CN107765706A - 船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，包括机架和控制电路，控制电路由主处理器及与其相连接的陀螺仪、飞行控制模块、无线通信模块和电源模块组成，主处理器连接有激光测距模块，激光测距模块的输入端连接有多个朝向不同方向的测距探头。本发明的距地高度获取方法，包括：a).设定角度值；b).获取姿态参数；c).求取各探头的测距值；d).获取高度实际值。本发明的火灾跟踪方法，包括：1).获取火灾图像，2).求取横坐标；3).求取列坐标；4).获取火灾心点坐标；5).计算火灾偏移量；6).火灾跟踪。本发明的飞行器及控制方法，通过设置多个朝向不同的探头，避免了突起或物体的影响，实现了对船舶无人机舱火灾巡检以及对火灾的跟踪。

Description

船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器及其控制方法，更具体的说，尤其涉及一种船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器及其控制方法。

背景技术

无人飞行器自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点，旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比，其优势体现在：飞行器起飞和降落所需空间少，在障碍物密集环境下的可控性强，以及飞行器姿态保持能力高。与常规旋翼式飞行器相比，采用四只旋翼的飞行器具有可相互抵消反扭力矩的优点，而不需要专门的反扭矩桨从而使其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。这些优点使其特别适合在近地面环境中执行监视、侦查等任务，其在军事和民用方面都有很大的应用前景。但四旋翼飞行器本身也具有非常复杂的空气动力学特征，怎样实现其自身稳定自主飞行仍是飞行器控制领域的一个难题。

船舶无人机舱利用智能化对船舶机舱内的设备进行管理和控制，无需轮机工作人员值班，无人机舱是未来船舶发展的方向之一。防止火灾发生是保证无人机舱安全稳定运行的重中之重，采用旋翼飞行器可实现无人机舱内的火灾检测。受无人机舱特殊的环境要求，无人机舱内存在大量的设备，使得地面突起不平，如果采用四旋翼飞行器进行监控，距地高度是一项重要的控制参数，需要对飞行器的距地高度进行精准控制，以便使其按设定高度飞行或停留在相应高度位置进行监控，避免飞行器与机舱内的设备发生碰撞。

虽然四旋翼飞行器上设置有测距模块，但受飞行器姿态的影响，测距模块发出的光线通常不是竖直于地面的，会使测距模块测量的高度存在较大误差。即使考虑到飞行器姿态对测距模块发出光线方向的影响，计算过程中将测距光线的出射方向考虑进去，以获取精准的高度值。但在实际的运用过程中，受地面高低不平和地面上存在物体的影响，单个测距模块发出的光线时常会落到地面高点或物体上，导致高度测量结果不准确。

当飞行器发现火灾时，需要对火灾进行准确的跟踪，以便将火灾的实时图像上传至监控室或相应移动终端，以便工作人员采取相应措施，及时对无人机舱内的火灾进行灭火作业。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器及其控制方法。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，包括机架和设置于机架上的控制电路，机架的四周设置有4个旋翼，旋翼通过电机进行驱动；其特征在于：控制电路由主处理器及与其相连接的图像处理模块、陀螺仪、飞行控制模块、无线通信模块和无线图传模块组成，主处理器通过陀螺仪获取飞行器的姿态，通过无线通信模块与地面控制设备相通信；图像处理模块的输入端连接有用于火灾图像采集的红外摄像仪，主处理器通过无线图传模块将火灾报警信息进行远距离传输；飞行控制模块的输出经电子调速器对4个电机的运行状态进行控制；所述主处理器连接有用于测量机架距离地面高度的激光测距模块，激光测距模块的输入端连接有多个朝向不同方向的测距探头。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，所述测距探头的数量为5个，当机架处于与水平面相平时，5个测距探头中，一个测距探头位于中间且测距方向垂直朝下，其余4个测距探头分别位于中间探头的正前、正后、正左和正右方，且测距方向与中间探头的测距方向成一定角度的夹角。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，所述主处理器采用型号为STM32F103ZDT6的芯片，陀螺仪采用型号为GY-80的九轴传感器。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的距地高度获取方法，通过以下步骤来实现：

a).设定角度值，设正前、正后、正左和正右方测距探头的测距方向与中间测距探头的测距方向的夹角分别为α₁、α₂、α₃、α₄；

b).获取飞行器姿态参数，主处理器通过陀螺仪获取四旋翼飞行器的俯仰角θ、横滚角φ和偏航角

c).求取各探头的测距值，设通过中间、正前、正后、正左和正右方测距探头所获取的距离地面的距离分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅；

