基于多旋翼無(wú)人機(jī)的標(biāo)示線繪制與維護(hù)系統(tǒng)

作者 劉歡¹，張順²，鄒亞男³，張曉利⁴(指導(dǎo)教師)(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院電子信息工程，內(nèi)蒙古 包頭 014000;2-4.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院自動(dòng)化，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

　　摘要：本文介紹了一種基于旋翼無(wú)人機(jī)的交通、場(chǎng)地標(biāo)示線繪制與維護(hù)的系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)信息實(shí)現(xiàn)標(biāo)示線的繪制，并且能夠檢測(cè)標(biāo)示線的損耗與有效性來(lái)判斷何時(shí)進(jìn)行智能維護(hù)。這套系統(tǒng)在常規(guī)無(wú)人機(jī)上搭建了基于Open CV的視覺(jué)模塊、噴料箱以及可更換噴頭無(wú)刷水泵。視覺(jué)模塊識(shí)別到標(biāo)志物后將信號(hào)傳送給Cortex-M4核的XMC4700處理器，XMC4700根據(jù)預(yù)設(shè)指令將標(biāo)志物的位置信息與無(wú)人機(jī)對(duì)比，匹配合適的路徑，然后將飛行指令傳送給N3飛行控制系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)隨著標(biāo)志物位置的改變而改變，從而完成標(biāo)示線的繪制。維護(hù)模式下，放出無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)識(shí)別道路標(biāo)示線循跡飛行，通過(guò)標(biāo)示線與周?chē)h(huán)境對(duì)比度的不同判斷標(biāo)示線的磨損情況，從而判斷是否需要修補(bǔ)或重新繪制。

　　關(guān)鍵詞：多旋翼;無(wú)人機(jī);標(biāo)示線;自主劃線;噴繪

　　*2017-2018年度“英飛凌杯”全國(guó)高校無(wú)人機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用大賽全國(guó)總決賽二等獎(jiǎng)

　　引言

　　多翼飛行器具有體積小、重量輕、靈活度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用多種空間場(chǎng)所，隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)和技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在無(wú)人機(jī)的作業(yè)精度和抗干擾能力已經(jīng)能執(zhí)行各種復(fù)雜環(huán)境的特種任務(wù)，減少了人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間，節(jié)約了成本，提高了作業(yè)效率。

　　基于多旋翼無(wú)人機(jī)的標(biāo)識(shí)線繪制與維護(hù)系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)參考點(diǎn)移動(dòng)作業(yè)，或者將一些像籃球場(chǎng)、足球場(chǎng)等需要大量繪制的標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地信息寫(xiě)入無(wú)人機(jī)程序內(nèi)，快速完成特定標(biāo)示線的繪制。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路增長(zhǎng)極為迅速，因此公路車(chē)道的劃線工作十分繁重。目前，國(guó)內(nèi)普遍采用人工劃線，工作速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，已不能滿足當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的需要。所以，基于多旋翼無(wú)人機(jī)的標(biāo)識(shí)線繪制與維護(hù)系統(tǒng)也是高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)機(jī)械中急需開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品之一?；谶@種背景，本項(xiàng)目通過(guò)無(wú)人機(jī)噴射的方式完成標(biāo)示線繪制的工作

　　1 無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)

　　無(wú)人機(jī)的整體模型如圖1所示，配置如圖2所示，以基于Cortex-M4內(nèi)核的英飛凌工業(yè)級(jí)單片機(jī)XMC4700為主控系統(tǒng)，飛行姿態(tài)的控制采用擁有API接口的大疆N3飛行控制系統(tǒng)。飛行動(dòng)力方面使用了IRMCF183電調(diào)板和朗宇2212 KV880無(wú)刷電機(jī)，來(lái)保證飛行動(dòng)力和負(fù)載能力的充足。為保證無(wú)人機(jī)作業(yè)精度和飛行的穩(wěn)定性，除了N3飛行控制系統(tǒng)自帶的雙冗余MCU以外，本項(xiàng)目還采用DPS310高精度氣壓計(jì)來(lái)進(jìn)一步精確控制飛行高度。對(duì)于一些復(fù)雜路況下的作業(yè)任務(wù)，我們需要考慮一些障礙物的規(guī)避情況，對(duì)此采用了英飛凌公司的厘米級(jí)精度的測(cè)距雷達(dá)，以保證對(duì)于障礙物的及時(shí)規(guī)避。基于多旋翼無(wú)人機(jī)的標(biāo)識(shí)線繪制與維護(hù)系統(tǒng)的核心在于圖像信息的的識(shí)別與采集，我們采用了基于Open CV的邊緣識(shí)別與灰度對(duì)比技術(shù)，完成對(duì)標(biāo)志物距離的檢測(cè)，從而將無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)地引導(dǎo)到噴繪位置執(zhí)行噴繪操作。為了保證噴繪質(zhì)量，我們采用無(wú)刷電機(jī)水泵作為噴頭動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)XMC4700控制器的PWM控制通道控制IRMCF183電調(diào)板，進(jìn)而達(dá)到精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和噴頭速度，我們還將搭配可更換噴頭用來(lái)適應(yīng)不同的噴繪任務(wù)。

