摘 要： 四旋翼飞行器是一种小型、灵活的无人飞行器，其在完成多种工作时需要借助飞行器的实时工况信息，所以现场画面信息的实时传送是十分必要的。本方案通过飞行器搭载路由器和USB摄像头进行数据采集，并通过地面路由器进行接收、发布到internet上。通过该方案，在地面上设置固定轨道，实现飞行器自动巡线飞行。

　　关键词： 四旋翼飞行器；视频监控；实时传输；巡线飞行

　　中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0310139－02

　　0 引言

　　四旋翼无人飞行器是是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构[1]，通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定盘旋和精确飞行的飞行器，其是具有四个输入力和六个坐标输出的欠驱动动力学旋翼式直升机[2]，从而可知该系统是能够准静态飞行（盘旋飞行和近距离盘旋飞行）的自主飞行器。与传统的旋翼式飞行器相比，四旋翼飞行器只能通过改变旋翼的转速来实现各种运动[1]，其具有四个倾斜角固定的旋翼，因此其结构和动力学特性得到了简化。对四旋翼飞行器系统的研究无论是从国防战略角度，还是从民用角度来看，都有着十分深远的意义[3，4]。

　　1 实现方案

　　1.1 总体方案介绍

　　视频监控部分由两台无线路由器和一个USB摄像头实现，原理图如图1所示：

　　路由器1和USB摄像头连接到一起搭载到飞行器上进行视频的采集和传输，路由器2放置在地面上，接受路由器1传输回来的视频信息，并且连接到互联网上。上位机是一台可以联网的计算机，输入相应的IP地址就可以实时的观测飞行工况的视频信息。同时，上位机还可以发送一些控制信息发送到飞行器上面，协助飞行器飞行。上位机还可以实时处理传输回来的图像，让飞行器进行巡线飞行。

　　1.2 图像采集和处理

　　1.2.1 图像的采集和传输

　　图像采集部分由一个搭载到飞行器上面的USB摄像头实现。通过USB接口连接摄像头和路由器1，通过路由器1无线连接到路由器2。即无线AP模式，或者AP客户端模式。这种方式组网下首先应该考虑的是组网的规模，然后是设备之间的距离。在此方案中，AP通信是点对点，而且AP有路由器充当，所以传输距离是无线路由器的覆盖距离，有效距离为1KM，如果需要更长的通信距离，可以加装天线等[5]。

　　1.2.2 图像的处理

　　当上位机接收到传输回来的图像信息，就可以对图像进行处理。例如，飞行轨道如图2所示：

　　飞行器在红色圆点处起飞，红色圆点为半径为五厘米的红色实心圆，飞行器沿着蓝色轨道飞行，按着数字顺序，飞到红色十字处，红色十字单臂厂10CM，单臂宽5CM。然后飞行器再沿着蓝色线，按照“7”所示的方向飞回到红色圆点处。红色圆点距离红色十字架中心为1M。

　　在整个巡线飞行过程中，飞行器完全自主飞行，起飞前遥控只给一条“向前飞”和“巡线飞行”的指令。飞行器开始飞行寻线飞行，飞行速度保持在0.1m/s，高度在一米左右。所以，每张图片的视野是0.64m*0.64m。每秒钟实时处理三张图像，即传输三条飞行命令，飞行命令在每次数据处理完都要进行自主的组织和发送。

　　上位机进行图像处理，首先采用Canny算法进行边缘检测，Canny算法首先对图像进行平滑处理，使用二维高斯函数的一阶导数，设二维高斯函数为：

　　梯度矢量为：

　　为了提高运算效率，把G的两个滤波卷积模版分解为两个一维的行列滤波器：

　　其中，k为常数，σ为高斯滤波器参数，它控制着平滑程度。对于σ小的滤波器，虽然定位精度高，但信噪比低；σ大的情况则相反，因此要根据需要适当的选取高斯滤波器参数σ。

　　经过处理的图像得到边缘之后，进行直线和圆的提取。采用的是Hough直线、圆提取。

　　直线提取是利用点线的对偶性，一方面，图像空间中共线的点对应在参数空间里相交的线；另一方面，在参数空间中相交于同一个点的所有直线在图像空间里都有共线的点与之对应，因此Hough变换把在图像空间中的直线检测问题转换到参数空间中对点的检测问题，通过在参数空间里进行简单的累加统计完成检测任务。

