基于四軸飛行器的遠程視頻圖像傳輸技術(shù)研究*

劉富起，冀保峰，李萬坤，沈 森，孫炎增，徐素莉

(1.河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023；2.中國南車集團股份有限公司，河南 洛陽 471000)

基于四軸飛行器的遠程視頻圖像傳輸技術(shù)研究*

劉富起1，冀保峰1，李萬坤2，沈 森1，孫炎增1，徐素莉1

(1.河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471023；2.中國南車集團股份有限公司，河南 洛陽 471000)

針對四軸飛行器可通過改變電機轉(zhuǎn)速調(diào)整飛行姿態(tài)的特點，通過對四軸飛行器的姿態(tài)分析，設(shè)計了一個姿態(tài)檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對四軸飛行器的遠程視頻圖傳技術(shù)進行研究和仿真分析，仿真研究了四軸飛行器的俯仰角和翻滾角，在此基礎(chǔ)上，通過matlab等工具獲得四軸飛行器的軌跡及姿態(tài)實時獲取結(jié)果，并對四旋翼集群運動效果進行了仿真。結(jié)果表明所實現(xiàn)的四軸飛行器姿態(tài)檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)有著穩(wěn)定的性能，該方向研究有著廣闊的應用前景。

四軸飛行器；圖像處理；無線視頻傳輸

與固定翼飛行器相比，旋翼型飛行器具有垂直起降的能力，且運動狀態(tài)靈活。在國外，對四軸飛行器有多種叫法，如Quadcopter、X4-Flyer、Four-rotor等。

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，四旋翼飛行器在操控性和機械機構(gòu)方面具有很多潛在的優(yōu)勢。旋翼2、4沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)，旋翼1、3沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)，旋翼的扭矩會相互抵消，自動平衡[1]。而傳統(tǒng)直升機都是采用加一個尾翼來平衡尾翼產(chǎn)生的扭矩，這個尾翼對向上無任何作用力，使能量沒有得到最大限度利用。此外，由于四旋翼飛行器的旋翼更小，轉(zhuǎn)速更高，使其具有更高的飛行效率；旋翼機同時可以減少旋翼碰撞周圍建筑物的概率，使得飛行器在飛行中更加安全。在實際應用方面，四軸飛行器可以在復雜、危險的環(huán)境中執(zhí)行特定的飛行任務，也可用于交通，環(huán)境的監(jiān)測等。例如，將甲烷等有害氣體的檢測裝置可安裝在四旋翼飛行器上，在高空定點可以檢測有害氣體濃度。另外，四旋翼機還可進入輻射區(qū)進行核設(shè)施的檢查，進行軍事偵察，甚至搬運材料以及搭建房屋等。本文設(shè)計利用四軸飛行器搭載視頻圖傳模塊實現(xiàn)視頻遠程傳輸任務。

1 四軸飛行器姿態(tài)調(diào)整算法研究

近年來，由于航拍、監(jiān)控、軍事等領(lǐng)域的大量需要，四軸飛行器得到了較大的發(fā)展，可由于四軸飛行器具有非線性、不穩(wěn)定以及運動不可測性等特點，其姿態(tài)信息的檢測顯得極為重要和棘手。通過對四軸飛行器的姿態(tài)分析，本文提出了一個可行方案，設(shè)計了一個姿態(tài)檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在四軸飛行器中，姿態(tài)角是極其重要的控制參數(shù)，姿態(tài)角直接關(guān)系到飛行器姿態(tài)的控制精度[2]。本系統(tǒng)采用STM32系列單片機作為主控芯片，MPU6050傳感器用于姿態(tài)信息的初步檢測，經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析、處理得到機體的姿態(tài)，通過上位機進行姿態(tài)顯示，控制系統(tǒng)都是模塊化處理，結(jié)構(gòu)清晰明了。傳感器與主控芯片之間的數(shù)據(jù)通信，采用硬件I2C總線的方式進行傳輸，使用互補濾波算法將從三軸角速度和三軸加速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，從而得到三個姿態(tài)角(翻滾角、偏航角與俯仰角)。數(shù)據(jù)采集則采用互補濾波算法，以便得到更精確的姿態(tài)角數(shù)值。

