空中機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1、 252尖兵之翼一2006中國(guó)無(wú)人機(jī)大會(huì)論文集“哨兵”空中機(jī)器人系統(tǒng)主要由飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、地面監(jiān)控系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)等部分組成(圖1。3飛行平臺(tái)t哨兵”空中機(jī)器人空中飛行l(wèi)。_j地面站系統(tǒng)l l I系統(tǒng)飛行Il飛控lI任菪l(wèi)|數(shù)據(jù)|l圖像識(shí)lI地面監(jiān)平臺(tái)I l系統(tǒng)ll系統(tǒng)|鏈l I別系統(tǒng)lI控系統(tǒng)經(jīng)過分析論證,飛行平臺(tái)總體方案要點(diǎn)如圖1“哨兵”空中機(jī)器人系統(tǒng)組成下:飛行平臺(tái)布局:上單翼,前置發(fā)動(dòng)機(jī),雙尾撐“n”型尾翼布局。機(jī)翼分三段:中間段為矩形翼,外段為梯形翼并帶2度上反角。機(jī)翼數(shù)據(jù):中間段弦長(zhǎng)30cm,展向長(zhǎng)度80cm;外段根弦長(zhǎng)30cm,梢弦長(zhǎng)22cm,展向長(zhǎng)度

2、80cm;機(jī)翼翼展b=2.40m,面積S=0.656m2,幾何展弦比4=b2/S=8.78。機(jī)身設(shè)備艙:截面為一寬lOcm,高12cm的矩形。機(jī)身前后根據(jù)實(shí)際適當(dāng)修形。設(shè)計(jì)起飛重量:leo=5kg。設(shè)計(jì)飛行速度:1,=15m/s。其三面圖如圖2所示。圖2“哨兵”空中機(jī)器人飛行平臺(tái)三面圖圖3制作完成的“哨兵”空中機(jī)器人飛行平臺(tái)在總體方案的基礎(chǔ)上,對(duì)飛行平臺(tái)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)與分析,主要考慮了以下幾個(gè)方面額問題:機(jī)翼升力特性設(shè)計(jì)與分析:翼型選型、升力線斜率分析、焦點(diǎn)位置分析等。平臺(tái)整體(全機(jī)阻力特性分析:零升阻力系數(shù)分析、誘導(dǎo)阻力系數(shù)分析、升阻比分析等。動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)分析與選型。全機(jī)焦點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析。全機(jī)

3、重心設(shè)計(jì)與分析。穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與分析。操縱性設(shè)計(jì)與分析。完成總體設(shè)計(jì)分析之后,進(jìn)行了飛行平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)和加工制造。制作完成的“哨兵”空中機(jī)器人飛行平臺(tái)(圖3進(jìn)行了多次試驗(yàn)飛行。試飛過程中,表現(xiàn)出 了良好的穩(wěn)定性和操縱性,說(shuō)明對(duì)于穩(wěn)定性和操縱性的計(jì)算分析是準(zhǔn)確可靠的。飛行平臺(tái)的設(shè)計(jì)完 254尖兵之翼一2006中國(guó)無(wú)人機(jī)大會(huì)論文集據(jù)、航點(diǎn)設(shè)置等,并可以實(shí)時(shí)更改導(dǎo)航系統(tǒng)的航路設(shè)置,控制飛機(jī)的航向、高度等飛行參數(shù)。視頻處理部分主要包括三個(gè)部分:視頻流的獲取(叢文件和采集卡兩種方式,視頻流數(shù)據(jù)的處理和顯示以及GPS數(shù)據(jù)的獲取。接收到的視頻圖像,一方面進(jìn)行顯示供監(jiān)控使用,另一方面實(shí)時(shí)處理,搜索目標(biāo)并標(biāo)定

4、位置。這部分與飛行狀態(tài)監(jiān)控部分同步接收飛控系統(tǒng)下傳的數(shù)據(jù),將其中指令和響應(yīng)信息過濾掉,只取飛機(jī)位置、航向、高度、速度等相關(guān)數(shù)據(jù),與接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步,并在圖像上進(jìn)行標(biāo)記。搜索并確認(rèn)目標(biāo)后,根據(jù)目標(biāo)在圖像上的相對(duì)位置和飛機(jī)航向、高度、位置等數(shù)據(jù),結(jié)合攝像機(jī)、鏡頭參數(shù),即可較精確地定位目標(biāo)。 圖4GroundPilot地面站系統(tǒng)界面7圖像處理系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)采用UML的軟件開發(fā)分析策略,利用Visual C+和Directshow作為開發(fā)工具,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和定位系統(tǒng)。在目標(biāo)分割方面的主要開展了以下三方面工作:第一,充分考慮序列圖像的特點(diǎn),提出采用三層區(qū)域鏈表結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)背景下目標(biāo)的檢

5、測(cè);第二,提出采用粗細(xì)分割的策略進(jìn)行目標(biāo)的快速提取;第三,提出利用P.tile法和形狀相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)粗分割;利用OTSU方法進(jìn)行候選區(qū)域的精分割,并充分利用顏色、形狀、紋理和運(yùn)動(dòng)信息實(shí)現(xiàn)后驗(yàn)證,自主實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)背景的目標(biāo)檢測(cè)。在識(shí)別方面,提出利用可變形模板匹配方法,它不僅可以提高目標(biāo)的識(shí)別精度還可以提高識(shí)別的魯棒性,具有較強(qiáng)的抗噪性能。圖像處理系統(tǒng)利用8mm的鏡頭和像機(jī),分別多次對(duì)80m、140m和200m三個(gè)高度采集的圖像大小為320×240進(jìn)行了白底黑圓和運(yùn)動(dòng)汽車的實(shí)驗(yàn),在P43.0G上目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的速度在20幀/s 以上,檢測(cè)率和識(shí)別率分別在98%以上,誤檢率在1%以內(nèi)。圖6

