一种具有目标识别功能的舰载警用飞行系统的设计

何学明

（公安海警学院 机电管理系，浙江 宁波 315801）

一种具有目标识别功能的舰载警用飞行系统的设计

何学明

（公安海警学院 机电管理系，浙江 宁波 315801）

为使海警部队在海上执法时能从众多船舶中快速寻找可疑船舶，并快速获得其详细信息，设计一种舰载警用飞行系统。该系统可实现空中抵近侦察，运用舰载的目标识别系统获得可疑目标的图像，配有功能强大的可疑目标数据库，从而达到快速、准确地识别海上目标的目的。试验结果表明，所提出的方法和设计完全符合海警执法的要求，设计的飞行系统适合舰载和警用，设计的目标识别系统精确、可靠，具有较高的推广应用价值。

目标识别；舰载；警用；飞行器；设计

0 引 言

当前，随着海洋强国战略走向国家层面，海警部队作为海上执法单位的作用日益凸显。海警部队大多通过雷达回波和瞭望来识别海上目标。通过雷达识别只能判断出可疑船舶大致的形状和位置，无法判断出其装备情况、人员配备情况及其他详细信息，且在复杂、陌生的海域容易被其他形状类似于船舶的海岛或设施干扰。瞭望人员大多由其他人员兼任，工作强度较大，同时瞭望器材仅局限于传统的望远镜，存在视距有限、舰艇抵近侦察易发生碰撞事故及舰艇人员的安全得不到保障等不足[1-3]。因此，海警舰艇作为执法工作的载体，在空中目标侦察、海上争端的空中证据收集及可疑目标识别等方面的能力还有待提高。

针对上述问题，设计一种舰载警用飞行系统。该系统由空中飞行器和舰载主控中心2部分组成，可实现空中抵近侦察，运用机载的目标采集系统获得可疑目标的图像并将其传输给舰载主控中心的目标识别系统，配有功能强大的可疑目标数据库并能进行识别，达到快速、准确地识别海上目标的目的，解决当前海警执法面临的重大难题。

1 舰载警用飞行器的设计

根据警用和海上飞行的实际要求，设计一种舰载警用多旋翼飞行器。该飞行器是一种适用于海上飞行、搭载高精度云台相机的多旋翼飞行器，不仅能完成基本的飞行动作（包括垂直起降、前后运动、横滚、俯仰及悬停等），实现遥控/自主的低空飞行，还能完成航拍侦察任务，采集半径500m范围内的视频和图像信息，并通过高频信号将其传送回来或存储在飞行器的随机存储设备中。该飞行器通过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）导航，按设定的航迹完成直径2km范围内的航点飞行，并按要求完成航拍、侦察等高空作业任务。针对警用和舰载的要求，对该飞行器做以下特殊设计：

1.1 机身设计

选择空心碳纤维材料，在达到最大强度的同时减轻机身整体质量，为搭载警用装备预留起飞质量。同时，空心碳纤维材料的电磁屏蔽性好，可使飞行器在舰载复杂电磁的条件下使用。此外，飞行器各部分结构采用防水防雾处理，可满足在海洋环境下飞行的要求。

1.2 能源与动力装置设计

为适应海上飞行环境，该飞行器的动力装置选用特殊的防水型小型无刷直流电机，桨叶与电机直连，减少了减速器，增大了扭矩，减轻了质量。此外，选用5200mA·h 25C DC的锂电池组，通过4组电子调

速器（Electronic Speed Controller，ESC）将电压降至5V的稳定电压，并通过无感换向方式将直流电供给电机，有效避免水汽对电池组产生影响。该电池组可供飞行器飞行30min左右，满足任务需求。

