場所或救援人員前進(jìn)困難的地區(qū)，能夠準(zhǔn)確為救援或其他活動提供第一手信息，相較于第三視角，探索周邊環(huán)境更加全面，具有更好的人機(jī)交互體驗(yàn)[1]。

1 系統(tǒng)介紹

VR探索飛行器主要包括四個模塊，即VR圖像形成模塊、飛行控制模塊、動力模塊和圖像接收/處理模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VR探索飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

飛行控制模塊：該模塊由飛控APM完成，控制四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制飛機(jī)姿態(tài)，載有加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)、羅盤等傳感器。利用M8NGPS對飛行器進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通過無線遙控器來操作飛行器的基本動作（垂直、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、定點(diǎn)、定航運(yùn)動）。

動力模塊：該模塊通過四個電調(diào)控制無刷電機(jī)為飛行器提供動力輸出，包括電子調(diào)速器、無刷電機(jī)和鋰電池。

圖像采集模塊：該模塊完成圖像信息的采集及傳輸，包括700線高清攝像頭和AV圖傳發(fā)射接收器TS832。

圖像接收處理模塊：該模塊完成圖像接收以及VR成像，包括UVC采集卡、安卓系統(tǒng)手機(jī)、口袋APP、150頻點(diǎn)無線信號接收器。

2 工作原理

本文研究的四軸飛行器具有自穩(wěn)、體積小、低功耗和定點(diǎn)定高的易控制性；搭載700線高清攝像頭，利用TS832進(jìn)行圖像采集和發(fā)射，手機(jī)端采用UVC視頻采集卡采集圖像。視頻傳輸可輸出AV信號，也可通過無線傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，支持智能手機(jī)安卓系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)，將所傳圖像結(jié)合VR技術(shù)，感受第一視角體驗(yàn)；控制系統(tǒng)使用APM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制飛行器的姿態(tài)，加上M8NGPS完成定高定點(diǎn)返航等功能，傳輸距離遠(yuǎn)且穩(wěn)定，并且通過OSD將接收的數(shù)據(jù)流（高度、飛行速度、坐標(biāo)等）疊加到圖像上；使用OTG模塊將UVC采集卡連接到手機(jī)端接收圖像，在手機(jī)端用口袋APP來處理圖像，最終通過VR眼鏡形成VR圖像，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。VR探索飛行器硬件組成模塊如圖2所示。

圖2 VR探索飛行器硬件組成模塊

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）實(shí)現(xiàn)了VR技術(shù)與飛行器系統(tǒng)的融合。現(xiàn)階段無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，在娛樂、工業(yè)和軍事等方面都有應(yīng)用，然而市場上的飛行器大多注重開發(fā)功能并提升無人機(jī)性能，卻忽略了人機(jī)交互體驗(yàn)[2]。飛行器的VR沉浸式體感控制系統(tǒng)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和體感控制系統(tǒng)，可創(chuàng)造更好的人機(jī)交互體驗(yàn)，探查時更加具體，人的感官可與飛行器拍攝實(shí)時同步，能清晰地觀察并把握細(xì)節(jié)。

（2）改進(jìn)外形，更好選取拍攝角度。本文改進(jìn)了飛行器外形使其可多角度選取畫面并立體地模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，完美解決了拍攝角度選取困難的問題。新的結(jié)構(gòu)主架使飛行器能更快速地飛行，節(jié)省時間，避免人力物力資源的浪費(fèi)。使用VR技術(shù)及新型結(jié)構(gòu)主架，可使飛行器在快速飛行的同時模擬穩(wěn)定的環(huán)境，做到真正的實(shí)時同步。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，基于視覺信息與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合導(dǎo)航，能夠解決目前待解決的室外導(dǎo)航難題，不僅提高了飛行器導(dǎo)航的精度，而且增強(qiáng)了導(dǎo)航的可靠性。

（3）通過人機(jī)交互方式擴(kuò)展飛行器應(yīng)用領(lǐng)域。本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與飛行器結(jié)合的最主要目的是擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，即災(zāi)難救險及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。操作人員可使用VR探索飛行器360°全方位探測災(zāi)難場所的周邊環(huán)境，第一時間做出最準(zhǔn)確的判斷，減少人員傷亡和降低人力資源成本；同時，也可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大面積谷物生長的情況拍攝，不僅降低了操作難度，提高了工作效率，還大大降低了作業(yè)的勞動強(qiáng)度。如果操作人員第一時間未做出反應(yīng)，也可根據(jù)視頻采集功能進(jìn)行二次查看。

4 結(jié) 語

VR探索飛行器，除了具備使用普通航拍飛行器的功能外，還擁有更易操控的特性和圖像傳輸直觀性。因此該系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域和特殊領(lǐng)域都有較大優(yōu)勢。應(yīng)用領(lǐng)域：使用 VR 體感控制系統(tǒng)的原因在于系統(tǒng)的易操控性，操控者可靈活操控飛行器，又因圖像傳輸?shù)闹庇^性，操控者可擁有更廣闊且逼真的視野，實(shí)現(xiàn)對飛行的整體掌控。特殊領(lǐng)域：對于一些災(zāi)難救險工作、氣候環(huán)境惡劣和大面積作業(yè)的研究領(lǐng)域來說，VR探索飛行器是較好的觀測工具，且該飛行器易于操控，便于人們使用[3]。同時，VR 圖像系統(tǒng)還可讓觀測者更直觀、更清晰地觀測到研究對象，能夠針對現(xiàn)場情況第一時間做出準(zhǔn)確判斷，制定應(yīng)對策略，減少人員傷亡并降低勞動強(qiáng)度。

[1] 趙暄，王毓臻，張渝強(qiáng)，等.“時空印象”——VR體感飛行器[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（1）：14-15.

[2] 張良杰，朱麗敏，鐘石根，等.VR技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域研究[J].傳感器世界，2017，23（5）：26-31.

[3] 魏振華，劉強(qiáng).VR技術(shù)在土木工程防災(zāi)中的應(yīng)用[J].工程管理學(xué)報(bào)，2016，30（2）：81-85.

[4] 施鵬. VR技術(shù)在安全生產(chǎn)培訓(xùn)中的運(yùn)用[J].安全，2017，38（8）：54-56.

[5] 友文. 走進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)，解析NVIDIA“VR技術(shù)”[J].電腦知識與技術(shù)（經(jīng)驗(yàn)技巧），2016（7）：96-99.

[6] 王戈靜. 基于VR技術(shù)的工業(yè)場景導(dǎo)覽互動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2017（10）：124-125.

[7] 孫晗.VR技術(shù)——傳媒數(shù)字化發(fā)展的新路徑[J].電腦知識與技術(shù)（學(xué)術(shù)交流），2017，13（11）：205-206.

[8] 王永紅.VR技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（25）：152.