CN105446351A - 一种能够锁定目标区域瞭望基于自主导航的无人飞艇系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够锁定目标区域瞭望基于自主导航的无人飞艇系统，该系统通过GPS自主导航至目标区域上空，通过远程控制飞艇以及飞艇的自控、图像采集、地面监控终端对图像的识别及分析，最终触发高分贝喊话单元，实现低空超高清图像抓拍并回传地面监控终端的功能从而实现对目标区域的监管。同时，本发明采用飞艇、云台、光学变焦和数字稳像的多级联动控制方法，将目标区域锁定在监控画面中央，实现对目标区域的不间断监控功能，消除空气对流、发动机抖动等因素对监控画面稳定性的影响。故本发明具有实用性强，使用方便，系统运行可靠稳定，耗能低，监管力度强的特点，尤其适用于对重点目标区域的巡航及监管。

Description

一种能够锁定目标区域瞭望基于自主导航的无人飞艇系统

技术领域

本发明属于无人飞艇技术领域，具体涉及一种能够锁定目标区域瞭望基于自主导航的无人飞艇系统。

背景技术

飞艇作为一种重新兴起的飞行器，由于其具有可直升性、无动力悬停、长时间滞空，且具有大载荷运输、低噪音、低耗能等特点，受到世人的再次关注，世界上越来越多的国家投入到飞艇的研究工作中，其中美、英、俄、德、荷等国的研究和生产应用水平处于世界领先地位。

飞艇的应用最早可以追溯到18世纪末期，当时主要用于观察战场和战区军队的配备和运动情况。在第一次世界大战期间，系留气球用于大炮炮弹弹着点的观测；在第二次世界大战时，除了战场观测和炮弹弹着点的校正观测外，还用于城市的防空，拦截低空突防的轰炸机，起到保卫城市、舰船和军事目标的作用。至今，国外部分国家的飞艇技术在军事上的应用水平已处于领先地位。而对于无人飞艇飞行控制系统的研究则随着无人飞艇的兴起逐渐升温。不少文献将无人飞艇叫做“RoboticAirship”，直译就是“机器人飞艇”，可见他们将不少机器人方面的研究运用到了无人飞艇的研究上。

国内对无人飞艇飞行控制系统的研究在理论上比较深入，且集中在大型的无人飞艇以及高空平流层飞艇上。当前我国无人飞艇的应用也越来越广泛，航空护林、跟踪控制、输电线路放线、超高空高压输电线路空中巡视以及搜救飞艇等，都少不了无人飞艇的影子。

目前，对于飞艇结构和功能的研究己经取得了一定的成果，使得飞艇的带载能力越来越大，飞行高度和速度提高，续航时间变长。但是在飞艇的控制技术上仍多为有人驾驶或者人工操纵，真正脱离人工干预的无人飞艇研究尚处在实验室阶段。无人飞艇的控制技术还不成熟，它的性能与人们预期的仍有一定的差距。尽管如此，由于无人飞艇巨大的应用前景，对无人飞艇的研究工作倍受关注。

发明内容

针对现有技术所存在的技术局限，本发明提供了一种能够锁定目标区域瞭望基于自主导航的无人飞艇系统，其具有实用性强，使用方便，系统运行可靠稳定，耗能低等特点，且适用于对目标区域的巡航及监管。

