基于四軸飛行器的校園全方位自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

劉剛，唐京武

（湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南湘潭，411201）

1　四軸飛行器飛行原理及硬件構(gòu)成

1.1　四軸飛行器飛行原理

四軸飛行器的飛行原理是通過4個(gè)螺旋槳之間對稱的兩個(gè)螺旋槳反作用力抵消每個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的反槳矩。當(dāng)4個(gè)螺旋槳以同一個(gè)速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)螺旋槳產(chǎn)生相同的升力，當(dāng)總升力大于四軸飛行器自身的重力時(shí)飛行器向上飛行，當(dāng)產(chǎn)生的升力與自身重力等大時(shí)，飛行器在空中處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)總升力小于四軸飛行器自身的重力時(shí)飛行器做下降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)飛行器左側(cè)兩個(gè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度大于右側(cè)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，飛行器向右側(cè)飛行，反之向左飛行。相同原理，當(dāng)前后兩對螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度不同時(shí)，飛行器做前后運(yùn)動(dòng)。上述是四軸飛行器的基本飛行原理。

1.2　四軸飛行器硬件構(gòu)成

四軸飛行器主要有地面站、遙控器、飛控模塊、GPS模塊、無刷電機(jī)以及高清攝像裝置組成。根據(jù)實(shí)際監(jiān)控需要，飛行器有自動(dòng)飛行監(jiān)控和人工地面控制監(jiān)控兩種監(jiān)控模式。四軸飛行器硬件選用Pixhawk飛控模塊作為主控制器，這是一款32位的開源芯片，可以將規(guī)劃好的飛行器飛行路徑導(dǎo)入，并可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控需要修改飛行路徑參數(shù)。飛行器遙控模塊選用的是樂迪公司生產(chǎn)的AT9遙控器，能夠?qū)⒔邮艿谋O(jiān)控信號實(shí)時(shí)回傳，支持外圍拓展。

2　校園監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)組成

在四軸飛行器上，裝載攝像頭以及紅外裝置，能夠?qū)π@內(nèi)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，組成數(shù)據(jù)采集模塊。為解決四軸飛行器續(xù)航能力，擬采用無線充電系統(tǒng)對四軸飛行器進(jìn)行充電，同時(shí)構(gòu)建軟件隊(duì)列系統(tǒng)，控制多架四軸飛行器充電，形成充電隊(duì)列模塊。通過四軸飛行器機(jī)載無線數(shù)據(jù)發(fā)射端，以及主控制設(shè)置數(shù)據(jù)接收端，接收四軸飛行器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)傳輸模塊。最后，由主控室的服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對校園內(nèi)突發(fā)事件進(jìn)行識別，從而進(jìn)行預(yù)警，形成數(shù)據(jù)處理模塊。

圖1　校園監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

2.1　數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要指搭載在四軸飛行器上的USB攝像頭，通過使用時(shí)間軸分布的方式對采集的視頻信息進(jìn)行編號，根據(jù)攝像頭采集視頻的時(shí)間不同對不同的視頻信息進(jìn)行排序，將采集的視頻信號保存為FLV格式，以便信號存儲和無線傳輸。校園全方位監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)需要多臺飛行器進(jìn)行圖像采集，依據(jù)視頻信息的首幀時(shí)間和該視頻的持續(xù)時(shí)間，對采集的視頻標(biāo)記到特定的飛行器攝像頭的時(shí)間軸上。飛行器采集的視頻包括時(shí)間信息和地點(diǎn)信息通過使用ID和IP對視頻的屬性進(jìn)行標(biāo)示，以便對歷史記錄進(jìn)行空間地點(diǎn)和屬性的雙向查詢。通過建立多媒體文件數(shù)據(jù)庫的方式對采集的視頻信息進(jìn)行管理，每個(gè)飛行器采集的視頻信息都存在數(shù)據(jù)庫中單獨(dú)的目錄下面，采集的視頻按照飛行器編號和采集時(shí)間進(jìn)行命名，保證采集的每段視頻都有唯一的URL。

