基于多旋翼無(wú)人機的標示線(xiàn)繪制與維護系統

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

　　摘要：本文介紹了一種基于旋翼無(wú)人機的交通、場(chǎng)地標示線(xiàn)繪制與維護的系統。這套系統能夠根據預設信息實(shí)現標示線(xiàn)的繪制，并且能夠檢測標示線(xiàn)的損耗與有效性來(lái)判斷何時(shí)進(jìn)行智能維護。這套系統在常規無(wú)人機上搭建了基于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)模塊識別到標志物后將信號傳送給Cortex-M4核的XMC4700處理器，XMC4700根據預設指令將標志物的位置信息與無(wú)人機對比，匹配合適的路徑，然后將飛行指令傳送給N3飛行控制系統。無(wú)人機隨著(zhù)標志物位置的改變而改變，從而完成標示線(xiàn)的繪制。維護模式下，放出無(wú)人機，無(wú)人機識別道路標示線(xiàn)循跡飛行，通過(guò)標示線(xiàn)與周?chē)h(huán)境對比度的不同判斷標示線(xiàn)的磨損情況，從而判斷是否需要修補或重新繪制。

　　關(guān)鍵詞：多旋翼;無(wú)人機;標示線(xiàn);自主劃線(xiàn);噴繪

　　*2017-2018年度“英飛凌杯”全國高校無(wú)人機創(chuàng )新設計應用大賽全國總決賽二等獎

　　引言

　　多翼飛行器具有體積小、重量輕、靈活度高、穩定性強的特點(diǎn)，適用多種空間場(chǎng)所，隨著(zhù)無(wú)人機市場(chǎng)和技術(shù)的飛速發(fā)展，現在無(wú)人機的作業(yè)精度和抗干擾能力已經(jīng)能執行各種復雜環(huán)境的特種任務(wù)，減少了人工作業(yè)的勞動(dòng)強度和時(shí)間，節約了成本，提高了作業(yè)效率。

　　基于多旋翼無(wú)人機的標識線(xiàn)繪制與維護系統能夠根據預設參考點(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準場(chǎng)地信息寫(xiě)入無(wú)人機程序內，快速完成特定標示線(xiàn)的繪制。隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，公路增長(cháng)極為迅速，因此公路車(chē)道的劃線(xiàn)工作十分繁重。目前，國內普遍采用人工劃線(xiàn)，工作速度慢，勞動(dòng)強度大，已不能滿(mǎn)足當前形勢發(fā)展的需要。所以，基于多旋翼無(wú)人機的標識線(xiàn)繪制與維護系統也是高等級公路養護機械中急需開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品之一?；谶@種背景，本項目通過(guò)無(wú)人機噴射的方式完成標示線(xiàn)繪制的工作

　　1 無(wú)人機整體結構

　　無(wú)人機的整體模型如圖1所示，配置如圖2所示，以基于Cortex-M4內核的英飛凌工業(yè)級單片機XMC4700為主控系統，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。飛行動(dòng)力方面使用了IRMCF183電調板和朗宇2212 KV880無(wú)刷電機，來(lái)保證飛行動(dòng)力和負載能力的充足。為保證無(wú)人機作業(yè)精度和飛行的穩定性，除了N3飛行控制系統自帶的雙冗余MCU以外，本項目還采用DPS310高精度氣壓計來(lái)進(jìn)一步精確控制飛行高度。對于一些復雜路況下的作業(yè)任務(wù)，我們需要考慮一些障礙物的規避情況，對此采用了英飛凌公司的厘米級精度的測距雷達，以保證對于障礙物的及時(shí)規避?；诙嘈頍o(wú)人機的標識線(xiàn)繪制與維護系統的核心在于圖像信息的的識別與采集，我們采用了基于Open CV的邊緣識別與灰度對比技術(shù)，完成對標志物距離的檢測，從而將無(wú)人機精準地引導到噴繪位置執行噴繪操作。為了保證噴繪質(zhì)量，我們采用無(wú)刷電機水泵作為噴頭動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)XMC4700控制器的PWM控制通道控制IRMCF183電調板，進(jìn)而達到精確控制電機轉速和噴頭速度，我們還將搭配可更換噴頭用來(lái)適應不同的噴繪任務(wù)。

　　2 避障與報警

　　飛行器配備高精度雷達模塊，具備定高和避障的功能。在滿(mǎn)足工作條件的情況下，雷達模塊與測高模塊的組合可預測飛行器距離前方、后方的高度，使飛行器在執行噴繪作業(yè)時(shí)保持與作業(yè)面的相對高度不變，進(jìn)行仿地飛行，以確保噴頭噴繪的均勻性。同時(shí)，雷達模塊可檢測最遠30 m處的障礙物，并進(jìn)行避障，保障作業(yè)安全。雷達功能默認開(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