一种能够锁定目标区域瞭望基于自主导航的无人飞艇系统，包括：飞艇和地面监控终端；

所述的飞艇包括图像采集单元、自动驾驶单元、动力系统单元、空中无线通讯单元、遥控接收单元、高分贝喊话单元和电源单元；其中：

所述的图像采集单元用于在空中采集地面目标区域的图像；

所述的自动驾驶单元用于负责飞艇的定位以及自主导航；

所述的动力系统单元根据自动驾驶单元提供的自动航行指令或所述的手动航行指令，控制飞艇的进退、升降和转涵；

所述的空中无线通讯单元用于将自动驾驶单元提供的自动导航信息以及图像采集单元采集得到的图像无线传输给地面监控终端；

所述的遥控接收单元用于接收地面监控终端提供的手动航行指令；

所述的高分贝喊话单元通过空中无线通讯单元接收来自地面监控终端的喊话触发指令，进而向地面目标区域发出定向喊话；

所述的电源单元用于为飞艇中的其他功能单元提供电能；

所述的地面监控终端包括遥控发射单元、图像处理分析单元和地面无线通讯单元；其中：

所述的遥控发射单元用于向飞艇发射手动航行指令；

所述的图像处理分析单元用于对飞艇采集到的图像进行处理分析，进而对地面目标区域进行事态判断；

所述的地面无线通讯单元用于接收飞艇提供的自动导航信息和图像，并根据图像处理分析单元的判断结果向飞艇发出喊话触发指令。

进一步地，所述的自动驾驶单元包括GPS模块、罗盘、陀螺仪、电流传感器以及飞控板；所述的GPS模块、罗盘、陀螺仪和电流传感器分别用来获取得到飞艇的位置信息、角度信息、姿态信息和速度信息，所述的飞控板根据这些信息以及预定的飞行航迹进行判断比对，从而输出自动航行指令。

进一步地，所述的动力系统单元包括涵道执行机构和尾翼执行机构，其中涵道执行机构包括两个控制螺旋桨的电机和一个控制涵道转动的电机，尾翼执行机构包括两个控制升降的舵机、两个控制转向的舵机和一个控制转涵的电机(该电机安装在尾翼螺旋桨上)。

进一步地，所述的飞控板加载有自主导航软件。

进一步地，所述的图像采集单元安装在云台上，所述的云台受控于自动驾驶单元中的飞控板。

地面监控终端的图像处理分析单元通过收集飞艇采集到的图像，并采用全局运动统计和运动矢量噪声滤波的方法对图像进行分析识别；如果目标偏移了图像采集单元的采集范围，图像处理分析单元便根据分析结果计算出云台所要偏移的幅度和角度，并通过地面无线通讯单元将偏移的幅度和角度传送至飞艇自动驾驶单元中的飞控板，飞控板发出云台偏移的控制指令，实现对云台的控制。

进一步地，所述的图像处理分析单元通过图像分析获得地面目标区域的人流密度和人流聚集方向，从而完成对地面目标区域进行事态判断；当地面目标区域人流密度超过预先设置的安全阈值(0.75平方米/人)或人流向中心方向聚集速度超过预先设置的安全阈值(1.25米/秒)时，图像处理分析单元通过地面无线通讯单元向飞艇发出喊话触发指令，飞艇的高分贝喊话单元通过空中无线通讯单元接收到喊话触发指令后，通过艇载录音文件或文字-语音转换功能自动向地面目标区域发出喊话，播放相关录音或文字，指导或制止目标区域相关人流行为，以实现对地面目标区域的监管。

优选地，所述的飞控板采用飞艇、云台、光学变焦与数字稳像的多级联动控制方法；能够消除空气对流、发动机抖动等因素对监控画面稳定性的影响，从而使地面目标区域牢牢锁定在监控画面中央。当飞艇受到干扰时，飞控板接收相应传感器传来的信号，经过处理后向涵道执行机构和尾翼执行机构发出指令，从而改变飞艇的飞行姿态以至于达到最佳拍摄角度；若涵道执行机构和尾翼执行机构做出调整后还无法将地面目标区域锁定在监控画面中央，则飞控板自动触发控制云台，使得监控盲区缩小。

优选地，所述的图像采集单元采用光学变焦方式来采集图像；当地面目标区域与图像采集单元距离不在最佳拍摄范围内时，通过调整图像采集单元的焦距来放大或缩小图像的大小；这样既不会牺牲图像的清晰度，也不会降低图像的质量。

优选地，所述的图像采集单元采用数字稳像技术对图像进行预处理，确保监控目标区域图像清晰度；图像采集单元采用数字图像处理技术直接对视频图像序列进行处理，利用投影法和光流法获得帧间偏移，再经过运动决定做出相应的运动补偿，实现消除模糊与偏移的效果，即达到稳像的作用。

本发明采用飞艇、云台、光学变焦和数字稳像的多级联动控制方法，使得飞艇绕地方目标区域巡航时，地面目标区域保持在监控画面中央并处于合适清晰度的状态，实现对地面目标区域的不间断监控。

优选地，所述的图像处理分析单元采用基于顶视深度图的方法实现对地面目标区域事态的判断。图像处理分析单元对采集到的图像进行处理，生成准确的场景深度图像；然后经过目标分割与识别，基于深度图中头部特征识别头部，确定头部信息后，图像处理分析单元采用基于自适应波门的多航迹管理，建立头部运动轨迹，跟踪目标，统计区域的人流量。此过程可以概括为目标分割、目标识别、目标跟踪、目标运动轨迹建立等几个步骤，提取视频图像中的头肩轮廓特征并检测行人目标，进一步统计目标区域的人流密度以及人流聚集方向进行监控，实现基于图像识别的目标区域事态的判断。