则通过公式(1)求取中间测距探头所获取的距离地面高度值H₁：

则通过公式(2)求取正前方测距探头所获取的距离地面高度值H₂：

则通过公式(3)求取正后方测距探头所获取的距离地面高度值H₃：

则通过公式(4)求取正右方测距探头所获取的距离地面高度值H₄：

则通过公式(5)求取正左方测距探头所获取的距离地面高度值H₅：

d).获取飞行器距离地面高度实际值，比较步骤c)中所求取的中间、正前、正后、正左和正右方测距探头距离高度值H₁、H₂、H₃、H₄和H₅的大小，选取其中的最小值作为飞行器距离地面的高度，以避免飞行器与机舱内设备发生碰撞。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的火灾跟踪方法，设要跟踪的火灾为黑色，火灾所述的环境为白色，火灾跟踪方法通过以下步骤来实现：

1).获取火灾灰度值图像，四旋翼飞行器根据设定的路径在船舶无人机舱内巡检过程中，通过红外摄像仪不断采集机舱内图像，图形处理模块识别图像中疑似火焰部分，并将图像转化为二值图像，二值图像中的1为火灾周围环境的成像，二值图像中的0为火焰的成像；

2).求取火灾中心点的横坐标，对每帧图像进行逐行判断，查找每行出现0和1跳变位置的最左边与最右边的横坐标值，最左横坐标值与最右横坐标相加取平均值获取改行的中心点坐标；将出现0和1跳变的每行的横坐标相加取平均值，得到火灾中心点的横坐标；

3).求取火灾中心点列坐标，对每帧图像进行逐行列断，查找每列出现0和1跳变位置的最上边与最下边的列坐标值，最上列坐标值与最下列坐标相加取平均值获取改列的中心点坐标；将出现0和1跳变的每列的横坐标相加取平均值，得到火灾中心点的列坐标；

4).获取火灾中心点坐标，步骤2)中获取的横坐标和步骤3)中获取的列坐标，作为火灾的中心点坐标；

5).计算火灾偏移量及方向，通过对比相邻两帧图像中火灾中心点的坐标，计算出当前帧相对于前一帧中火灾中心点的偏移量及方向，

6).火灾跟踪，主处理器根据步骤5)中获取的火灾的偏移量和方向，经飞行控制模块和电子调速器对4个电机的转速进行控制，以调整四旋翼飞行器的俯仰角θ、横滚角φ和偏航角以及高度值，实现对火灾的自动跟踪；同时，主处理器将获取的火灾信息通过无线图传模块发送至远端设备。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的火灾跟踪方法，步骤6)中所述的火灾跟踪，采用PID调节对飞行器的姿态和高度进行控制，其控制函数如表达式(6)所示：

u(t)＝Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td×de(t)/dt] (6)

其中，u(t)为控制输出信号，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间和微分时间，e(t)为控制输入信号，其通过公式(7)进行求取；

e(t)＝r)t)-c(t) (7)

其中，r(t)为给定的电机转速值，c(t)为电机转速的实际输出值。

本发明的有益效果是：本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，由机架、主处理器、红外摄像仪、飞行控制模块测距模块组成，通过设置多个朝向不同方向的测距探头，可获取飞行器距离地面高度的真实值，避免了以往采用单个测距探头易受地面突起或物体影响而导致高度测量不准确情况的发生，使其更加适用于舶无人机舱内的巡视。本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的距地高度获取方法，通过比较多个测距探头获取的距地高度值，选取最大值作为飞行器距离高度值，使得测量结果与实际值更加相符。本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的火灾跟踪方法，首先获取每帧图像中火灾中心点坐标，然后通过比较前后两帧图像中火灾中心点坐标的变化，得到火灾的偏移量及方向，然后通过比例、积分和微分调节(PID)控制方法，对电机的转速进行控制，实现火灾的跟踪，PID调节控制更加精准，使得飞行器跟踪火灾更加稳定，实现了对船舶无人机舱火灾巡检以及对火灾的跟踪。