2.2　無線充電序列模塊

目前存在的飛行器采用傳統(tǒng)的接觸式充電方式，該方式要求較高的對接精度，但是飛行器和充電器之間不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫離，高頻的充電操作降低了充電系統(tǒng)的可靠性。本研究設(shè)計(jì)的四軸飛行器電池模塊主要包括無線充電序列模塊和鋰電池供電模塊。無線充電序列模塊接收充電器發(fā)射的高頻無線電能，使用專門的無線充電管理電路對飛行器安裝的鋰電池組進(jìn)行無線充電，采用傳感器對鋰電池的電量信息進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器電池電量。

為提高飛行器鋰電池組的使用壽命，將充電過程劃分為恒流充電階段和恒充電階段。當(dāng)無線充電站MCU芯片接收到充電指令后，將會產(chǎn)生特定頻率的驅(qū)動(dòng)信號，經(jīng)過E類功放逆變電路產(chǎn)生高頻正弦交流電的發(fā)射信號，通過電磁感應(yīng)定律，在飛行器的能量接收端的感應(yīng)線圈中產(chǎn)生正弦交流電，通過穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，經(jīng)過充電管理電路對飛行器安裝的鋰電池組進(jìn)行充電，飛行器通過藍(lán)牙模塊向充電站發(fā)送充電完成信號，結(jié)束充電過程。

2.3　數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸和處理模塊選用S3C2440作為處理器，該處理器支持UART和USB等多種通訊接口。使用S3C440連接USB攝像頭和USB無線網(wǎng)卡進(jìn)行視頻信息的無線傳輸具體的傳輸過程為，四軸飛行器搭載的USB攝像頭對校園內(nèi)的視頻信息進(jìn)行采集，通過無線網(wǎng)卡上傳到無線路由器，經(jīng)過在學(xué)校構(gòu)建的廣域網(wǎng)進(jìn)行傳輸，可以通過WiFi的方式連接到接收端的無線路由，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)或者是互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控室內(nèi)的PC機(jī)上，通過數(shù)據(jù)處理模塊對采集的視頻信息進(jìn)行分析和預(yù)警。

2.4　數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的校園全方位自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)中運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測相關(guān)算法，主要從視頻信息的處理和模式識別兩個(gè)方面體現(xiàn)。采集的視頻圖像經(jīng)過灰度處理經(jīng)過相關(guān)算法使彩色圖像轉(zhuǎn)化成為灰度圖像，減少了圖像的計(jì)算量。在本文中選取加權(quán)平均法對采集的視頻圖像進(jìn)行灰度處理，從整體上能夠反映圖像的整體特征，但簡化了PC機(jī)圖像處理的運(yùn)算量。通過灰度處理之后，在圖像中可能會出現(xiàn)灰度比較集中的區(qū)域，利用直方圖均值化對灰度處理后的圖像進(jìn)行處理，能夠增強(qiáng)圖像的對比度。外界陽光的強(qiáng)度和噪聲等環(huán)境因素都會對原始圖像產(chǎn)生干擾，使用中值濾波的方法對原始圖像的外界干擾進(jìn)行濾波，獲得比較清晰的視頻圖像。

本文選用時(shí)域幀差法來檢測采集的視頻信息中是否有移動(dòng)的物體存在，假如檢測到圖像中存在移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)物體，可利用背景差分法對移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行提取。假如檢測視頻圖像沒有運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，可以將當(dāng)前的視頻信息進(jìn)行保存，以便后期查看歷史圖像記錄。

3　火災(zāi)預(yù)警實(shí)例講解

通過飛行器對火災(zāi)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集上傳到后臺PC機(jī)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警識別，間隔兩秒上傳一次火災(zāi)圖像，PC機(jī)對各個(gè)飛行器捕捉的視頻進(jìn)行火災(zāi)判斷，當(dāng)檢測到發(fā)生火災(zāi)時(shí)會在校園平面圖實(shí)時(shí)顯示火災(zāi)區(qū)域的視頻信息，想要不同視角觀察火災(zāi)情況時(shí)，可以通過調(diào)用不同IP的飛行器進(jìn)行查看，通過后臺程序可初步判斷火災(zāi)嚴(yán)重程度，并進(jìn)行決策采取相應(yīng)的救火措施。

4　結(jié)語

通過對四軸飛行器的飛行原理以及硬件構(gòu)成的研究，提出了基于四軸飛行器的校園全方位自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線充電模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和采集圖像處理模塊等四部分，通過火災(zāi)預(yù)警實(shí)例分析證明該系統(tǒng)具有較高的可行性，為校園全方位自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。