本发明无人飞艇系统通过GPS自主导航至目标区域上空，通过远程控制飞艇以及飞艇的自控、图像采集、地面监控终端对图像的识别及分析，统计目标区域人流密度并判断人流向中心聚集速度，最终触发高分贝喊话单元，从而实现对目标区域的监管。

同时，本发明采用飞艇、云台、光学变焦和数字稳像的多级联动控制方法，将目标区域锁定在监控画面中央，实现对目标区域的不间断监控功能；消除空气对流、发动机抖动等因素对监控画面稳定性的影响，并且基于顶视深度图提取头肩轮廓特征并检测行人目标，进一步统计目标区域的人流密度以及人流聚集方向进行监控，实现基于图像识别的目标区域事态的判断；当目标区域的事态完成判断后，通过触发高分贝喊话单元实现对目标区域的监管。

故本发明具有实用性强，使用方便，系统运行可靠稳定，耗能低，监管力度强的特点，尤其适用于对重点目标区域的巡航及监管。

附图说明

图1为本发明自动驾驶单元的结构及功能示意图。

图2为本发明自动驾驶单元的控制流程示意图。

图3为本发明目标区域锁定的控制流程示意图。

图4为本发明目标区域事态判断的流程示意图。

图5为本发明高分贝喊话单元的执行流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明无人飞艇系统包括：飞艇和地面监控终端；飞艇自载有电源单元、图像采集单元、自动驾驶单元、遥控接收单元、空中无线通讯单元、高分贝喊话单元以及动力系统单元，应用飞艇对重点目标区域的事态进行巡检。

飞艇应用自动驾驶单元中的GPS模块负责定位和导航，完成空中的自主导航模式，并且空中无线通讯单元与地面的无线通讯单元相连接，将导航的结果回传至地面监控终端；本实施方式中，自动驾驶单元包括GPS模块、罗盘、陀螺仪、电流传感器以及飞控板，如图1所示；GPS模块、罗盘、陀螺仪和电流传感器通过检测分别获取得到飞艇的位置信息、角度信息、姿态信息和速度信息，飞控板根据这些信息以及预定的飞行航迹进行判断比对，从而输出自动航行指令，其具体控制流程如图2所示。

本实施方式通过安装在飞艇动力系统单元上的舵机和电机，可以控制飞艇的进退、升降和转涵，自动驾驶单元向动力系统单元发出动作指令，从而实现无人飞艇的自主巡航以及云台控制；本实施方式中，动力系统单元包括涵道部分和尾翼部分，其中涵道部分包括两个控制螺旋桨的电机和一个控制涵道转动的电机，尾翼部分包括两个控制升降的舵机、两个控制转向的舵机和一个控制转涵的电机(该电机安装在尾翼螺旋桨上)。

另一方面，飞艇经过地面的遥控发射单元和飞艇上的遥控接收单元连接，实现对飞艇的手动控制。飞艇在自主巡航过程中完成云台控制，利用图像采集单元对图像进行采集，图像经空中无线通讯单元与地面无线通讯单元进行连接，传回地面监控终端，经地面监控终端通过图像处理分析单元识别分析图像的人流密度和人流聚集方向等来完成目标区域事态的判断。地面监控终端完成事态的判断后，地面与空中的无线通讯单元建立连接，触发飞艇上的高分贝喊话单元发出喊话，从而实现无人飞艇对目标区域的监管。

本实施方式中的飞控板加载有自主导航软件，自主导航软件包括以下几个模块：①初始化模块，实现GPS接收机初始化；②中断管理模块，实现串口以中断方式接收GPS数据；③GPS数据提取与转换模块，实现GPS有效数据的提取与转换；④导航预处理模块，实现航线装订、提取航点信息，坐标转换等功能；⑤自主导航控制，用于计算控制率；⑥输出模块，输出舵机控制量实现自主导航。通过GPS获得无人机的实时定位信息，计算当前无人飞艇的航向、侧偏距、偏航角、待飞距，计算控制率，从而得到舵面控制量输出，改变无人飞艇飞行姿态；同时进行过点判断，使无人飞艇按照规划航路自主飞行。