附图说明

图1为本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的结构图；

图2为本发明的四旋翼飞行器中控制电路的原理图；

图3为本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器在xoz平面内的投影示意图；

图4为本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器在yoz平面内的投影示意图；

图5为本发明的PID控制原理图。

图中：1机架，2主处理器，3红外摄像仪，4图像处理模块，5飞行控制模块，6电子调速器，7电机，8激光测距模块，9电源模块，10测距探头，11旋翼，12物体，13地面突起，14陀螺仪，15无线通信模块，16无线图传模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，分别给出了本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的结构图和控制电路的原理图，所示的四旋翼飞行器由机架1及设置于机架上的控制电路组成，所示的控制电路由主处理器2及与其相连接的图像处理模块4、激光测距模块8、陀螺仪14、无线通信模块15、飞行控制模块5和电源模块9组成，主处理器2具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，图像处理模块4的输入端连接有红外摄像仪3，主处理器2通过红外摄像仪3采集火灾的图像信息。主处理器2通过陀螺仪14可获取四旋翼飞行器的姿态信息，如飞行器的俯仰角、横滚角和偏航角，通过无线通信模块15实现与地面控制设备的通信，以便地面控制设备对飞行器的飞行状态进行控制，主处理器2通过无线图传模块16可将采集的图像信息发送至远端的监控设备。电源模块9用于给各模块和电机7的工作提供稳定的电压。

所示机架1周围的四个角上设置有旋翼11，4个旋翼7经4个电机7(前电机、后电机、左电机和右电机)进行驱动；主处理器2经飞行控制模块5和电器调速器6对电机7的转速进行控制。激光测距模块8连接有5个测距探头10(分别为第一、第二、第三、第四和第五测距探头)，当机架1处于与水平面相平时，5个测距探头10中，一个测距探头10位于中间且测距方向垂直朝下，其余4个测距探头10分别位于中间探头的正前、正后、正左和正右方，且测距方向与中间探头的测距方向成一定角度的夹角。这样，通过设置多个朝向不同的测距探头，避免了以往采用单个测距探头10时，易受表面物体12和地面突起13影响而导致所测量的距地高度不准确的情形。

所示的主处理器2可采用型号为STM32F103ZDT6的芯片，红外摄像仪可采用型号为OV7725的集成模块，OV7725的集成模块具有二值图像转化功能，可将采用的图像转换为二值图像并输出。陀螺仪可采用型号为GY-80的九轴传感器，以方便对四旋翼飞行器姿态信息的测量。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的距地高度获取方法，通过以下步骤来实现：

a).设定角度值，设正前、正后、正左和正右方测距探头的测距方向与中间测距探头的测距方向的夹角分别为α₁、α₂、α₃、α₄；

b).获取飞行器姿态参数，主处理器通过陀螺仪获取四旋翼飞行器的俯仰角θ、横滚角φ和偏航角

c).求取各探头的测距值，设通过中间、正前、正后、正左和正右方测距探头所获取的距离地面的距离分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅；

则通过公式(1)求取中间测距探头所获取的距离地面高度值H₁：

则通过公式(2)求取正前方测距探头所获取的距离地面高度值H₂：

则通过公式(3)求取正后方测距探头所获取的距离地面高度值H₃：

则通过公式(4)求取正右方测距探头所获取的距离地面高度值H₄：

则通过公式(5)求取正左方测距探头所获取的距离地面高度值H₅：

该步骤中，如图3所示，给出了本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器在xoz平面内的投影示意图，其中F为飞行器质点，点C为中间测距探头在地面上的测量点，A点为C点在ox轴上的投影点。则|FC|为中间探头的测量距离，|FC|＝h_i＝h₁，其实际高度为H_i，在直角三角形AOF中，可得：

|AO|＝H_i·tanθ

在直角三角形AOC中：

|OC|²＝|AO|²+|AC|²

如图4所示，给出了本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器在yoz平面内的投影示意图，B点为C点在oy轴上的投影点。

