基于圖像處理的多用途四旋翼無人機系統設計＊

韋 輝，翁發祿，郭海長，劉 帥

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

1 研究背景

隨著科技的發展，無人機在人們的生活中變得隨處可見，它在現代人的生活中扮演著愈發重要的角色。由于無人機具有自身便攜、體積小、不受地形影響等特點，在旅途中，使用無人機進行高空航拍，可以為人們帶來一種不一樣的視角體驗。更重要的是在抗災救援方面，在洪災、火災，泥石流等自然災害發生時，使用無人機可以將災害第一現場的受災情況進行實時傳輸，并進行物資投放，很大程度上保證了記者、救生員等人員的生命安全，并為精準救援帶來更多的寶貴時間。但是過度復雜的外部天氣可能會導致無人機信號不通暢以及飛機不能正常沿指定航線飛行。本文通過開發嵌入式系統實現對無人的控制，并通過圖像識別等技術手段完成飛行任務，對由于復雜環境原因導致救災搶險人員無法及時到達的問題，無人機起到一定的實際應用價值。

2 系統總體設計

系統總體設計包括極端環境下飛行控制系統設計、基于圖像處理的物品投放設計以及通信失常下自主返航飛行。極端環境下，在飛行控制系統設計中主要考慮一定的風級下可以懸停、抗振等問題。同時考慮復雜環境的不確定性，在系統的控制方法設計中同時引入了容錯控制及魯棒技術。系統的定向、定位及定高主要通過陀螺儀、磁力計、氣壓計等外圍電路實現。無人機在圖像的獲取上，主要通過OPENMV來完成。設計掛鉤控件的過程中，為了確保物品順利脫鉤，采用雙線圈驅動方式，實現脫鉤動作雙保險。在投放目標點的識別和檢測上，系統通過視頻圖像處理來完成。同時在無人機執行飛行任務時，若突發通信失常情況，系統將會觸發自主飛行，確保系統不受通訊突發狀況的影響。在無人機完成飛行任務后，系統會切換到自主返航模式，確保無人機在通訊中斷條件下的安全性。

2.1 硬件設計

四旋翼飛行器由四個帶漿葉的電機安裝在“十”字對稱架上，以STM32F407 芯片為系統的控制中心，外加MPU-605 型號陀螺儀、磁力計、氣壓計、光流模塊、OPENMV、24C02、PWM I/O、LED 燈、穩壓電源等外圍電路。系統硬件結構如圖1 所示。對飛行器的控制實則是對電機的控制，通過控制器輸出四路PWM 波實現對四個電機轉速的控制以達到對整個飛行器的控制。當四個電機轉子旋轉產生的合扭矩和飛行器機身質量一致時，飛行器處于懸停狀態；當四個電機轉自旋轉產生的合扭矩小于飛行器機身質量時，飛行器處于降落狀態；當四個電機轉子旋轉產生的合扭矩大于飛行器機身質量時，飛行器處于上升狀態。無人機通過對四個電機轉速不同的控制達到對飛行器俯仰角度、橫滾角度、偏航角度的調整，實現對飛行器的姿態控制。通常需要建立慣性坐標系{X1，Y1，Z1}和機體坐標系{X，Y，Z}來對四旋翼無人機模型進行描述。

圖1 系統硬件結構圖

2.2 軟件設計

四旋翼無人機的軟件設計包括無人機飛行控制設計、圖像識別及處理、通信及故障報警、自主返航超聲波避障4 大部分。圖像識別及處理主要包括截取圖像預處理、圖像融合、圖像分割、目標特征提取和目標鎖定5 個模塊。再通過圖像預處理算法、圖像融合算法、圖像分割識別算法、特征提取算法等進行目標地點選定。由于地理環境復雜，所以無人機所拍攝的圖片噪音大、對比度低。因此需要對圖片進行圖像去噪、圖像濾波以及圖像灰度化處理。四旋翼無人機圖像識別流程如圖2 所示。

圖2 四旋翼無人機圖像識別流程圖

在通信正常時無人機可受控制，無人機由計算機或遙控器等設備進行控制，直至完成飛行任務。若通信受阻或任務完成時，無人機通過超聲波避障等功能完成自主返航飛行。系統通電后，無人機將自動進行I/O 口、LED 燈、PWM 輸出、PID 參數等初始化。初始化完成，系統將會進入待機狀態，等待給定飛行任務。當外部有任務給定時，無人機會執行相關任務。完成任務后，無人機會進行自診斷，判斷系統是否有故障，再回到待機狀態，等待給定下一個任務，直至系統收到結束任務。

3 總結

本文主要介紹了以STM32 控制器為核心的無人機實現基于圖像處理的多用途無人機控制系統設計。系統通過控制器控制外圍電路，實現對無人機當前狀態的監測，系統通過MPU-6050 陀螺儀實現對無人機飛行姿態及位置檢測，通過磁力計實現對無人機方向的定位，通過氣壓計定高無人機氣壓，通過OPENMV 獲取圖像，并通過光流模塊實現定點飛行。為了順利完成每次任務，提高飛行的可靠性，系統還設計了飛行故障報警系統，系統會對故障進行自診斷及故障處理，并判斷是否可繼續執行飛行任務，提高安全性。同時，為了避免飛行距離過遠及環境過于復雜問題，系統還設計了自主飛行功能。在飛行區域的選擇上，系統通過圖像預處理、圖像融合、圖像分割、目標特征提取和目標鎖定等方法實現，并通過仿真與實驗驗證了方案的可行性。