飞控板采用APM处理器作为核心控制部件，配以GPS模块、罗盘、陀螺仪、电流传感器等构成，具有手动遥控飞行、自主巡航飞行两种飞行模式。手动遥控飞行模式是通过遥控器来控制飞艇飞行的一种模式，该方式主要用于无人飞艇的起飞、回收阶段。无人飞艇根据事先的飞行航迹和导航数据自主飞行，并按既定的方式实施飞行任务管理，任务完成后自动返航、回收。无人飞艇起飞后，自动切入预定航线，到达预定的巡航高度后，飞艇自主转入定高飞行，并实施最佳巡航控制，到达预定的任务区域时，自动开启相应的任务设备，完成任务后自动按照给定的返航路线返回预定场所。飞艇在飞行过程中，能够自动对重要机载设备的状态进行监测和管理，一旦出现发动机空中停机、遥控链路持续中断以及电源故障等问题，系统自动进行相应处理。飞控板作为无人飞艇的核心部件，它接收并传输飞控数据到无线通讯单元，采集GPS等传感器信号，同时将数据信号进行自动驾驶处理，完成对飞艇航向、姿态的控制实现自主巡航。

地面监控终端通过收集艇载图像采集单元采集到的图像，并采用全局运动统计和运动矢量噪声滤波等原理对图像进行分析识别，如果目标偏移了摄像头，计算机便根据分析结果计算出云台所要偏移的幅度和角度，从而使目标处在画面的中央位置。并通过空中和地面的无线通讯单元建立连接，将计算的结果传到自动驾驶单元上，自动驾驶单元发出云台偏移的命令，实现对云台的控制。

如图3所示，本实施方式采用飞艇、云台、光学变焦和数字稳像多级联动控制方法，消除空气对流、发动机抖动等因素对监控画面稳定性的影响，从而使目标区域牢牢锁定在监控画面中央。当飞艇受到干扰时，自动驾驶单元接收到相应的传感器传来的信号，经过处理后向转涵和尾舵执行器发出指令，从而改变飞艇的飞行姿态以至于达到最佳拍摄角度。若转涵和尾舵做出调整后还无法将目标区域锁定在监控画面中央，则自动触发云台装置，使得监控盲区缩小。

图像采集单元采用光学变焦方式来实现采集高清图像的目的。当目标区域与摄像头距离不在最佳拍摄范围内时，可通过调整镜头的焦距来放大或缩小图像的大小，这样既不会牺牲图像的清晰度，也不会降低图像的质量。图像采集单元还采用数字稳像技术来处理图像，确保监控目标区域图像清晰度。图像采集单元采用数字图像处理技术直接对视频图像序列进行处理，利用投影法和光流法等获得帧间偏移，再经过运动决定做出相应的运动补偿，实现消除模糊的效果，即达到稳像的作用。采用飞艇、云台、光学变焦和数字稳像多级联动控制方法，使得飞艇绕地方目标区域巡航时，目标区域保持在监控画面中央并处于合适清晰度的状态，实现对目标区域的不间断监控。

如图4所示，本实施方式对目标区域采用基于顶视深度图的方法实现对目标区域事态的判断。图像处理分析单元对采集到的图像进行处理，生成准确的场景深度图像。然后经过目标分割与识别，基于深度图中头部特征识别头部，确定头部信息后，采用基于自适应波门的多航迹管理，建立头部运动轨迹，跟踪目标，统计区域的人流量。此过程可以概括为目标分割、目标识别、目标跟踪、目标运动轨迹建立等几个步骤，提取视频图像中的头肩轮廓特征并检测行人目标，进一步统计目标区域的人流密度以及人流聚集方向进行监控，实现基于图像识别的目标区域事态的判断。

如图5所示，当高分贝喊话单元接收到地面监控终端检测出人流密度过大或人流向中心方向聚集速度过快的指令时，即可触发艇载录音文件或者是文字转语音模块，以此来实现对目标区域的监管。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种能够锁定目标区域瞭望基于自主导航的无人飞艇系统，包括飞艇和地面监控终端；其特征在于：

