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无人机智能巡视中VR技术的应用

时间:2018-11-20 14:13作者:曼切
本文导读:这是一篇关于无人机智能巡视中VR技术的应用的文章,本文对虚拟现实技术及无人机技术的背景、意义以及现状进行了阐述, 说明了基于虚拟现实技术的智能巡视无人机的工作原理, 介绍了硬件部分的设计以及软件部分的设计流程, 并分析了VR视觉飞控算法的理论实现。

  摘    要: 四旋翼无人机技术已日益成熟, 由于其结构小巧、不载人以及机动能力强的特点, 无人机可以进出各种高危空域, 进行危险的人员搜救和巡视作业。此外, 伴随着图像处理技术的飞速发展, 沉浸式的三维动态视觉处理技术——虚拟现实技术, 已经日渐成熟。项目组希望结合虚拟现实技术和四旋翼无人机技术完成基于虚拟现实技术的智能巡视无人机的设计, 使搜救人员感觉亲临灾害现场, 提高搜救的效率和准确性, 也可以保护搜救人员的安全。

  关键词: 虚拟现实技术; 四旋翼无人机技术; 设计方案;

无人机智能巡视中VR技术的应用

  1、 概述

  我国幅员辽阔, 纬度差距极大, 地形以及气候复杂多样[1]。所以, 我国自然灾害的呈现多样化特点。灾害发生后, 在不同地理条件下, 如何快速搜救成为技术重点。

  无人机拥有机动性高, 图像处理能力强, 易于操作, 安全经济等特点, 并且还能根据不同灾害情况, 携带不同的救援设备执行特殊救援任务, 十分便捷[2]。近年来, 虚拟现实技术也开始进入市场, 其三维动态视野, 沉浸式的用户体验, 造成了巨大的轰动[3]。其超前的视觉体验, 更能使人体验到身临其境的感受, 是一项应用前景广泛的新兴技术。

  将VR技术和无人机技术结合, 可以使搜救人员感觉亲临灾害现场, 提高搜救的效率和准确性, 也可以保护搜救人员的安全。

  本文将通过文献研究法, 实验法, 经验总结法, 依次完成VR设备的重力感应信息的获取、VR与无人机之间的信息交流、无人机的图像反馈与VR信息接收以及图像与信息的处理等关键技术, 实现项目预期。

  2、 无人机的硬件设计

  无人机由电机、桨叶、电池、主控MCU、电机驱动、气压计、电子罗盘、蓝牙透传模块、USB转串口芯片、锂电池充电管理、遥杆电位器以及陶瓷天线组成[4]。

  电机为有刷空心杯电机, 中心轴直径1mm。桨叶直径为75mm桨叶, 桨叶中心孔直径为1mm, 正好配中心轴直径为1mm的720电机。电池为650mAh, 3.7V, 25C航模电池。主控芯片为STM32F103T8U6, 包括复位电路, 外部时钟电路, 启动模式选择电路, 电源退偶电路等。电机驱动为SI2302, N沟道增强型MOS, 导通电阻82mΩ。气压计为MS5611, 10cm精度气压计。电子罗盘为HMC5883L。蓝牙透传模块为HM-06, 硬件焊盘上相容蓝牙2.1和蓝牙4.0BLE技术。USB转串口芯片为cp2102USB转串口芯片, 用于主机与单片机之间的数据转换及传递, 进行参数调试。锂电池充电管理采用了型号为LTC4054的锂电池, 原因在于其电路简单方便研究使用。其充电电流最大可达600mA。陀螺仪使用MPU6050。MPU6050内部集成的处理单元, 可以直接运算出四元数和姿态, 而不再需要另外进行数学运算。MPU6050的使用大大简化了代码设计。其并不光作为传感器而存在, 硬件内部还包含了可以独立完成姿态解算的运算单元。可以说, 繁杂的算法将直接在MPU6050完成, 大大节省了单片机的运行压力。经过运算之后, 就可以得到姿态四元数, 程序继续运行, 公式处理之后就得到了无人机实时姿态。

  3、 重力感应原理

  通过重力感应控制无人机飞行, 主要是利用了三轴陀螺仪与三轴加速度计, 其原理如下:对固定指施加电压, 并交替改变电压, 让一个质量块做振荡式来回运动, 当旋转时, 会产生科里奥利加速度, 此时就可以对其进行测量;这有点类似于加速度计, 译码方法大致相同, 都会用到放大器。

  角速率由科氏加速度测量结果决定:

