CN109218962A - 一种基于微型无人机的室内电磁分布3d测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统和方法。双目摄像机安装在室内空间中，双目摄像机的镜头视野覆盖完整室内空间，双目摄像机和测控平台连接；控制微型无人机在室内空间飞行并遍历各个位置，通过电磁信号强度检测模块对空间电磁辐射强度检测并发送至测控平台；同时双目摄像机拍摄微型无人机上发光光源的图像并发送测控平台；测控平台根据双目摄像机拍摄的图像计算三维坐标位置信息，并与空间电磁辐射强度数据映射，通过色彩和空间位置组合描绘三维空间电磁信号强度信息显示输出。本发明能够便捷和低成本的获取电磁信号强度分布3D图，结果显示准确、直观，可广泛应用于室内无线信号优化和电磁污染评估等应用场合。

Description

一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统和方法
技术领域
本发明涉及一种室内电磁分布测量系统和方法，尤其是涉及一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统和方法。
背景技术
随着科技的发展，多种多样的电子产品和物联网设备使人们的变得更加丰富多彩，尤其是以智能家居为代表的物联网设备和以智能手机为代表的智能物联终端。在物联网终端趋向于无线化的时代，无线路由器扮演着不可或缺的重要角色，它对于家中的各种智能终端来说，是与外界网络连接的门户。虽然无线网络技术的发展使各种智能设备逐渐摆脱了有线网络的束缚，但是覆盖范围毕竟有限，而且在周围电磁环境较为复杂的情况下，无线信号的强度常常达不到理想的效果。
影响室内无线网络质量的因素主要有以下几点：首先是路由器的摆放位置，由于目前大部分路由器采用全方位天线设计，因此对于直立摆放的天线，会形成以天线为中心的信号覆盖面，四周信号最强，天线上下效果最弱，因此为实现更大范围的无线网络覆盖，摆放无线路由器的时候需保证让信号覆盖的面积以天线为中心达到最大化覆盖面积；次之，过厚的墙体会导致无线网络信号成倍的衰减，由于无线网络信号的频率很高，因此当信号穿过墙体、玻璃以及其他物体时会造成信号的极大衰减；再者是周围无线信号的干扰，在使用WiFi的环境中，当使用微波炉、无线鼠标和键盘等无线设备时，也会对WiFi无线信号产生干扰。
为达到理想的入网效果，使家中的各种无线入网设备网络质量最优化，一个最直接有效的方法就是根据室内的无线网络信号的强度分布信息来安排无线入网设备的位置。因此如何得到室内无线网络信号的强度分布信息，成为了解决室内入网设备网络质量提升和入网优化的关键。
其次，随着人们生活中各种带有电磁辐射设备的增多，电磁辐射正日渐称为危害人体健康的一大因素。人体生命活动中包含一系列的生物电活动，这些生物电对环境的电磁波非常敏感，例如过量地电磁辐射会直接影响儿童地骨骼和组织发育、视力下降、肝脏造血功能下降；会造成孕妇畸胎、流产等严重后果。如何有效地检测和评估电磁污染程度也渐渐成为人们生活中关注的热点。
已有的室内电磁信号强度测量方法主要是单点测量，每次只能得到室内单个空间点处的信号强度，由于室内电磁信号强度的分布是时变的，而且单点测量是较为粗略的测量，无法准确、全面、直观地表征室内整个空间内的电磁分布情况，因此这种传统的方法对室内无线网络设备入网的优化以及电磁辐射强度评估所能提供的参考价值较为有限。
发明内容
针对背景技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统和方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一、一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统：
系统包括搭载电磁信号强度检测模块和发光光源的微型无人机、双目摄像机和测控平台；双目摄像机安装在室内空间中，双目摄像机的镜头视野覆盖完整室内空间，双目摄像机和测控平台连接；控制微型无人机在室内空间飞行并遍历无障碍室内空间的各个位置，通过搭载在微型无人机上的电磁信号强度检测模块对室内空间中各个位置的空间电磁辐射强度进行检测，并将空间电磁辐射强度数据无线发送至测控平台；同时双目摄像机拍摄微型无人机上发光光源的图像并将拍摄图像发送至与双目摄像机相连的测控平台；测控平台根据双目摄像机拍摄的图像计算微型无人机在室内空间的三维坐标位置信息，并与同时接收到的空间电磁辐射强度数据映射，通过色彩和空间位置组合描绘三维空间电磁信号强度信息显示输出。
所述的微型无人机底部固定有刚性悬挂杆，刚性悬挂杆下端固定安装发光光源，所述的微型无人机顶部安装电磁信号强度检测模块。
所述的发光光源光强足够以使双目摄像机易于识别，发光光源通过长度可调的刚性悬挂杆悬挂于无人机正下方，刚性悬挂杆的长度由微型无人机的尺寸和双目摄像机所处位置决定，要求在微型无人机对室内最低平面飞行时，双目摄像机总是能够拍到发光光源。
所述的电磁信号强度检测模块包括电磁辐射功率检测天线、电磁信号强度检测电路、无线收发电路和数据收发天线；电磁辐射功率检测天线依次经电磁信号强度检测电路、无线收发电路后和数据收发天线连接，电磁辐射功率检测天线接收室内空间中所在位置特定频率的空间电磁信号并发送到电磁信号强度检测电路，通过电磁信号强度检测电路检测获得空间电磁信号的空间电磁辐射强度数据，将空间电磁辐射强度数据通过无线收发电路发送到数据收发天线，由数据收发天线发送至测控平台进行处理。
