微型无人机飞行工况视频监测及图像处理与目标识别研究

柴西林，边涛，邵照勇

（1.西北师范大学知行学院，兰州730070；2.千峰互联科技有限公司，北京100000；3.中国石油兰州石化分公司电仪事业部，兰州730060）

0 引言

所谓无人机，即不载人的飞行器。根据微型无人机的特点，结合军用或民用实际情况，无人机在空中巡查、消防救援、抢险救灾、交通管理等应用中可发挥良好作用。近年来，随着计算机技术、通信技术、数字图像处理以及模式识别等技术的快速发展，无人机视频监控技术也迅猛发展起来。本文将微型无人机飞行工况、视频采集传输与图像处理及模式识别的技术融合，建立于四旋翼飞行器飞行平台上[1]。

1 总体设计

微型无人机的整体设计包括硬件环境搭建、飞行软件设计、地面辅助软件设置、遥控器的设计与设置，各个模块同时运行，才能实现无人机的正常工作，无人机整体设计方案[1]如图1 所示。将景深摄像头和传感器搭载到四旋翼无人飞行器上面，采集到飞行器飞行工况的速度、高度、电机转速等实时飞行信息和图像信息。上位机对传输回来的飞行数据进行处理和分析，以便及时调整飞行器状态；对图像信息进行处理，实现目标物的识别。初步验证方式是通过在地面上放置一些标识物，飞行器进行识别，再通过对标识物特征和飞行器自身数据结合，组织飞行命令，帮助飞行器完成特定飞行任务[2]；最后再选用特定环境，如交通环境中车辆、车道线等特定目标的识别。系统总体设计如图2 所示。

图1 无人机整体设计方案框图

图2 系统总体设计框图

2 主要模块设计

2.1 主控MCU及接口

四旋翼无人机具有六自由度（位置与姿态），以及四个控制输入输出（旋翼转速）的欠驱动系统。它具有较强耦合，干扰敏感，多变量，非线性等特点，系统稳定性决定了无人机飞行安全性，加大了飞行控制系统的设计难度。因此主控MCU 选用了STM32 系列芯片，其接口电路图如图3 所示。

图3 主控MCU

2.2 定位、导航与无线通信

一方面，GPS 通常无法在近地环境中正常运行，这需要综合应用光学、声学、惯导、雷达和地形匹配技术，以及可靠、精确的定位和导航技术；另一方面，靠近地面的环境很复杂，并且干扰源较多。因此，需要较为可靠、安全的通信链路技术保障无人机稳定飞行。选择能传输到一定距离的传输设备建立无线通道传送图像数据和无人机自身的数据信息，这两类信息中，一般需要实时传输无人机自身的数据信息，而在需要时才采集图像信息，且图像信息需要较大的带宽和功耗。因此，设计两条无线通道传输这两类信息[3-4]。系统采用基于2.4G 无线收发模块NRF24L01 实现无线通信，它可以同时接收6 个通道的发送数据，同时为避免无线通信干扰还可以采用变频手段改变通信频道，其显著特点是功能较强、控制较方便、价格便宜。NRF24L01+及其PA 接口如图4 所示。

图4 NRF24L01+和PA接口

2.3 电源模块

影响微型四旋翼无人机尺寸的主要因素是其质量，而动力和能源设备的质量占机身总质量的很大一部分。因此，开发更轻，更高效的动力与能源装置是使四旋翼进一步微小型化的关键。系统使用的是一款可充电锂电池，带有漏电保护装置，充电时的电流可以达到5000mA 这样就可以连接在电脑上充电，而且采取了低功耗措施，四轴板载的电源接口部分，其电路图如图5 所示。

图5 电源模块

2.4 上位机控制

用上位机对飞行器实时控制，在调试的时候，需要随时更改PID 参数，这就是要发送的命令，无人机航拍视频显示区域可查看航拍模式下视频信息，图6 所示为上位机界面。

2.5 数字图像处理和目标识别

为了快速、准确地检索识别和匹配出目标信息，运用了数字图像处理及模式识别技术。通过无人机搭载的景深摄像头及图像云台，及时采集获取交通视频。然后将视频中的一个或多个运动对象从图像背景中区分出来。通过航拍多个交通视频并将其转换成帧图片，让程序逐一分析每帧图片的车辆和车道标志线的情况，并将检测目标标记出来，最后从合成的视频中就可以看见被标记的目标区域。图像处理过程主要基于数字图像处理的基本原理，包括腐蚀、膨胀、开运算、灰度值与RGB、车辆质心获取和视频的分帧等，运用了特征提取识别的基本方法，实现了交通视频中的车道线和浅色车辆的检测和识别[5-8]。

图6 上位机控制界面

图7 从视频中提取的帧图像

图8 图7处理后的图像

图9 识别标记浅色车辆

图10 识别标记车道线

3 飞行测试与分析

微型无人机硬件搭建完成后，首先要将无人机飞控模块与地面站上位机连接，进行一次加速度计、罗盘校准、电调、遥控器、电源模块的参数检测与调试，确保无人机各模块正常运行，进而确保无人机安全飞行，无人机实体如图11 所示。各项数据正常开始试飞，多次试飞中电池电量、飞行速度、横滚和偏航等参数正常。无人机在定高模式、自稳模式、悬停模式、绕圈模式的飞行数据正常。在功能与完成飞行任务方面符合预期目标，例如，分析飞行速度变化值，可以看到变速灵活，提速较快，降速平稳，如图12 所示。

图11 微型无人机效果图

图12 飞行速度变化值

4 结语

本系统通过对微型无人机飞行工况的数据监测及视频图像采集处理，实现了特定目标物的识别，指导无人机完成某些特定的飞行任务。并在实际应用中实现了对无人机监测到的交通视频中车道线、车辆检测识别等应用。系统具有成本较低，易于控制，灵活性高等特点，可广泛用于安防监控、交通管理、农业和林业、管线巡检等众多领域。