基于LED 显示系统的户外新媒体无人机研究

秦朝奕，周彦昂，柏广银，荆 畅，雷 鸣，龚红梅

（苏州城市学院 光学与电子信息学院，江苏 苏州）

基于LED 显示系统的户外无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器。近年来，无人机从军用领域延伸至民用领域。民用无人机产业体系逐渐完备，人才、技术、资本等要素日益完善，各类产业跨界融合，有力推动无人机产业新发展[1]。目前针对“无人机+”的相关研究有很多，罗明达等人专研植保无人机变量喷雾系统，提升现有植保无人机喷雾流量随飞行速度变化自适应调整的精准性，降低施药偏差[2]。屈莹等人采用无人机遥感探测技术实现对国土空间规划用地的遥感影像监测，提取国土空间规划用地测绘遥感影像的边缘轮廓[3]。朱外明等人研究物流柜与无人机协同配送，制定无人机的飞行路线和物流柜上的服务顺序，解决最小完工时间问题[4]。李亚东等人探索了一种基于目标检测模型和多目标追踪的无人机造林成活率自动检测方法[5]。

以上研究大多针对开发无人机应用新发展以及完善技术方案、提高技术水平。中国无人机产业的发展隐患，具体表现为产业内和产业间协同的复杂性和高难度[6]。正是如此，“无人机+”新应用的发现与技术落实更具难度。虽然无人机的应用范围十分广泛，但主要应用在摄影，植保、灾难救援、监控、测绘等领域，但是“无人机+”的衍生产品拥有传媒类空缺。而在能够利用低空资源起到传媒作用的无人机领域，只有无人机编队能实现这一功能，但其资源消耗巨大，只能应用于特定场合，不适合推广大规模的采用。而将无人机设备与现代化全息显示设备结合，打造具备传播信息和互动能力的户外新媒体无人机，充分利用低空资源，应用前景广阔。单机一体化户外新媒体无人机作为空中的独特移动信息传播载体，具有其他媒体无可比拟的优势，适航性强，机动性好，可以在特定高度特定场所，不受地面障碍物限制，用于品牌、产品广告投放以及空中表演、灯光秀和重要信息传递等。时效性强，可出现在比赛现场、活动策划会场、礼仪庆典、盛大游行等重要场合，同时在针对场合设计特定可更内容，实现信息内容的精准投放。目前单机户外新媒体无人机的设计和研发关注度较低。

本文设计出一种单机一体化户外新媒体无人机，利用人眼视觉暂留效应，高速旋转的LED 灯带能形成显示画面从而进行信息的传播。本文设计的户外新媒体无人机，通过将无人机与旋转LED 显示屏结合后，使其成为具备传播信息和互动能力的单个一体化传媒无人机，能在空中完成信息传播任务的新设备。并且通过技术创新，实现大幅提高精准度、灵活度和安全度，解决户外新媒体无人机的姿态稳定、精确制导、LED 高速旋转显示的问题。

1 方案设计

单机一体化户外新媒体无人机作为空中的独特移动信息传播载体，必须具有适航性强，机动性好等特点，可以在特定高度特定场所，不受地面障碍物限制，用于品牌、产品广告投放以及空中表演、灯光秀和重要信息传递等。基于这些特定的要求，首先需要解决核心技术问题，既如何解决户外新媒体无人机的姿态稳定、精确制导、LED 高速旋转显示的问题。本文设计出一种基于国产芯片的户外新媒体无人机，包括机身、云台、MCU 开发板、LED 灯带。具体装置设计如下：

（1） 机身上设有机舱、微型摄像装置和避障装置。

（2） 机身内设置有控制系统。

（3） 机舱顶部设有电机，直流电机上设有旋转云端。

（4） 机身的四周设有LED 灯带，灯带一端与云端的单片机开发板相连，另一端与滑动轴承相连。

（5） 机舱底部设有伸缩杆与滑动轴承连接，伸缩杆的尽头与支架相连接，滑动轴承与LED 灯带相连接。

（6） 机舱底部设计有接电口，可以支持有线连接地面电源，执行空中长时间固定范围工作。

2 硬件装置

单机一体化户外新媒体无人机机械结构、飞控，主要采用国产化器件，包括机身、无刷电机、行星减速电机、飞控仓、LED 灯带、旋转云端盒子、中心主轴；中心主轴贯穿机身，下方有一滑轮；顶部连接着电机，底部连接支架。主轴顶部上的电机连接着旋转云端盒子；飞控舱内置有电路控制系统；旋转云端盒子内置有LED 旋转屏电路控制系统；旋转云端盒子与LED灯带连接，该LED 灯带与主轴下方的滑轮连接。飞控仓内的电路控制系统包括飞行控制器、遥控通信模块、电机驱动器和电源，电源为飞行控制器、电机驱动器供电。机身上有四个对称分布的旋翼臂，每个旋翼臂上都有一个电机和一个螺旋桨，并且电机与飞控仓内的电机驱动器连接。旋转云端盒子上设有单片机开发板、电源。机身旁有一LED 灯带，灯带一端与旋转云端盒子内的单片机开发板相连，另一端与中心主轴下方的滑轮相连。飞控仓两侧各有一个水平方向的无刷电机，该电机与飞控仓内的电机驱动器连接（见表1和图1）。

图1 单机户外新媒体无人机设计

表1 单机户外新媒体无人机机械结构

3 经典线性控制器算法的软屏显示系统设计

整个系统精简稳定，界面操作便捷，针对LED 旋转灯带图案显示算法控制管理而进行开发，软件能够让用户进行运行状态控制，主页，灯照预案，灯光角度控制，设备连接，投放灯光颜色开关时间控制等操作，能够实现空中屏幕高速旋转并进行传媒任务（见图2）。

图2 单机户外新媒体无人机软屏显示系统操作界面

4 飞行系统

飞行系统需要解决的关键问题为搭载了LED 灯带后无人机在飞行控制、导航、安全上的相关技术问题。

4.1 基于线性全状态反馈控制器算法结合AI 强化学习研发的AI 飞控系统

将AI 技术与无人机技术结合。通过构建一个强化学习的环境，让AI 进行自我学习，来解决经典动力学问题，达到控制无人机姿态的效果。采用全面优化的姿态解析以及多传感器融合算法，精准可靠，实现无人机在搭载物体和恶劣环境下的自主保持稳态（见图3）。

图3 AI 飞控系统工作示意

4.2 基于yolo 图像算法与惯性制导、北斗导航研发的无人机导航系统

依托边缘智能计算平台打造一个边缘人工智能应用，通过图像目标检测，识别路径，精准建模。不断学习处理当前状态的路径模型，达到路径导航的效果。内置高增益天线和高性能接收机，使其接收到的卫星信号更强，解决无人机在遮挡较为严重的恶劣场景下的收星和定位问题（见图4）。

图4 无人机导航系统工作示意

4.3 特征识别视觉避障系统

机身6 向都具备双目视觉及近红外传感器，配有特征识别视觉避障系统，实现全方位避障（见图5）。

图5 特征识别视觉避障系统人脸识别界面

结束语

本文设计了一款单机一体化户外新媒体无人机。研究了无人机与搭载旋转LED 灯带后机械结构、飞控设计等关键技术问题，并利用人肉眼的视觉暂留原理，利用高速旋转的LED 灯带能形成显示画面，达到进行信息传播的目的。并且通过技术创新，实现大幅提高精准度、灵活度和安全度，解决了单机户外新媒体无人机的姿态稳定、精确制导以及视觉避障等问题，为无人机的发展提供了新的应用场景。