基于STM 32單片機的姿態(tài)檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實際上就是能夠為用戶實時提供飛行器姿態(tài)信息的微型慣性檢測系統(tǒng)，姿態(tài)檢測模塊由三軸加速度和三軸陀螺儀傳感器組成，為用戶提供飛行器的加速度和角速度數(shù)據(jù)等信息，這些實時數(shù)據(jù)經(jīng)處理器姿態(tài)解算后即可獲得飛行器的姿態(tài)角。姿態(tài)檢測系統(tǒng)是由STM 32單片機及其外圍電路組成，STM 32作為整個姿態(tài)檢測系統(tǒng)的核心，其主要功能是通過I/O口將傳感器MPU6050中加速度計和陀螺儀以及數(shù)字羅盤HMC5883L得到的數(shù)據(jù)，通過硬件接口I2C總線采集獲得，然后主控芯片上進行換算，濾波，姿態(tài)解算，最終得到四軸飛行器的3個姿態(tài)角—翻滾角(roll)、俯仰角(pitch)、偏航角(yaw)[4]。

MPU6050是集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀的傳感器。其中，三軸陀螺儀傳感器部分輸出的是無符號的16位二進制數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過算法處理后可計算出角速度[5]。同樣，三軸加速度計輸出的也是無符號16位二進制數(shù)據(jù)，同三軸陀螺儀一樣可得出加速度。數(shù)字磁羅盤HMC5883L主要是通過微機械器件的姿態(tài)檢測系統(tǒng)提供導航角，通過磁偏角的補償，從而得到四軸飛行器的實際航向角。

姿態(tài)檢測系統(tǒng)模塊上電運行后，MPU6050傳感器開始進行數(shù)據(jù)信息的采集。由于MPU6050的數(shù)據(jù)格式為16位無符號的整型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)大小范圍為-32 768～32 768，負數(shù)的十六進制范圍8000～FFFF，正數(shù)的范圍為0～7FFF。所采集到的陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)可根據(jù)程序中設(shè)置好的量程進行標度轉(zhuǎn)換，進而得到比較直觀的數(shù)據(jù)；而數(shù)字羅盤HMC58883L的數(shù)據(jù)是以16位二進制補碼的形式輸出，因此，要先得到其原碼，同時將傳感器的數(shù)據(jù)進行校正，最后再將經(jīng)濾波算法處理后的數(shù)據(jù)送給處理器進行處理[5]。

由于傳感器與處理器之間的數(shù)據(jù)通信方式是硬件I2C總線的形式，處理器采用的是STM 32是32位單片機，只能接受數(shù)據(jù)格式為32位的數(shù)據(jù)，MPU6050對陀螺儀和加速度計分別采用了3個16位的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字羅盤HMC58883也是16位的數(shù)據(jù)，二者輸出的數(shù)據(jù)格式都是16位的無符號數(shù)據(jù)形式，所以將數(shù)據(jù)接收到后還需要額外進行處理，在處理器上進行數(shù)據(jù)合成。系統(tǒng)上電初始化后，將姿態(tài)采集模塊實時采集到的三軸加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)經(jīng)硬件I2C總線傳輸給處理器，處理器依據(jù)互補濾波更新算法將得到的實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)捏合，從而得到實時的姿態(tài)角。系統(tǒng)工作程序流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 圖像處理技術(shù)研究

隨著并行處理技術(shù)的快速發(fā)展，并行計算技術(shù)正不斷應用于除了科學計算領(lǐng)域之外的眾多工程領(lǐng)域，比如圖像處理、遙感技術(shù)、流體力學、生物識別等等。其中，圖像并行處理技術(shù)更是在傳統(tǒng)的圖像處理領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，并行處理技術(shù)在圖像處理方面的發(fā)展也面臨著諸多挑戰(zhàn)。例如如何提高并解決實際復雜問題的能力，像圖像處理中復雜問題的求解方法和處理速度是否能高速化等。并行處理技術(shù)在大多數(shù)圖像工程中所能發(fā)揮多少效益取決于實際應用的復雜性以及應用部門對系統(tǒng)價格的要求和承受能力。本文針對實際應用中的圖像處理，通過修改串行算法的結(jié)構(gòu)、改變計算問題的模式、利用現(xiàn)有的可用資源對其進行加速和優(yōu)化，提高其執(zhí)行效率，最大限度減少計算的耗時[6]。

