無人機在多傳感器的數據融合和校園防火應用

董作峰 李想 吳蔚

摘要：無人機作為一種高新技術領域的熱門研究項目，吸引著全球各行各業的目光。首先，需要明確無人機的內部結構及相關參數;同時，傳感器是它的工作重心，而單一的傳感器的作用有限，多傳感器相互補充，共同發揮作用已成為主流;目前無人機應用的難點在于多傳感器協同工作時的數據信息融合。本文主要介紹飛行中坐標轉化和數據融合理論及圖像探測，最后介紹了在校園防火方面的應用，在安防方面有重要影響。

關鍵詞：坐標轉化;數據信息融合;圖像探測

中圖分類號：TP319 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

1 無人機的組成部分、相關傳感器數據及坐標轉化

1.1 組成部分

無人機主要由飛機機架、飛行控制系統（簡稱“飛控系統”）、動力系統、遙控器、遙控信號接收器、相機探測設備構成。

（1）機架：機架的兩個重要參數是重量和軸距。分為機身和起落架兩部分。選材優選復合材料，高強度，剛性強。螺旋槳和電機決定了機架的尺寸。槳翼越長，電機越大，機架也越大。如圖1所示。

（2）飛控系統：飛控系統是整個無人機的重點，是無人機的“心臟”。飛控系統主要由陀螺儀、加速度計、慣性測量單元（IMU）、氣壓計、磁力計（電子羅盤）、GPS、載波相位差分技術（RTK）及其他多種傳感器組成。

（3）動力系統：無人機的動力系統由螺旋槳、無刷電機、電調、電池組成。無人機通過漿翼產生反作用力推動機體運行，系統內的電調控制器來控制電機的轉速。

（4）遙控器：通過其來實現對無人機的控制。

（5）遙控信號接收器：讓飛控系統去接受操作者發出的信號。

（6）云臺相機：相機一般通過云臺（Gimbal）裝在無人機上，能滿足相機的3個自由度：繞X、Y、Z軸旋轉，軸心安裝電機，配合陀螺儀，避免像素的損失。

慣性模塊由MPU6050（陀螺儀、加速度計）、HMC5883L（磁力計）組成。選用的氣壓高度計為MS5611。采用的光流傳感器為PX4LOW。選用的氣壓高度計為MS5611。

1.2 相關傳感器

加速度計：不僅決定各方向加速力，還能決定傾斜角度，還可以檢測所受震動。加速度計傳感器的數據是關鍵的輸入。

磁羅盤：為無人機飛行提供方向數據。能夠偵測設備在X、Y、Z各軸向所承受磁場的數據。為了獲得正確的方向，磁性數據還需要加速度計提供傾斜角度數據。

氣壓計：根據大氣壓力計算高度，協助無人機導航。

1.3 相關系統及數據轉化

（1）GPS導航系統：GPS可以提供精度、緯度及高度3組數據。在進行導航計算時我們需要把3個參數轉換成ECEF坐標系下，然后再轉換成NED坐標系下。其中，N為曲率半徑，相關信息如圖2所示。

（2）IMU慣性導航系統：在飛行控制過程中，加速度計與陀螺儀獲得無人機加速度和角速度信息，進而估測位置、姿態、速度等數據。

（3）AHRS航姿參考系統：提供航向、橫滾和側翻等姿態信息。內部采用的多傳感器數據融合進行的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。

2 多傳感器的數據融合

在傳感器方面，多傳感器相互配合可以互相彌補缺點，增強各個方面的應用能力，提高可信度和容錯率。在數據精度上，無人機的多傳感器能得到多個數據，結合所有數據能夠得到更加精確的測量結果;同時考慮工作原理等因素來確保數據發揮作用。此外，也需要格外注意姿態精度和高度精度的時效性。

多傳感器數據融合的常用方法分為隨機和人工智能兩大類：隨機類方法有加權平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計法[2]、D-S證據推理[3]、產生式規則等[4];而人工智能類則有模糊邏輯理論[5]、神經網絡[6]、專家系統[7]等。