　　2 避障與報(bào)警

　　飛行器配備高精度雷達(dá)模塊，具備定高和避障的功能。在滿足工作條件的情況下，雷達(dá)模塊與測(cè)高模塊的組合可預(yù)測(cè)飛行器距離前方、后方的高度，使飛行器在執(zhí)行噴繪作業(yè)時(shí)保持與作業(yè)面的相對(duì)高度不變，進(jìn)行仿地飛行，以確保噴頭噴繪的均勻性。同時(shí)，雷達(dá)模塊可檢測(cè)最遠(yuǎn)30 m處的障礙物，并進(jìn)行避障，保障作業(yè)安全。雷達(dá)功能默認(rèn)開(kāi)啟，避障功能在所有作業(yè)模式下均可使用。

　　2.1 避障功能使用

　　避障功能的使用分為以下兩種場(chǎng)景：飛行器距離障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，將會(huì)在距離5 m處時(shí)才開(kāi)始減速，直至距離障礙物約2.5 m處懸停。飛行器距離障礙物較近時(shí)，將會(huì)立即緊急剎車(chē)至懸停。

　　2.2 警報(bào)

　　當(dāng)噴料箱中噴料或剩余電量到警告值時(shí)，無(wú)人機(jī)將中斷作業(yè)并返航，根據(jù)需要設(shè)置為就地降落或者降落至記錄點(diǎn)。

　　無(wú)人機(jī)噴料箱報(bào)警時(shí)，啟用補(bǔ)給程序返回補(bǔ)給點(diǎn)補(bǔ)給，完成補(bǔ)給任務(wù)后無(wú)人機(jī)返回任務(wù)中斷處繼續(xù)作業(yè)。

　　2.3 補(bǔ)給點(diǎn)

　　返回補(bǔ)給點(diǎn)可通過(guò)主控的消耗報(bào)警設(shè)置或者撥動(dòng)返航按鍵啟動(dòng)，返航時(shí)遙控器不能進(jìn)行其他操作。

　　2.4 強(qiáng)制退出

　　為了應(yīng)對(duì)失控或者外物入侵的情況，我們?cè)O(shè)立了強(qiáng)制退出按鈕，一旦出現(xiàn)突發(fā)狀況可以直接強(qiáng)制停轉(zhuǎn)螺旋槳，犧牲無(wú)人機(jī)來(lái)避免更大的損失。

　　3 工作模式與工作流程圖

　　3.1 環(huán)境信息收集作業(yè)模式

　　將無(wú)人機(jī)工作模式設(shè)置到智能飛行模式，通過(guò)電腦設(shè)置環(huán)境信息收集模式，選擇開(kāi)闊或者封閉模式，然后調(diào)整場(chǎng)地粗略參數(shù)，封閉模式下，直接放出無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)沿任意方向飛至邊緣處(如墻體)然后沿邊緣飛行并記錄飛行數(shù)據(jù)，開(kāi)闊模式下根據(jù)調(diào)整后的作業(yè)半徑，無(wú)人機(jī)將在飛至作業(yè)半徑處進(jìn)行螺旋向內(nèi)飛行，收集環(huán)境信息。

　　無(wú)人機(jī)將收集到的環(huán)境信息通過(guò)無(wú)線模塊傳輸至電腦，然后進(jìn)行場(chǎng)景數(shù)據(jù)的處理，最后在場(chǎng)景上顯示出施工場(chǎng)地的測(cè)量參數(shù)。