  科氏加速度=2× (w×质量块速度)

  w是施加的角速率 (w=2πf)

  通过14kHz共振结构施加的速度 (周期性运动) 快速耦合到加速度计框架。

  该机械系统的结构与加速度计相似 (微加工多晶硅) , 信号调理 (电压转换偏移) 采用与加速度计类似的技术。施加变化的电压来回移动器件, 此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转, 可以看到器件会上下移动, 外部指将感知该运动, 从而就能拾取到与旋转相关的信号。

  4、 软件流程图

  对四旋翼飞控代码进行了学习和改良, 在原有基础上增强了其可靠性、安全性、及稳定性。

  软件的思路就是运用定时器, 在循环过程中, 不断的判断各个中断的条件。这样就产生了几个长短不一的主循环。我们根据编写就实现了规定频率下的指令扫描, 实现了规定时间内的传感器数据更新以及规定时间内的控制更新等等的飞控功能。主函数中, 对系统各个部分进行初始化之后, 进入频率为100Hz的循环之中。主循环体中首先有if (loop100HzCnt>=10) {}这个结构, 其中loop100HzCnt这个变量是在TIM4中断服务程序中累加的, 1ms累加一次, 也就是说定时每10ms就去完成一次其中的工作。

  其工作内容为, 接收mpu6050数据以及气压计数据并进行整合。将数据进行标定、滤波、校正后通过四元数得到三轴欧拉角度。如图1所示。

  图1 主函数流程设计
图1 主函数流程设计

  飞控采用双闭环PID控制, 如图2所示。

  角度作为外环, 角速度作为内环, 进行姿态双环PID控制。角度环的输出值作为角速度环的输入建立自稳系统。

  然后再进入60HZ的主循环之中, if (loop50HzFlag) {}进入50Hz (20ms执行一次) 循环。loop50HzFlag标志位是在TIM4中断中每20ms置位一次的, 这里解析了收到的遥控器无线发送过来的指令, 结合当前的姿态计算更新这些控数据给核心控制算法输出控制飞控, 我们就可以控制飞控前进后退, 上升下降等等操作了。

  图2 飞控流程设计
图2 飞控流程设计

  最后进入10HZ主循环之中, 以10Hz的频率去执行下面功能。在这里可以通过蓝牙向我们的手机APP传送一些飞控的姿态信息, 然后查询飞控的电量没有足够的话就让飞控降落下来, 查询高度啊超出可控范围也把飞控降下来, 查询是否和遥控器失联啊, 失联就降下飞控等等安全飞行的控制。

  5、 VR视觉下的飞控算法实现

  VR视觉下飞控算法的实现, 就是视觉摄像头识别地面上的标志, 然后以地面标志作为引导, 降落到标志处。

  一共分为三个步骤:动态阈值二值化、轮廓提取与检测、聚类与识别。

  5.1、 动态阈值二值化:

  为了提高识别算法的鲁棒性, 项目组决定采用大津动态阈值的方法将图像二值化, 此种算法已经相对成熟, 在此就不做赘述。

  5.2、 轮廓提取与检测:

  轮廓提取采用了opencv现成的函数。其内容主要是矩形检测, 多边形近似、四边形提取。首先使用库函数对所有提取出的轮廓多边形近似, 再寻找具有四条边且面积较大的的轮廓, 来实现功能。

  5.3、 聚类与识别:

  我们要把所有矩形分类, 将中心点近似重合的矩形归为一类。最终, 数量最多的那一类我们判定为正确目标。可第二步中检测到的许多图形都被我们过滤掉了。经过测试, 这种识别方法的实时性和鲁棒性都不错, 满足无人机实时性的要求。

  6、 结论

  本文对虚拟现实技术及无人机技术的背景、意义以及现状进行了阐述, 说明了基于虚拟现实技术的智能巡视无人机的工作原理, 介绍了硬件部分的设计以及软件部分的设计流程, 并分析了VR视觉飞控算法的理论实现。

  参考文献:

  [1]李云, 徐伟, 吴玮.灾害监测无人机技术应用与研究[D].北京:民政部国家减灾中心, 2010:3-4.
  [2]秦博, 王蕾.无人机发展综述[J].飞航导弹, 2002, 12 (8) :4-9.
  [3]王行风, 徐寿成.三维地形飞行浏览的研究及实现[J].计算机应用研究, 2002, 12 (1) :54-57.
  [4]丁斌, 祖家奎.基于虚拟现实的无人机三维可视化仿真[J].计算机测量与控制, 2007, 15 (12) :1769-1771.

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