基于图像处理的多用途四旋翼无人机系统设计和实现

史敏红

（山西工程职业学院 山西 太原 030009）

0 引言

在科学技术的迅猛发展下，无人机在人们的现代生活中承担着重要角色。 无人机凭借着自身便捷性强、体积小、受地形影响程度小等特点，广泛地应用于高空航拍中，为人们提供独特的视觉体验。 尤其是将无人机应用于洪灾、泥石流等自然灾害中，可以在第一时间内实时传输灾害第一现场受灾情况，并为灾害者投放相关物资，使得记者、救生员的人身安全得以有效保障，同时保障救援的高效性和精准性［1］。 但是，如果遇到复杂天气会降低无人机信号，导致无人机无法按照预先设定好的航线进行稳定飞行。 为解决以上问题，本文设计和开发多用途四旋翼无人机系统，该系统主要应用嵌入式系统，对无人机进行远程控制，并应用图像处理技术，促使无人机完成飞行任务，确保抢险人员即使遇到复杂环境，也能准时到达受灾地区［2］。 所以，在图像处理技术的应用背景下，如何科学地设计多用途四旋翼无人机系统是技术人员必须思考和解决的问题。

1 系统设计原则

结合系统需求分析情况，本文所设计的多用途四旋翼无人机系统必须满足以下设计原则：①稳定性原则。 稳定性属于系统重要性能指标，系统只有在稳定运行的状态下才能有序正常地工作，因此在进行软件设计、系统硬件选型方面，技术人员要重视对系统稳定性提升。 ②安全性原则。 系统内部数据作为用户重要数据，技术人员要重视对数据的保护，提高其安全性，一旦系统在存储数据期间缺乏相关安全保障，那么系统将会丧失存在的价值。 ③前沿性原则。 在科学技术不断发展下，智能产品更新迭代速度不断加快，为了确保无人机系统不被快速淘汰，本文所设计的多用途四旋翼无人机系统必须运用先进、新型的技术，确保该系统能够在长时间里更好地符合市场使用需求。 ④经济性原则。 目前，市场上出现多种无人机系统，各系统在功能设计上均有各自的优势，那么此时选用性价比高的无人机系统是用户首要考虑的问题。 所以，在设计多用途四旋翼无人机系统期间，技术人员要重视对嵌入式设备以及高精度算法的运用，在保证系统功能实现效果的基础上，最大化地降低系统设计成本，为保证系统的市场竞争力打下坚实的基础。

2 系统总体设计

2.1 系统整体设计流程

系统整体设计流程如图1 所示，从图1 中可以看出，系统整体结构设计主要从以下几个方面入手：①在设计飞行控制系统时，要结合无人机在一定风级下存在的悬停、复杂地理环境的不确定性等问题，应用容错控制技术，科学地设计系统控制方法。 ②在实现系统定向、定位和定高功能时，要借助陀螺仪、气压计等外围电路［3］，对其进行设计和实现。 ③在获取无人机图像时，要借助机器视觉模块，完成对所需无人机图像的获取和整理。 ④在设计挂钩控件时，为保证物品能够顺利有效地脱钩，需要采用双线圈驱动法，保证脱钩动作能够顺利完成。 ⑤在识别和检测投放目标点时，系统应用视频图像处理技术［4］，对投放目标点进行精确化识别。 ⑥在通信失常情况下，无人机要想顺利执行相关飞行任务，需要触发系统自主飞行模块，保证系统在实际运行中可以突破通信异常状况的不良影响。⑦当无人机顺利完成各项飞行任务时，系统会自动切换为所设置好的自主返航模式，保证无人机在遇到通信失常情况下也能安全、顺利返航到初始地点［5］。

2.2 系统运行原理设计

该系统运行原理如下：首先，通过借助高性能STM32控制器，智能化控制陀螺仪、气压计等外围电路，确保无人机顺利执行悬停任务、定向任务、定位任务、测高任务等各项飞行任务，确保整个系统能够智能化控制飞行任务，使得无人机在通信失常的情况下能够自动切换为自主返航模式，安全返航到原始地点。 其次，系统内部还配置了故障监测功能和飞行状态监测功能，使得无人机飞行连续性、稳定性和安全性得以大幅度提高。 借助无人机，可以向外部设备安全、可靠地传输相关画面信息，这为后期高空航拍、防火巡视、犯罪追捕等工作提供了极大的便利。最后，通过将挂钩模块设置到系统中，对所投放物品进行智能化控制，确保物品能够顺利投放到目标地点。

2.3 系统运行环境搭建

2.3.1 硬件环境

硬件环境搭建为装置稳定运行提供良好的硬件环境。硬件环境搭建主要涉及应用服务器、数据库服务器、客户端机器三大部分，这三大硬件性能指标配置结果如表1 所示，从表1 中的数据可以看出，应用服务器、数据库服务器两种硬件的CPU、内存参数一致［6］，但是应用服务器的硬盘内存相对较高，远远超过数据库服务器硬盘内存，这是由于应用服务器所服务对象是包含数据库在内的整个装置，而数据库服务器服务对象仅仅是数据库，所以应用服务器硬盘的内存相对较大。