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

　　無(wú)人機噴料箱報警時(shí)，啟用補給程序返回補給點(diǎn)補給，完成補給任務(wù)后無(wú)人機返回任務(wù)中斷處繼續作業(yè)。

　　2.3 補給點(diǎn)

　　返回補給點(diǎn)可通過(guò)主控的消耗報警設置或者撥動(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 強制退出

　　為了應對失控或者外物入侵的情況，我們設立了強制退出按鈕，一旦出現突發(fā)狀況可以直接強制停轉螺旋槳，犧牲無(wú)人機來(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)人機工作模式設置到智能飛行模式，通過(guò)電腦設置環(huán)境信息收集模式，選擇開(kāi)闊或者封閉模式，然后調整場(chǎng)地粗略參數，封閉模式下，直接放出無(wú)人機，無(wú)人機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據，開(kāi)闊模式下根據調整后的作業(yè)半徑，無(wú)人機將在飛至作業(yè)半徑處進(jìn)行螺旋向內飛行，收集環(huán)境信息。

　　無(wú)人機將收集到的環(huán)境信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸至電腦，然后進(jìn)行場(chǎng)景數據的處理，最后在場(chǎng)景上顯示出施工場(chǎng)地的測量參數。

　　3.2 預設參數噴繪作業(yè)模式

　　通過(guò)無(wú)人機反饋的場(chǎng)地數據進(jìn)行工程設計，設計規劃好噴繪作業(yè)任務(wù)后，將圖案參數輸入給PC端軟件，軟件里進(jìn)行參數對比，將后期規劃的場(chǎng)地與前期的收集場(chǎng)地信息對比，確認無(wú)誤后，將無(wú)人機工作模式設置到智能飛行模式，以執行噴繪任務(wù)，無(wú)人機飛行至任務(wù)起始點(diǎn)開(kāi)始噴繪。如果電量和剩余噴料量到達警戒值后啟用補給程序，會(huì )在下一個(gè)噴繪斷點(diǎn)處終止作業(yè)，返回補給點(diǎn)補給;如果沒(méi)有斷點(diǎn)處將繼續進(jìn)行噴繪任務(wù)，直至到達二級警報點(diǎn)直接返回。完成補給任務(wù)后，無(wú)人機返回任務(wù)中斷處繼續作業(yè)，直至完成噴繪任務(wù)。

　　無(wú)人機在進(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)人機收集一段施工場(chǎng)景的信息，反饋至電腦端，用戶(hù)自行選擇合適的標志物(如路牙石)之后設定無(wú)人機與參考物的距離、工作范圍，然后將參數指令傳送給無(wú)人機，將無(wú)人機工作模式設置到智能飛行模式執行噴繪任務(wù)，無(wú)人機飛行至任務(wù)起始點(diǎn)開(kāi)始噴繪，如果電量和剩余噴料量到達警戒值后啟用補給程序，會(huì )在下一個(gè)噴繪斷點(diǎn)處終止作業(yè)返回補給點(diǎn)補給，如果沒(méi)有斷點(diǎn)處將繼續進(jìn)行噴繪任務(wù)直至到達二級警報點(diǎn)直接返回。完成補給任務(wù)后無(wú)人機返回任務(wù)中斷處繼續作業(yè)直至完成噴繪任務(wù)。無(wú)人機將一直巡線(xiàn)飛行噴繪，直至完成工作區間的飛行噴繪任務(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，在電量二級警戒值時(shí)無(wú)人機將自動(dòng)原地降落(不建議使用到二級警戒值)?？梢酝ㄟ^(guò)手動(dòng)操作無(wú)人機進(jìn)行無(wú)人機的飛行運動(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，這篇文章也算是我們對所做項目的一個(gè)總結。2017年9月，因機緣巧合加入了這場(chǎng)比賽，以前從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)無(wú)人機的我們在拿到英飛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，各種百度、各種玩家DIY經(jīng)驗，都被我們當作是一本教科書(shū)。慢慢熟悉，點(diǎn)滴進(jìn)步，有道是“失敗是成功之母”，在炸機無(wú)數次、無(wú)數次試飛失敗、無(wú)數次改正后，功夫不負有心人，一步步從初賽、復賽，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，機遇就會(huì )籠罩你;心存感恩，貴人就會(huì )青睞你。

　　參考文獻

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

　　[2]OpenCV-Python官方教程中文版,2014.

　　[3]新版道路交通標志和標線(xiàn)實(shí)用手冊.

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