所述的飞艇包括图像采集单元、自动驾驶单元、动力系统单元、空中无线通讯单元、遥控接收单元、高分贝喊话单元和电源单元；其中：

所述的图像采集单元用于在空中采集地面目标区域的图像；

所述的自动驾驶单元用于负责飞艇的定位以及自主导航；

所述的动力系统单元根据自动驾驶单元提供的自动航行指令或所述的手动航行指令，控制飞艇的进退、升降和转涵；

所述的空中无线通讯单元用于将自动驾驶单元提供的自动导航信息以及图像采集单元采集得到的图像无线传输给地面监控终端；

所述的遥控接收单元用于接收地面监控终端提供的手动航行指令；

所述的高分贝喊话单元通过空中无线通讯单元接收来自地面监控终端的喊话触发指令，进而向地面目标区域发出定向喊话；

所述的电源单元用于为飞艇中的其他功能单元提供电能；

所述的地面监控终端包括遥控发射单元、图像处理分析单元和地面无线通讯单元；其中：

所述的遥控发射单元用于向飞艇发射手动航行指令；

所述的图像处理分析单元用于对飞艇采集到的图像进行处理分析，进而对地面目标区域进行事态判断；

所述的地面无线通讯单元用于接收飞艇提供的自动导航信息和图像，并根据图像处理分析单元的判断结果向飞艇发出喊话触发指令。

2.根据权利要求1所述的无人飞艇系统，其特征在于：所述的自动驾驶单元包括GPS模块、罗盘、陀螺仪、电流传感器以及飞控板；所述的飞控板加载有自主导航软件；所述的GPS模块、罗盘、陀螺仪和电流传感器分别用来获取得到飞艇的位置信息、角度信息、姿态信息和速度信息，所述的飞控板根据这些信息以及预定的飞行航迹进行判断比对，从而输出自动航行指令。

3.根据权利要求1所述的无人飞艇系统，其特征在于：所述的动力系统单元包括涵道执行机构和尾翼执行机构，其中涵道执行机构包括两个控制螺旋桨的电机和一个控制涵道转动的电机，尾翼执行机构包括两个控制升降的舵机、两个控制转向的舵机和一个控制转涵的电机。

4.根据权利要求2所述的无人飞艇系统，其特征在于：所述的图像采集单元安装在云台上，所述的云台受控于自动驾驶单元中的飞控板。

5.根据权利要求4所述的无人飞艇系统，其特征在于：地面监控终端的图像处理分析单元通过收集飞艇采集到的图像，并采用全局运动统计和运动矢量噪声滤波的方法对图像进行分析识别；如果目标偏移了图像采集单元的采集范围，图像处理分析单元便根据分析结果计算出云台所要偏移的幅度和角度，并通过地面无线通讯单元将偏移的幅度和角度传送至飞艇自动驾驶单元中的飞控板，飞控板发出云台偏移的控制指令，实现对云台的控制。

6.根据权利要求1所述的无人飞艇系统，其特征在于：所述的图像处理分析单元通过图像分析获得地面目标区域的人流密度和人流聚集方向，从而完成对地面目标区域进行事态判断；当地面目标区域人流密度超过预先设置的安全阈值时或人流向中心方向聚集速度超过预先设置的安全阈值时，图像处理分析单元通过地面无线通讯单元向飞艇发出喊话触发指令，飞艇的高分贝喊话单元通过空中无线通讯单元接收到喊话触发指令后，通过艇载录音文件或文字-语音转换功能自动向地面目标区域发出喊话，播放相关录音或文字，指导或制止目标区域相关人流行为，以实现对地面目标区域的监管。

7.根据权利要求4所述的无人飞艇系统，其特征在于：所述的飞控板采用飞艇、云台、光学变焦与数字稳像的多级联动控制方法；当飞艇受到干扰时，飞控板接收相应传感器传来的信号，经过处理后向涵道执行机构和尾翼执行机构发出指令，从而改变飞艇的飞行姿态以至于达到最佳拍摄角度；若涵道执行机构和尾翼执行机构做出调整后还无法将地面目标区域锁定在监控画面中央，则飞控板自动触发控制云台，调整云台所要偏移的幅度和角度，使得监控盲区缩小；进一步，图像采集单元通过GPS信号计算无人飞艇系统与目标区域之间的直线距离，调整光学镜头焦距参数，使得目标区域的分辨率处于合适的清晰度阈值；最后，图像采集单元采用数字图像处理技术直接对视频图像序列进行处理，利用投影法和光流法获得帧间偏移，再经过运动决定做出相应的运动补偿，实现消除模糊与偏移的效果，最终达到稳像的作用。

8.根据权利要求6所述的无人飞艇系统，其特征在于：所述的图像处理分析单元采用基于顶视深度图的方法实现对地面目标区域事态的判断；图像处理分析单元对采集到的图像进行处理，生成准确的场景深度图像；然后经过目标分割与识别，基于深度图中头部特征识别头部，确定头部信息后，图像处理分析单元采用基于自适应波门的多航迹管理，建立头部运动轨迹，跟踪目标，统计区域的人流量。