　　圆Hough变换是目前应用最广泛的圆检测方法。利用圆的几何性质――圆周上任意两条不平行的弦中垂线都相较于圆心，所以，每次同时选取三个点来确定一个圆。

　　1.3 巡线飞行命令组织

　　在图像处理之后，可以得到图像中的直线上点的坐标以及圆的圆心坐标。所以命令中必须包含两条信息，分别是转动方向和幅度级别，移动方向和幅度级别。

　　1.3.1 基本信息

　　1）转动信息判断，如图3所示（图中 角为直线与X轴的夹角）：

　　当 为90°的时候，方向不变，转向级别为0；当 为90°～75°的时候，向右转弯，当 为105°～90°的时候，向左转弯，转向幅度级别为1；当 为75°～60°的时候，向右转弯，当 为120°～105°的时候，向左转弯，转向幅度级别为2；当 为60°～45°的时候，向右转弯，当 为135°～120°的时候，向左转弯，转向幅度级别为3；当 为45°～30°的时候，向右转弯，当 为150°～135°的时候，向左转弯，转向幅度级别为4；当 为30°～15°的时候，向右转弯，当 为165°～150°的时候，向左转弯，转向幅度级别为5；当 为15°～0°的时候，向右转弯，当

　　180°～165°的时候，向左转弯，转向幅度级别为6。

　　2）移动信息判断

　　处理完转向信息之后，开始检测直线的中点A，可以得到中点A的坐标，由于整张图像的中点坐标为B（160，120），所以，直线的中点和图像的中点，X轴和Y轴的差值分别可以得到ABx和ABy。其中ABx是A的X坐标减去B的X坐标，ABy是A的Y坐标减去B的Y坐标。设移动级别分为0～4级，那么，X轴坐标每80为一级，ABx对80取整加1即级别，ABx>0为向左，ABx<0为向右。Y轴坐标每40为一级，ABy对60取整加一即级别，ABy>0为向上，ABy<0为向下。

　　1.3.2 特殊信息处理

　　在图中出现两条平行线时，首先检测平行线之间的宽度，为3CM时，是轨道，为5CM时为“红十字”。当检测到的两条直线距离小于0.5CM，并且 相差小于3度时，默认为同一条直线。

　　1）在“轨道”情况下，以靠近整个图像中点即B点的直线为标准处理。

　　在“红十字”情况下，首先让飞行器悬停在“红十字”的上方。然后旋转180°，向前飞行。

　　2）在图像中出现四条直线，两两平行。

　　若四条直线斜率相同，那么飞行器检测到的为“轨道”和“红十字”的交点处。

　　若四条直线斜率不相同，那么说明飞行器飞行到“轨道”拐角处。那么以斜率小的直线为标准，并且向和边缘交点方向处转向。

　　2 实现效果

　　上位机通过无线路由器接收实时传输的视频信息，通过对视频截取每帧进行图像处理。图像处理结果如图4到图5所示。

　　基金项目：内蒙古科技大学校内基金81110329

　　参考文献：

　　[1]Guenard N，Hamel T and Moreau V.Dynamic modeling and intuitive control strategy for an＂X4-flyer＂[A].2005 International Conference on Control and Automation （ICCA）[C].Budapest，2005:141-146.

　　[2]Olfati-Saber R.Nonliner control of underactuated mechanical system with application to robotics and aerospace vehicles[D].Boston:

　　MIT,2001:20-27.

　　[3]刘晓杰，基于视觉的微小型四旋翼飞行器位姿估计研究与实现[D].吉林：吉林大学，2009，6：10-11.

　　[4]肖永利，厘米级旋翼型微型飞行器研究与设计[D].上海：上海交通大学，2001，3：2.

　　[5]于宏毅、李欧、张效义等，无线传感网络[A].北京：国防工业出版社，2009，1：84-87.

　　作者简介：

　　魏然（1988-），男，硕士在读，研究方向：控制工程；江杰，男，教授级高工，硕士生导师。