表1 硬件环境表

2.3.2 软件环境

软件环境搭建，为后期装置功能模块设计提供良好的软件环境。 软件环境搭建主要涉及中间件、程序开发、数据库、开发工具、编程语言等工具配置［7］，上述工具配置结果如表2 所示，从表2 中的数据可以看出，该装置在具体设计时，主要选用了SQLServer2020 数据库、Microsoft Visual Studio2020 开发工具、B/S 架构以及JAVA 编程语言，通过运用软件工具，可以保证整个装置模块的开发效率和效果，使得装置模块开发成本降到最低，可以获得较高的社会效益和经济效益。

表2 软件环境表

3 系统硬件设计

四旋翼飞行器内部安装电机，该电机含有四个带桨叶，以“十”字形的方式设置到系统中，整个系统硬件结构如图2 所示。

图2 系统硬件结构图

从图2 中可以看出，整个系统硬件主要是由光源模块、机器视觉模块、压力计、磁力计、陀螺仪等部分组成。在控制四旋翼飞行器时，要做好对电机的有效控制［8］。 在控制电机期间，要运用STM32 控制器所产生的四路PWM波，智能化控制四个电机的转速，从而达到智能化控制飞行器的目的。 四个电机转子经过长时间的旋转后，会产生一定的合扭矩力，当合扭矩力与飞行器重量相同时，四旋翼飞行器会处于悬停状态；当合扭矩力小于飞行器重量时，四旋翼飞行器会处于降落状态；当合扭矩力大于飞行器重量时，四旋翼飞行器会处于上升状态［9］。 无人机通过智能化控制四个电机转速，可以实现对四旋翼飞行器仰视角度的实时化、精确化控制和调整。 通常情况下，为实现对四旋翼无人机模型的精确化、详细化描述，一方面构建惯性坐标系（X1，X2，X3），另一方面要重视对机体坐标系（X，Y，Z）构建。

4 系统软件设计

系统软件在具体设计中，需要严格按照如图3 所示的无人机图像识别流程，完成对无人机图像的识别和处理，并锁定相应的目标地点。 无人机在实际飞行中，通常面临地理环境复杂、拍摄噪音大、图像对比度低等问题，所以，要从去噪、滤波处理、灰度化处理三个环节，对所拍摄的图像进行系统化处理。 在通信正常情况下，借助计算机、遥控器，很容易精确地控制无人机飞行状态，确保无人机顺利完成各项飞行任务［10-11］。 在通信不畅的情况下，无人机要想完成各种飞行任务，需要运用超声波避障模块，进行自主返航飞行。 当系统正常通电后，无人机可以在第一时间内自动初始化处理I/O 端口、LED 灯、数字电视复用系统（packet identifier，PID）等参数。 当无人机初始化结束后，该系统自动进入到待机状态，等待和执行后期所派发的飞行任务。 当外部任务派发成功后，无人机会自动执行相关任务。 当飞行任务完成后，无人机会采用自主诊断的方式，分析和判断该系统是否出现故障问题，并再次置于待机状态，等待下一个飞行任务的派发和给定。

图3 四旋翼无人机图像识别流程图

5 系统实验结果分析

为验证该系统的有效性和可靠性，技术人员采用实验的方式，利用Microsoft Windows XP 操作系统，借助处理器完成对硬件配置，并选用型号为NVIDIA GeForce MX250的CPU，该CPU 内存为60 G。 图4 为该系统部署和搭建后，无人机视角下的目标识别结果，从图4 中可以看出，车识别率达到0.84；船识别率达到0.93，实验结果有效地验证该系统的可靠性和可行性。 总之，在本次实验中可以将无人机飞行高度始终控制为6 m 左右，有效地提高了目标识别结果，取得良好的应用效果，完全符合预期设计标准和要求。

图4 无人机视角下的目标识别结果

6 结语

综上所述，本文借助STM32 控制器，应用图像处理技术，完成了对多用途四旋翼无人机系统科学化设计。 该系统通过应用STM32 控制器，可以实现对外围电路的有效控制，从而达到及时监测无人机当前飞行状态的目的。 该系统借助MPU-6050 陀螺仪，可以智能化、精确化检测无人机飞行姿态和具体位置，通过借助磁力计，精确地定位无人机当前飞行方向，并借助气压计，确定出无人机当前所处的气压。 该系统结合所获取的图像信息，可以借助光流模块，保证无人机定点飞行实现效果。 由此可见，本文所设计的多用途四旋翼无人机系统具有较高的应用价值和应用前景，值得被进一步推广和应用。