1.3 起落架设计

飞行器降落着地时，整个机身的质量将全部由起落架承担，因此必须具有良好的支撑和减震功能，以避免飞行器降落时震动对部件造成损坏。每个起落架的上端都装有一个由碳纤维材料制成的弹性支架，上面开有大小不等的孔，以减轻整体质量；支架与下层连接板通过尼龙螺母连接，以保证连接强度。对支架末端进行磨砂处理，使飞行器可在雨天湿滑的甲板面上平稳起降。

1.4 保护设计

飞行器在实际使用中可能会遇到电磁条件复杂、遥控信号丢失和电量过低无法返航等情况，而其保存有许多重要的图像及视频资料，不能轻易丢失，因此设计着重对其安全保护功能进行完善。

1) 遥控信号丢失。在丢失遥控信号之后立即启用失控保护功能。飞行器会在失控位置悬停 3s，以确认信号是否会恢复。若飞行器所处的悬停高度低于海拔 20m（水面舰艇高度大多＜20m），则飞行器会自动抬升，以避开返回时可能触碰到的障碍物；若飞行器的飞行高度＞20m，则其会按最短路径返回至起飞地点上空悬停 15s后自动降落。若飞行器遥控信号在该过程中恢复，则失控保护模式会自动关闭，转入GPS模式飞行。

2) 低电压保护。飞行器处于长时间紧张飞行作业状态时，操作者极易忽略电源电压的高低，使得飞行器极易因电源电压过低而产生坠机的危险。当电源电压＜10.80V时自动触发第一级保护，此时飞行器会发出低电压报警，红色LED灯急速闪烁，但仍能保持正常飞行。当电源电压＜10.50V时触发第二级保护，此时飞行器将停止报警，但红色 LED灯仍急速闪烁，飞行器将从悬停地点自主返航降落并不再接收遥控信号。

2 图像采集系统的设计

图像采集系统的硬件设计见图 1，分别由飞行器云台控制系统、通信数据链和辅助操控手柄图像采集系统等设备组成。

CCD相机通过安装在舰载飞行器上的云台实现0°～350°水平旋转角度及+90°垂直旋转角度范围内目标的监视，获取视频和图像信息，并将其传送给机载主控处理器，通过无线通信系统传送给地面主控计算机，从而完成可疑目标的获取和信息传输[4]。

良好的拍摄效果需稳定的云台，即无论飞机在空中以何种姿态飞行，云台都要一直保持绝对的水平姿态。云台的PID调节在整个云台调试过程中尤为重要。该设计利用Simple BGC软件调节云台参数，对云台的横滚、俯仰及三轴陀螺仪进行细节上的修正，使其在没有接收到动作信号的状态下始终与地面保持水平，并使飞行器能在不同的飞行姿态下对云台的工作状态进行实时监测。图像识别流程图见图2。

地面站屏幕菜单调节系统即OSD（On-Screen Display）系统，数据传输给LCD显示器，由其通过一些规定的字形或图形显示飞行器的状态，让使用者获得所需的信息。

在 MAX7456芯片的基础上建立一个OSD模块，分别与飞行控制器和图传发射机连接，将飞行器的GPS坐标、飞行高度、速度、航向及电量等实时信息呈现在地面站显示器上，使操作者清晰、直观地了解飞行器的实时状态，以保证可疑目标图像获取的准确性和飞行器飞行的安全性。

通过上述设计，解决视频和图像信息的实时传输、云台的稳定性及实时监控等问题，从而获得可疑目标的清晰图像。

3 舰载主控中心目标识别系统的软件设计

基于计算机视觉的目标识别技术是指对图像序列中的目标进行检测和识别，获取可疑目标的更多信息，并对其相关技术进行处理和分析，从而完成目标识别[5]。

图像处理（Image Processing）技术是指通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割及提取特征等处理的方法和技术。图像处理舰载主控中心系统是一套图像识别及数据库检索系统[6-7]，其主要功能是处理和识别飞行器捕捉到的可疑目标的图像，识别流程图如图2所示。目标识别是本文研究的重点。飞行器采集到的图像是海上目标的外形，可通过比较其艏艉特征、船桥的外形特征及艏艉的吃水深度比等，并与系统建立的数据库相对比，识别出其详细信息。