在直角三角形FOB中，可得：

|BO|＝H_i·tanφ

在直角三角形COF中：

|FC|²＝|H_i|²+|OC|²

且，|AC|＝|BC|；联合以上各式可得：

同样地，可获取正前、正后、正左和正右方测距探头的测距公式。

d).获取飞行器距离地面高度实际值，比较步骤c)中所求取的中间、正前、正后、正左和正右方测距探头距离高度值H₁、H₂、H₃、H₄和H₅的大小，选取其中的最小值作为飞行器距离地面的高度，以避免飞行器与机舱内设备发生碰撞。

本发明的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的火灾跟踪方法，设要跟踪的火灾为黑色，火灾所述的环境为白色，所述火灾跟踪方法通过以下步骤来实现：

1).获取火灾灰度值图像，四旋翼飞行器根据设定的路径在船舶无人机舱内巡检过程中，通过红外摄像仪不断采集机舱内图像，图形处理模块识别图像中疑似火焰部分，并将图像转化为二值图像，二值图像中的1为火灾周围环境的成像，二值图像中的0为黑色火焰的成像；

2).求取火灾中心点的横坐标，对每帧图像进行逐行判断，查找每行出现0和1跳变位置的最左边与最右边的横坐标值，最左横坐标值与最右横坐标相加取平均值获取改行的中心点坐标；将出现0和1跳变的每行的横坐标相加取平均值，得到火灾中心点的横坐标；

3).求取火灾中心点列坐标，对每帧图像进行逐行列断，查找每列出现0和1跳变位置的最上边与最下边的列坐标值，最上列坐标值与最下列坐标相加取平均值获取改列的中心点坐标；将出现0和1跳变的每列的横坐标相加取平均值，得到火灾中心点的列坐标；

4).获取火灾中心点坐标，步骤2)中获取的横坐标和步骤3)中获取的列坐标，作为火灾的中心点坐标；

5).计算火灾偏移量及方向，通过对比相邻两帧图像中火灾中心点的坐标，计算出当前帧相对于前一帧中火灾中心点的偏移量及方向，

6).火灾跟踪，主处理器根据步骤5)中获取的火灾的偏移量和方向，经飞行控制模块和电子调速器对4个电机的转速进行控制，以调整四旋翼飞行器的俯仰角θ、横滚角φ和偏航角以及高度值，实现对火灾的自动跟踪；同时，主处理器将获取的火灾信息通过无线图传模块发送至远端设备。远端设备根据接收的火灾图像，对火势和火灾类型进行判断，以便采取相应的灭火措施。

如图5所示，给出了本发明的PID控制原理图，步骤6)中所述的火灾跟踪，采用PID调节对飞行器的姿态和高度进行控制，其控制函数如表达式(6)所示：

u(t)＝Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td×de(t)/dt] (6)

其中，u(t)为控制输出信号，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间和微分时间，e(t)为控制输入信号，其通过公式(7)进行求取；

e(t)＝r(t)-c(t) (7)

其中，r(t)为给定的电机转速值，c(t)为电机转速的实际输出值。

Claims (6)

1.一种船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，包括机架(1)和设置于机架上的控制电路，机架的四周设置有4个旋翼(11)，旋翼通过电机(7)进行驱动；其特征在于：控制电路由主处理器(2)及与其相连接的图像处理模块(4)、陀螺仪(14)、飞行控制模块(5)、无线通信模块(15)和无线图传模块(16)组成，主处理器通过陀螺仪获取飞行器的姿态，通过无线通信模块与地面控制设备相通信；图像处理模块的输入端连接有用于火灾图像采集的红外摄像仪(3)，主处理器通过无线图传模块将火灾报警信息进行远距离传输；飞行控制模块的输出经电子调速器(6)对4个电机的运行状态进行控制；所述主处理器连接有用于测量机架距离地面高度的激光测距模块(8)，激光测距模块的输入端连接有多个朝向不同方向的测距探头(10)。