其中數(shù)字圖像處理主要包括以下內(nèi)容：

1) 圖像的增強和復原：其目的是為了提高圖像的質(zhì)量、去除干擾噪聲、提高圖像的清晰度等。該技術(shù)主要是強化圖像高頻分量，使圖像中的物體輪廓更加清晰，細節(jié)更明顯等，可減少圖像中干擾噪聲的影響。圖像復原需了解圖像降質(zhì)的各種因素，根據(jù)降質(zhì)過程建立降質(zhì)模型，然后選用濾波算法，恢復或重建出原圖像[7]。

2) 圖像的時域-頻域變換：圖像變換就是通過時域和頻域的變換找到圖像中的特征，再加以變換的過程。傅立葉變換是最基礎(chǔ)的圖像變換技術(shù)。在傅立葉變換的基礎(chǔ)上又有沃爾什—哈達瑪變換、離散余弦變換和小波變換等等[8]。

3) 幾何處理：該技術(shù)主要有圖像的坐標轉(zhuǎn)換，圖像的移動、放大、旋轉(zhuǎn)、縮小，多個圖像的配準以及圖像扭曲校正等。幾何處理是最常見的圖像處理手段之一，幾乎所有圖像處理軟件都提供了最基本的圖像縮放功能[9]。

4) 圖像編碼：圖像編碼屬于信息論中信源編碼的范疇，其主要的思想是利用圖像信號的統(tǒng)計特性和人類視覺特性對圖像進行高效數(shù)字編碼，從而達到壓縮圖像目的。

5) 圖像分析及理解：圖像分析及理解是圖像處理技術(shù)的發(fā)展和深入，主要分成有圖像的描述以及圖像的分類識別。圖像分類識別屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過增強、復原、壓縮后，進行圖像分割和特征提取再判別。

3 仿真和分析

從上位機顯示結(jié)果來看，飛行器姿態(tài)檢測模塊處于平放狀態(tài)時，三軸加速度數(shù)據(jù)中Z軸加速度約為9.72 m/s，X、Y軸加速度數(shù)值都幾乎為零，X、Y、Z軸角速度數(shù)據(jù)也幾乎都為零，此時就將它們作零處理，利用互補濾波更新算法解算出四軸飛行器的姿態(tài)，將飛行器向上翻轉(zhuǎn)90度，平放后再將其橫向翻轉(zhuǎn)90度，分別記錄上位機俯仰角和翻滾角的數(shù)據(jù)，并通過matlab軟件繪出其波形的變化，如圖2和圖3所示。

圖2 俯仰角波形圖

圖3 翻滾角波形圖

本文中姿態(tài)角的標準值不能精確確定，偏航角的值幾乎確定不了。由于定義俯仰角和翻滾角的范圍在0到90度之間，也只能確定其兩端的標準值分別為0度和90度。所以這次設(shè)計在計算角度的精度時，只選擇計算標準值為90度下的精度。將四軸飛行器的姿態(tài)檢測模塊橫向翻轉(zhuǎn)90度，取連續(xù)的十組翻滾角數(shù)據(jù)，再將該模塊放平，之后再將其豎向抬起90度，取連續(xù)的十組俯仰角數(shù)據(jù)，記錄下來并繪成表格如下。

表1 翻滾角和俯仰角

由上表，可分別計算出俯仰角和翻滾角精度。其中，翻滾角的精度為：

(1)

通過表格計算出俯仰角的精度為：

(2)

如果俯仰角和翻滾角的精度在可控范圍之內(nèi)，說明數(shù)據(jù)基本準確。從結(jié)果分析來看，在數(shù)據(jù)結(jié)果與標準值之間存在一定的誤差，導致誤差的原因主要是由于外部振動干擾以及磁場的干擾，這些微小干擾都會導致傳感器的輸出數(shù)據(jù)不準確進而形成一定的數(shù)據(jù)誤差。本文通過對四軸飛行器軌跡進行跟蹤和記錄，如圖4所示。