利用MATLAB软件设计可疑目标识别软件，利用MATLAB的内建函数，直接调用图像处理及识别函数，将图像转化为矩阵的形式，利用矩阵运算实现不同的图像处理[8-10]。

4 试验研究

4.1 悬停测试

飞行器在实际完成任务过程中通常需要悬停，以对可疑目标进行实时侦察。悬停性能决定着完成任务的质量。在5s的测试时间内，该飞行器在GPS飞行模式下无遥控信号悬停，若能保证前后左右移动幅度＜10cm，倾斜角度＜15°，则说明满足悬停要求。

4.2 飞行器航拍测试

清晰的航拍效果是侦察和后期数字化处理的基础。在飞行器飞行过程中，无线图传模块将采集到的图像通过图传操控器（见图3）的雪花屏显示给操作者，配合由 AT89C52控制、无刷电机带动的二自由度云台，使飞行器以任意姿态飞行且云台没有接收到动作指令时，摄像头能始终保持水平，优化航拍效果。图4为航拍效果图，试验选择在中雨天气下进行，同时测试飞行器的全天候防水效果。试验结果表明，飞行器平台及图像采集系统工作正常，图像采集系统可清晰、真实地反映飞行器所处环境的情况，效果良好，达到了预期目标。

4.3 目标识别试验

该试验以某舰艇的舷号为试验模板，对该舷号进行数字化识别及数据库检索。测试可疑目标识别系统的工作性能，读入原始图像，将拍摄到的舰艇图像写入到可疑目标识别程序中（见图5）。

按顺序进行图像预处理、边缘提取、舰艇定位、字符分割和字符识别，并通过检索数据库得到最后的识别结果（见图6）。

5 结 语

本文阐述一种具有目标识别功能的舰载警用飞行系统设计，该飞行系统由多旋翼飞行器（图像采集系统）和舰载主控中心（图像识别系统）2部分构成。通过对飞行平台进行稳定悬停及夜间飞行测试、图像采集系统实际工作状态测试和海警舰艇舷号识别等试验，表明该系统的设计合理，硬件设计简洁，满足海警部队的实际海上任务需求，云台及摄像系统工作稳定。此外，软件界面编程简明易使用，可对实际舰艇的外形特征进行准确识别，并能完成模拟数据库信息展示。试验结果表明该系统可靠，能达到设计要求，具有较高的推广应用价值。

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[6]张家怡. 图像识别的技术现状和发展趋势[J]. 电脑知识与技术，2010, 21: 34-39.

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[10]周妮娜，王敏，黄心汉，等. 车牌字符识别的预处理算法[J]. 计算机工程与应用，2003, 39 (15): 220-221.

Design of a Shipborne Police Flight System with Target Identification Function

HE Xue-ming

（Department of Electrical and Mechanical Management, China Maritime Police Academy, Ningbo 315801, China）

A shipborne police flight system is designed to enable the maritime police force to fast identify suspicious vessels from numerous ships and to fast obtain the detailed information of the suspicious vessel during law enforcement at sea. This system can achieve low altitude scout and gather images of the suspicious object through the shipborne target identification system, and is equipped with powerful suspicious object database for the fast and accurate identification of objects at sea. The experimental result shows that the proposed method and the design will fully satisfies the requirements of the maritime police force, the designed flight system is suitable for ship-borne and police purpose, and the designed target identification system is accurate, reliable and has high value for wider application.

target identification; ship-borne; police; aircraft; design

E962；V211.8

A

2095-4069 (2017) 06-0013-04

2016-09-29

浙江省自然科学基金（LY15E090004）

何学明，男，教授，博士，1966年生。1997年毕业于华中科技大学机械电子工程专业，现从事轮机工程、机电智能控制、水下机器人技术的教学与研究。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.003