2.根据权利要求1所述的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，其特征在于：所述测距探头(10)的数量为5个，当机架(1)处于与水平面相平时，5个测距探头中，一个测距探头位于中间且测距方向垂直朝下，其余4个测距探头分别位于中间探头的正前、正后、正左和正右方，且测距方向与中间探头的测距方向成一定角度的夹角。

3.根据权利要求3所述的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器，其特征在于：所述主处理器(2)采用型号为STM32F103ZDT6的芯片，陀螺仪采用型号为GY-80的九轴传感器。

4.一种基于权利要求2所述的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的距地高度获取方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).设定角度值，设正前、正后、正左和正右方测距探头的测距方向与中间测距探头的测距方向的夹角分别为α₁、α₂、α₃、α₄；

b).获取飞行器姿态参数，主处理器通过陀螺仪获取四旋翼飞行器的俯仰角θ、横滚角φ和偏航角

c).求取各探头的测距值，设通过中间、正前、正后、正左和正右方测距探头所获取的距离地面的距离分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅；

则通过公式(1)求取中间测距探头所获取的距离地面高度值H₁：

则通过公式(2)求取正前方测距探头所获取的距离地面高度值H₂：

则通过公式(3)求取正后方测距探头所获取的距离地面高度值H₃：

则通过公式(4)求取正右方测距探头所获取的距离地面高度值H₄：

则通过公式(5)求取正左方测距探头所获取的距离地面高度值H₅：

d).获取飞行器距离地面高度实际值，比较步骤c)中所求取的中间、正前、正后、正左和正右方测距探头距离高度值H₁、H₂、H₃、H₄和H₅的大小，选取其中的最小值作为飞行器距离地面的高度，以避免飞行器与机舱内设备发生碰撞。

5.一种基于权利要求3所述的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的火灾跟踪方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

1).获取火灾灰度值图像，四旋翼飞行器根据设定的路径在船舶无人机舱内巡检过程中，通过红外摄像仪不断采集机舱内图像，图形处理模块识别图像中疑似火焰部分，并将图像转化为二值图像，二值图像中的1为火灾周围环境的成像，二值图像中的0为火焰的成像；

2).求取火灾中心点的横坐标，对每帧图像进行逐行判断，查找每行出现0和1跳变位置的最左边与最右边的横坐标值，最左横坐标值与最右横坐标相加取平均值获取改行的中心点坐标；将出现0和1跳变的每行的横坐标相加取平均值，得到火灾中心点的横坐标；

3).求取火灾中心点列坐标，对每帧图像进行逐行列断，查找每列出现0和1跳变位置的最上边与最下边的列坐标值，最上列坐标值与最下列坐标相加取平均值获取改列的中心点坐标；将出现0和1跳变的每列的横坐标相加取平均值，得到火灾中心点的列坐标；

4).获取火灾中心点坐标，步骤2)中获取的横坐标和步骤3)中获取的列坐标，作为火灾的中心点坐标；

5).计算火灾偏移量及方向，通过对比相邻两帧图像中火灾中心点的坐标，计算出当前帧相对于前一帧中火灾中心点的偏移量及方向，

6).火灾跟踪，主处理器根据步骤5)中获取的火灾的偏移量和方向，经飞行控制模块和电子调速器对4个电机的转速进行控制，以调整四旋翼飞行器的俯仰角θ、横滚角φ和偏航角以及高度值，实现对火灾的自动跟踪；同时，主处理器将获取的火灾信息通过无线图传模块发送至远端设备。

6.根据权利要求5所述的船舶无人机舱火灾巡检用四旋翼飞行器的火灾跟踪方法，其特征在于：步骤6)中所述的火灾跟踪，采用PID调节对飞行器的姿态和高度进行控制，其控制函数如表达式(6)所示：

u(t)＝Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td×de(t)/dt] (6)

其中，u(t)为控制输出信号，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间和微分时间，e(t)为控制输入信号，其通过公式(7)进行求取；

e(t)＝r(t)-c(t) (7)

其中，r(t)为给定的电机转速值，c(t)为电机转速的实际输出值。