圖4 四軸飛行器軌跡跟蹤結(jié)果

通過串口獲取MPU6050的實時數(shù)據(jù)，將其顯示在matlab上，其中運行結(jié)果中左邊讀出的33.76是MPU 6050讀出來的溫度數(shù)值，右邊的7是代表CPU使用率為7%；中間波形是進行姿態(tài)解算時所獲得的各種參數(shù)波形變化；右下角通過輸入pitch roll yaw三個歐拉角，在空間中實現(xiàn)飛行器的姿態(tài)的實時獲取，如圖5所示。

圖5 空間飛行器姿態(tài)實時獲取結(jié)果

對四軸飛行器調(diào)試，同時進行多四旋翼集群仿真，其集群運動效果仿真如圖6所示。

圖6 四軸飛行器集群運動效果

4 結(jié)束語

本文介紹了基于四軸飛行器平臺遠程視頻圖像傳輸技術(shù)的實現(xiàn)方式，通過由STM 32作為核心構(gòu)成的姿態(tài)檢測系統(tǒng)，通過I/O口將傳感器MPU6050中加速度計和陀螺儀以及數(shù)字羅盤HMC5883L得到數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)可根據(jù)程序中設(shè)置好的量程進行標度轉(zhuǎn)換，進而得到比較直觀的數(shù)據(jù)；而數(shù)字羅盤HMC58883L的數(shù)據(jù)是以16位二進制補碼的形式輸出，同時將傳感器的數(shù)據(jù)進行校正，最后再將經(jīng)濾波算法處理后的數(shù)據(jù)送給處理器進行處理。本文通過仿真研究了四軸飛行器的俯仰角和翻滾角，在此基礎(chǔ)上，通過matlab等仿真工具獲得四軸飛行器的軌跡以及姿態(tài)實時獲取結(jié)果，并對四旋翼集群運動效果進行了仿真。結(jié)果表明本文所實現(xiàn)的四軸飛行器姿態(tài)檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)有著穩(wěn)定的性能，該方向的研究有著廣闊的應用前景。

[1] 劉峰.四軸飛行器姿態(tài)系統(tǒng)設(shè)計[J].通信電源技術(shù),2015(5):144-147.

[2] 江杰.四旋翼飛行器的動力學建模及PID控制[J].電子設(shè)計工程，2013,21(23):147-150.

[3] 譚浩強.C程序設(shè)計[M].北京：清華大學出版社，2010:6.

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[5] 江斌.小型四旋翼低空無人飛行器綜合設(shè)計[D].杭州：浙江大學，2013.

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[9] Greg Buczek.Picture Theory[M].McGraw-Hill Osborne Media，2006:10.

Research on Remote Video Image Transmission Technology Based on Four Axis Aircraft

Liu Fuqi1, Ji Baofeng1, Li Wankun2, Shen Sen1, Sun Yanzeng1, Xu Suli1

(1.InformationEngineeringCollege,HenanUniversityofScienceandTechnology,LuoyangHenan471023,China;2.ChinaNancheGroupLimitedbyShareLtd,LuoyangHenan471000,China)

According to the feature that the posture of four axis aircraft can be adjusted by changing the motor speed, the paper designs a posture detection and control system through the manner analysis on four axis aircraft. It studies the remote video image transmission technology and the roll and pitch angles are obtained and analyzed through simulations. On the basis of the research, the paper achieves the track and posture result in real time through matlab simulations and explores the trunk effect of four rotors. The results show that the proposed detection and control system has stable performance and has broad application prospects.

four axis aircraft; image process; wireless video transmission

2017-01-20

國家自然科學基金資助(U1404615)；教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目(201602011005)；河南科技大學SRTP基金資助(2016038)；河南科技大學教育教改項目(2015YB-033；2015ZD-010)

劉富起(1995- )，男，河南洛陽人，本科生，主要研究方向為FPGA設(shè)計研發(fā)、無線通信模塊設(shè)計等。

1674- 4578(2017)02- 0078- 05

TN919.8

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