基于图像处理的多用途四旋翼无人机系统设计＊

韦 辉，翁发禄，郭海长，刘 帅

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

1 研究背景

随着科技的发展，无人机在人们的生活中变得随处可见，它在现代人的生活中扮演着愈发重要的角色。由于无人机具有自身便携、体积小、不受地形影响等特点，在旅途中，使用无人机进行高空航拍，可以为人们带来一种不一样的视角体验。更重要的是在抗灾救援方面，在洪灾、火灾，泥石流等自然灾害发生时，使用无人机可以将灾害第一现场的受灾情况进行实时传输，并进行物资投放，很大程度上保证了记者、救生员等人员的生命安全，并为精准救援带来更多的宝贵时间。但是过度复杂的外部天气可能会导致无人机信号不通畅以及飞机不能正常沿指定航线飞行。本文通过开发嵌入式系统实现对无人的控制，并通过图像识别等技术手段完成飞行任务，对由于复杂环境原因导致救灾抢险人员无法及时到达的问题，无人机起到一定的实际应用价值。

2 系统总体设计

系统总体设计包括极端环境下飞行控制系统设计、基于图像处理的物品投放设计以及通信失常下自主返航飞行。极端环境下，在飞行控制系统设计中主要考虑一定的风级下可以悬停、抗振等问题。同时考虑复杂环境的不确定性，在系统的控制方法设计中同时引入了容错控制及鲁棒技术。系统的定向、定位及定高主要通过陀螺仪、磁力计、气压计等外围电路实现。无人机在图像的获取上，主要通过OPENMV来完成。设计挂钩控件的过程中，为了确保物品顺利脱钩，采用双线圈驱动方式，实现脱钩动作双保险。在投放目标点的识别和检测上，系统通过视频图像处理来完成。同时在无人机执行飞行任务时，若突发通信失常情况，系统将会触发自主飞行，确保系统不受通讯突发状况的影响。在无人机完成飞行任务后，系统会切换到自主返航模式，确保无人机在通讯中断条件下的安全性。

2.1 硬件设计

四旋翼飞行器由四个带浆叶的电机安装在“十”字对称架上，以STM32F407 芯片为系统的控制中心，外加MPU-605 型号陀螺仪、磁力计、气压计、光流模块、OPENMV、24C02、PWM I/O、LED 灯、稳压电源等外围电路。系统硬件结构如图1 所示。对飞行器的控制实则是对电机的控制，通过控制器输出四路PWM 波实现对四个电机转速的控制以达到对整个飞行器的控制。当四个电机转子旋转产生的合扭矩和飞行器机身质量一致时，飞行器处于悬停状态；当四个电机转自旋转产生的合扭矩小于飞行器机身质量时，飞行器处于降落状态；当四个电机转子旋转产生的合扭矩大于飞行器机身质量时，飞行器处于上升状态。无人机通过对四个电机转速不同的控制达到对飞行器俯仰角度、横滚角度、偏航角度的调整，实现对飞行器的姿态控制。通常需要建立惯性坐标系{X1，Y1，Z1}和机体坐标系{X，Y，Z}来对四旋翼无人机模型进行描述。

图1 系统硬件结构图

2.2 软件设计

四旋翼无人机的软件设计包括无人机飞行控制设计、图像识别及处理、通信及故障报警、自主返航超声波避障4 大部分。图像识别及处理主要包括截取图像预处理、图像融合、图像分割、目标特征提取和目标锁定5 个模块。再通过图像预处理算法、图像融合算法、图像分割识别算法、特征提取算法等进行目标地点选定。由于地理环境复杂，所以无人机所拍摄的图片噪音大、对比度低。因此需要对图片进行图像去噪、图像滤波以及图像灰度化处理。四旋翼无人机图像识别流程如图2 所示。

图2 四旋翼无人机图像识别流程图

在通信正常时无人机可受控制，无人机由计算机或遥控器等设备进行控制，直至完成飞行任务。若通信受阻或任务完成时，无人机通过超声波避障等功能完成自主返航飞行。系统通电后，无人机将自动进行I/O 口、LED 灯、PWM 输出、PID 参数等初始化。初始化完成，系统将会进入待机状态，等待给定飞行任务。当外部有任务给定时，无人机会执行相关任务。完成任务后，无人机会进行自诊断，判断系统是否有故障，再回到待机状态，等待给定下一个任务，直至系统收到结束任务。

3 总结

本文主要介绍了以STM32 控制器为核心的无人机实现基于图像处理的多用途无人机控制系统设计。系统通过控制器控制外围电路，实现对无人机当前状态的监测，系统通过MPU-6050 陀螺仪实现对无人机飞行姿态及位置检测，通过磁力计实现对无人机方向的定位，通过气压计定高无人机气压，通过OPENMV 获取图像，并通过光流模块实现定点飞行。为了顺利完成每次任务，提高飞行的可靠性，系统还设计了飞行故障报警系统，系统会对故障进行自诊断及故障处理，并判断是否可继续执行飞行任务，提高安全性。同时，为了避免飞行距离过远及环境过于复杂问题，系统还设计了自主飞行功能。在飞行区域的选择上，系统通过图像预处理、图像融合、图像分割、目标特征提取和目标锁定等方法实现，并通过仿真与实验验证了方案的可行性。