多傳感器信息融合系統的結構模型：

（1）集中式融合結構（損失少，互關難）。

（2）分布式融合結構（局部獨立）。

（3）混合式融合結構（成本高）。

（4）多級式融合結構（綜合）。

2.1 卡爾曼加權法的高度融合

2.2 異類傳感器協同探測

無人機電子偵察設備結合CCD相機協同工作，可以實現對目標區域進行偵察并且發送收集到的數據。電子偵察設備可以搜索、截獲、識別、定位和分析空中輻射的電磁能量。

同時應電力線路安全巡檢需要，設計了集成光學、紅外、紫外、激光掃描等傳感器為一體的設備。

（1）可見光相機：對地表情況進行監測。

（2）紅外檢測設備：通過紅外線反饋的信息對溫度進行采集。

（3）紫外檢測設備：通過紫外線的吸收量來檢測。

（4）空間掃描設備：通過AD和DA進行信號處理。

3 關于校園防火系統的無人機

近幾年我國高校頻繁發生火災事件，造成了巨大的經濟損失，作為培養人才的地方，保證正常的秩序和學習環境是非常必要的。因此校園火災問題尤為重要。

3.1 功能概況

對無人機進行編程導航自主飛行，對校園進行特定方式的自動掃描，主要利用無人機的氣敏傳感器、溫度傳感器及成像和掃描設備等，實現對事故的初步判斷。一旦超過指定數據，立即觸發警報。同時，傳輸GPS圖像，便于相關人員及時判斷，減少誤差;無人機搭載水箱，及時應對緊急情況，操作水箱，減少損失。

3.2 長時間作業

延長續航時間[9]是完成任務的有利條件，下面介紹3種方式：

（1）最優化設定固定軌跡，既可以保證無人機盡可能多的長時作業，又可以降低成本。

（2）選用優化的無人機，如續航時間長達270 min的HYDrone-1800。

（3）實現無線充電[10]。無線充電站主要由電動停機坪、充電艙艙門和無線充電艙3部分組成。通過光耦繼電器模塊控制系統的照明。無線充電艙內的發射模塊和線圈，配合無人機上的掛載電路實現無人機的無線充電（STM32F407VET6芯片，ESP8266 WiFi模塊，DS18B20溫度傳感器，無線充電模塊）。

3.3 避障系統

（1）幾種典型的障礙物模型：旋翼無人機包圍盒模型，建筑包圍盒模型，樹木包圍盒模型，路燈等公共設施包圍盒模型，禁飛區、限飛區等包圍盒模型。

（2）模擬飛行環境的柵格模型及高度模型。對包括圖書館、勤學樓、致學樓、餐廳、停車場等在內的區域進行建模。用黑色柵格方塊表示該柵格存在障礙物，白色柵格方塊表示淺柵格中不存在障礙物。

（3）由于準確測量飛行環境中障礙物高度工作任務復雜且意義并不大，所以本文將采用估計值對障礙物進行高度估計，假定每層樓高3米，每棵樹高4米，路燈高6米，假設校園中不存在禁飛區、限飛區等。假定障礙物密集區域為連續且高度均勻的整體。

（4）基于A*算法[11]設計出規避路徑，設置不同的高度路徑代價比例值，實現不同的規避路徑。

（5）通過機體內部自檢模塊，及時檢查故障[12]。

4 結語

在未來，無人機多傳感器技術在安防方面會越來越受歡迎。深入研究無人機飛行期間需要的相關系統及坐標轉化，會更好理解無人機的工作狀態，并對故障做出正確的判斷和處理，多傳感器數據融合的卡爾曼加權法是目前主要的融合方法。將多傳感器聯合處理技術應用到實際，對各種傳感器實施應用，發揮各自作用，形成一個完整的安防無人機體系，提出了校園防火的實用模型，為以后深入研究做出了鋪墊。

參考文獻

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[12] 范玉剛，王之宏，黃國勇.基于ITD-AR模型的故障診斷方法研究[J].昆明理工大學學報（自然科學版），2017（6）：7.