6、(a為80m高度對(duì)白底黑圓進(jìn)行的測(cè)試。從圖中可以看出,目標(biāo)的形狀信息保持完整,紋理信息很豐富,通過形狀和紋理能很好的識(shí)別出白底黑圓。圖6(b為140m高度對(duì)白底黑圓進(jìn)行了測(cè)試。從圖中可以看出,由于背景的混淆,目標(biāo)的形狀信息已經(jīng)丟失,但是通過先粗后精的方法,并且結(jié)合運(yùn)動(dòng)信息以及目標(biāo)分布特性可以很好的識(shí)別白底黑圓目標(biāo)。尖兵之翼一2006中國(guó)無(wú)人機(jī)大會(huì)論文集255圖6(c為200m高度對(duì)白底黑圓進(jìn)行拍攝。方框標(biāo)注檢測(cè)結(jié)果。 (a80米高度(b140米高度(c200米高度圖6目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果圖7是在200m高度對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。其中藍(lán)色十字表示對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的檢測(cè)結(jié)果。 圖7運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)效果通過15分

7、鐘的飛行,在80m、140m和200m對(duì)地面的3個(gè)白底黑圓進(jìn)行了測(cè)試,檢測(cè)率分別為98.5%、96.3%和92.5%;誤檢率分別為0.6%、O.8%和1.2%。結(jié)果表明,本子系統(tǒng)提出利用利用三層區(qū)域鏈表結(jié)構(gòu)和粗細(xì)分割的策略,。并結(jié)合顏色信息,紋理信息,形狀信息和運(yùn)動(dòng)信息可以很好的對(duì)運(yùn)動(dòng)背景的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別;通過利用GPS信息和圖像信息能較精確的計(jì)算靜止目標(biāo)的經(jīng)緯度值和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息。8系統(tǒng)集成的電磁兼容問題的處理驗(yàn)證飛行初期,系統(tǒng)集成的“哨兵”空中機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的電磁干擾問題,主要出現(xiàn)在微波天線、GPS天線和飼服機(jī)構(gòu)之間。主要表現(xiàn)出來(lái)的特征是:地面準(zhǔn)備時(shí),GPS無(wú)法定位,或定位

8、時(shí)間太長(zhǎng)。自主飛行狀態(tài)下,GPS接收衛(wèi)星信號(hào)中斷,導(dǎo)致AP50無(wú)法工作,飛機(jī)失控。舵機(jī)的輸入信號(hào)受到干擾,產(chǎn)生跳舵現(xiàn)象。飛行平臺(tái)在空中出現(xiàn)抖動(dòng),姿態(tài)及航線控制困難。分析出現(xiàn)電磁干擾的主要原因是:由于機(jī)體空間有限,設(shè)備布置的可調(diào)整度小。AP.50要求布置重心附近;重心通過設(shè)備的布置進(jìn)行調(diào)整,所以電池艙、攝像頭等離AP.50較近;原則上微波天線和GPS天線的應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離,但是留給兩者布置空間并不多。根據(jù)試飛暴露出來(lái)的問題,采取如下措施: 尖兵之翼一中國(guó)無(wú)人機(jī)大會(huì)論文集 重新調(diào)整設(shè)備布局，尋求天線和微波天線的最佳位置，將天線前移，微波天線后移。 采用金屬包覆來(lái)屏蔽干擾信號(hào)。 用金屬板反射微波天線的向

9、上發(fā)射信號(hào)，在天線側(cè)面及底部采取同樣措施。 舵機(jī)信號(hào)輸入使用帶磁環(huán)的過濾延長(zhǎng)線，以過濾干擾雜波。其中，磁環(huán)盡可能靠近舵機(jī)。 通過采取這些措施，機(jī)載設(shè)備的干擾問題得到有效解決。 結(jié)論 “梟龍杯”中國(guó)空中機(jī)器人大賽于年月日日在成都舉行，西北工業(yè)大學(xué)組 隊(duì)參加了旋翼飛行器、固定翼飛行器的全部比賽。“哨兵”空中機(jī)器人參加了固定翼飛行器組比 賽，表現(xiàn)不凡，獲固定翼公斤級(jí)亞軍、飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)，受到專家的好評(píng)。 與參賽的其它一些無(wú)人機(jī)系統(tǒng)相比，“哨兵”的優(yōu)勢(shì)顯而易見：首先，“哨兵”搭載的任務(wù)系統(tǒng) 重量甚至超過了有些堍級(jí)別的飛行平臺(tái)，這說(shuō)明，“哨兵”的飛行效率很有優(yōu)勢(shì)，有能力搭載高 性能的任務(wù)系統(tǒng)，可以給地面站提供高質(zhì)量的視頻。其次，“哨兵”具有良好的穩(wěn)定性和操作性。它 可以很好的保持速度、高度和航線，穩(wěn)定的飛行姿態(tài)還確保了圖像采集和視頻傳輸系統(tǒng)完全發(fā)揮其 功能。第三，“哨兵”的使用和維護(hù)十分方便，比賽中，三次起落完成了所有項(xiàng)目（矩形航線的保持 和固定目標(biāo)、移動(dòng)目標(biāo)以及人群的識(shí)別定位）而且用時(shí)最短。 空中機(jī)器人是航空航天領(lǐng)域和智能控制領(lǐng)域交叉產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)，涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng) 導(dǎo)航、自主飛行、數(shù)據(jù)通信、圖像識(shí)別、接收地面站等方面的知識(shí)，在技術(shù)方面具有相當(dāng)?shù)膭?chuàng)新性、 前瞻性和潛在實(shí)用性?？罩袡C(jī)