　　3.2 預(yù)設(shè)參數(shù)噴繪作業(yè)模式

　　通過(guò)無(wú)人機(jī)反饋的場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)規(guī)劃好噴繪作業(yè)任務(wù)后，將圖案參數(shù)輸入給PC端軟件，軟件里進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，將后期規(guī)劃的場(chǎng)地與前期的收集場(chǎng)地信息對(duì)比，確認(rèn)無(wú)誤后，將無(wú)人機(jī)工作模式設(shè)置到智能飛行模式，以執(zhí)行噴繪任務(wù)，無(wú)人機(jī)飛行至任務(wù)起始點(diǎn)開(kāi)始噴繪。如果電量和剩余噴料量到達(dá)警戒值后啟用補(bǔ)給程序，會(huì)在下一個(gè)噴繪斷點(diǎn)處終止作業(yè)，返回補(bǔ)給點(diǎn)補(bǔ)給;如果沒(méi)有斷點(diǎn)處將繼續(xù)進(jìn)行噴繪任務(wù)，直至到達(dá)二級(jí)警報(bào)點(diǎn)直接返回。完成補(bǔ)給任務(wù)后，無(wú)人機(jī)返回任務(wù)中斷處繼續(xù)作業(yè)，直至完成噴繪任務(wù)。

　　無(wú)人機(jī)在進(jìn)行噴繪任務(wù)時(shí)，會(huì)通過(guò)視覺(jué)模塊檢查噴繪質(zhì)量，通過(guò)調(diào)整飛行速度、噴頭速率、飛行高度來(lái)提高噴繪質(zhì)量。

　　3.3 智能尋跡飛行噴繪作業(yè)模式

　　讓無(wú)人機(jī)收集一段施工場(chǎng)景的信息，反饋至電腦端，用戶自行選擇合適的標(biāo)志物(如路牙石)之后設(shè)定無(wú)人機(jī)與參考物的距離、工作范圍，然后將參數(shù)指令傳送給無(wú)人機(jī)，將無(wú)人機(jī)工作模式設(shè)置到智能飛行模式執(zhí)行噴繪任務(wù)，無(wú)人機(jī)飛行至任務(wù)起始點(diǎn)開(kāi)始噴繪，如果電量和剩余噴料量到達(dá)警戒值后啟用補(bǔ)給程序，會(huì)在下一個(gè)噴繪斷點(diǎn)處終止作業(yè)返回補(bǔ)給點(diǎn)補(bǔ)給，如果沒(méi)有斷點(diǎn)處將繼續(xù)進(jìn)行噴繪任務(wù)直至到達(dá)二級(jí)警報(bào)點(diǎn)直接返回。完成補(bǔ)給任務(wù)后無(wú)人機(jī)返回任務(wù)中斷處繼續(xù)作業(yè)直至完成噴繪任務(wù)。無(wú)人機(jī)將一直巡線飛行噴繪，直至完成工作區(qū)間的飛行噴繪任務(wù)。

　　3.4 全手動(dòng)噴繪作業(yè)模式

　　全手動(dòng)噴繪模式下沒(méi)有自動(dòng)避障功能，所以需要一定的無(wú)人機(jī)飛行技巧才能夠進(jìn)行作業(yè)，此模式下會(huì)有噴料剩余量與電量剩余提示，在電量二級(jí)警戒值時(shí)無(wú)人機(jī)將自動(dòng)原地降落(不建議使用到二級(jí)警戒值)?？梢酝ㄟ^(guò)手動(dòng)操作無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)人機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)噴口控制開(kāi)關(guān)和噴頭速率旋鈕來(lái)進(jìn)行控制噴繪作業(yè)。

　　4 賽后感言

　　經(jīng)歷了一年的比賽在2018年8月1日畫(huà)上了句號(hào)，這篇文章也算是我們對(duì)所做項(xiàng)目的一個(gè)總結(jié)。2017年9月，因機(jī)緣巧合加入了這場(chǎng)比賽，以前從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)無(wú)人機(jī)的我們?cè)谀玫接w凌公司提供的器件時(shí)可謂是一臉茫然，做什么?怎么做?腦子里產(chǎn)生了一連串的問(wèn)號(hào)，各種百度、各種玩家DIY經(jīng)驗(yàn)，都被我們當(dāng)作是一本教科書(shū)。慢慢熟悉，點(diǎn)滴進(jìn)步，有道是“失敗是成功之母”，在炸機(jī)無(wú)數(shù)次、無(wú)數(shù)次試飛失敗、無(wú)數(shù)次改正后，功夫不負(fù)有心人，一步步從初賽、復(fù)賽，邁入了決賽的大門(mén)。在這期間非常感謝英飛凌公司的各種幫助，如果沒(méi)有英飛凌工程師的傾心相助，也許我們會(huì)走更多的彎路。心存希望，幸福就會(huì)降臨你;心存夢(mèng)想，機(jī)遇就會(huì)籠罩你;心存感恩，貴人就會(huì)青睞你。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]Rafael C.Gonzalez. Digital Image Processing (2nd Edition),2003.

　　[2]OpenCV-Python官方教程中文版,2014.

　　[3]新版道路交通標(biāo)志和標(biāo)線實(shí)用手冊(cè).

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第71頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處