所述的测控平台包括数据收发模块、数据处理模块和显示输出模块；数据收发模块经数据处理模块和显示输出模块连接，数据收发模块通过有线和无线的方式分别接收来自双目摄像机的图像和来自电磁信号强度检测模块测得的空间电磁辐射强度数据，数据处理模块通过内部算法计算获得微型无人机实时位置的三维坐标，并将空间电磁辐射强度数据的电磁辐射功率值与三维坐标相映射，并转换为三维坐标与色彩映射，显示输出室内电磁分布3D图。
所述的双目摄像机置于室内无遮挡位置，要求视角能够覆盖整个室内空间，通过有线方式与测控平台进行连接，向测控平台发送所拍摄的包含无人机空间位置信息的图像。
二、一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量方法：
控制微型无人机沿直线在室内空间飞行并遍历无障碍室内空间的各个位置，通过搭载在微型无人机上的电磁信号强度检测模块对室内空间中各个位置的特定频率的空间电磁辐射强度进行检测，并将空间电磁辐射强度数据无线发送至测控平台；同时双目摄像机拍摄微型无人机上发光光源的图像并将拍摄图像发送至与双目摄像机相连的测控平台；测控平台根据双目摄像机拍摄的图像计算微型无人机在室内空间的三维坐标位置信息，并与同时接收到的空间电磁辐射强度数据映射，通过色彩和空间位置组合描绘三维空间电磁信号强度信息，显示输出室内电磁分布3D图。
在每一段直线的飞行路径上，当微型无人机飞行速度达到预定值时，发光光源会被点亮，具体实施中每一段直线的飞行路径重复遍历多次并由测控平台进行取平均值和平滑处理以提高测量结果的稳定度与精确度。
通过双目摄像机拍摄的微型无人机上发光光源的图像计算处理获得微型无人机在室内空间的三维坐标位置信息，具体为：
首先，进行图像处理获得图像中的发光光源位置，作为目标点；
如图6所示，图6为双目摄像机获取图像中目标点深度信息的原理图。
接着，建立三维坐标系，X和Y分别为沿图像成像面的横向方向和纵向方向，Z垂直于图像成像面，
然后，采用以下公式表示的标点在两个摄像头成像上横坐标的差异与目标点到成像面的距离Z成反比例关系计算获得目标点到成像面的距离Z，作为三维坐标系的Z方向坐标：
Z＝fT/d
d＝|Xl-Xr|
其中，f表示焦距，T为双目摄像机中两个摄像机中心间距，d表示视差，Xl为双目摄像机中左摄像头成像目标点的横向坐标位置，Xr为双目摄像机中右摄像头成像目标点的横向坐标位置；
最后，求得目标点到成像面的距离Z后，采用以下公式计算得到微型无人机在三维坐标系的X方向坐标和Y方向坐标：
X＝ZXl/f
Y＝ZYl/f
其中，Xl为双目摄像机中左摄像头成像目标点的横向坐标位置，Yl为双目摄像机中左摄像头成像目标点的纵向坐标位置。
本发明具有的有益效果是：
本发明不同于传统的单点电磁信号强度测量，它通过遍历室内空间的方式获得各个点处的电磁强度数值，利用光学定位的方式得到每个点的位置，然后通过色彩映射直观地将电磁信号强度分布的3D图直观地展现出来，表达地更为具体、更为全面。
不同于传统的单点电磁信号强度测量装置，本发明所用的测量系统中的各个模块的成本较低，可以实现低成本地测量室内电磁分布情况，具有很高地性价比。可应用于室内无线覆盖优化和电磁污染检测评估等场合。
附图说明
图1是本发明的系统整体结构示意图。
图2是本发明中微型无人机的结构示意图。
图3是本发明中电磁信号强度检测模块内部电路连接示意图。
图4是本发明中测控平台的结构示意图。
图5是系统对室内电磁分布进行测量的流程图。
图6是双目摄像机获取目标点深度信息的原理图。
图中：1、微型无人机，2、数据收发天线，3、双目摄像机，4、测控平台，5、电磁信号强度检测模块，6、刚性悬挂杆，7、飞行平台，8、发光光源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，本发明具体实施包括搭载电磁信号强度检测模块5和发光光源8的微型无人机1、双目摄像机3和测控平台4；双目摄像机3安装在室内空间中，双目摄像机3的镜头视野覆盖完整室内空间，双目摄像机3和测控平台4连接；控制微型无人机1在室内空间飞行并遍历无障碍室内空间的各个位置，通过搭载在微型无人机1上的电磁信号强度检测模块对室内空间中各个位置的特定频率的空间电磁辐射强度进行检测，并将空间电磁辐射强度数据无线发送至测控平台4；同时双目摄像机3拍摄微型无人机1上发光光源3的图像并将拍摄图像发送至与双目摄像机3相连的测控平台4；测控平台4根据双目摄像机3拍摄的图像计算微型无人机1在室内空间的三维坐标位置信息，并与同时接收到的空间电磁辐射强度数据映射，通过色彩和空间位置组合描绘三维空间电磁信号强度信息显示输出。
微型无人机1底部固定有刚性悬挂杆6，刚性悬挂杆6下端固定安装发光光源8，微型无人机1顶部安装电磁信号强度检测模块5，微型无人机1设置有飞行平台7。
发光光源8采用低电压供电的轻质高亮灯泡，刚性悬挂杆采用长度可调的轻质塑料棒，无人机采用旋翼间距为20cm小尺寸的微型无人机，其升力能够搭载ESP8266和STM32模块、轻质塑料棒以及轻质高亮灯泡，可通过433MHz频段的控制信号控制其飞行轨迹。刚性悬挂杆6的长度由微型无人机1尺寸和双目摄像机3摆放的高度决定；当微型无人机1位于最低平面且离双目摄像机3最近的时候，调节轻质塑料棒的长度，使发光光源8出现在摄像机的视野中。双目摄像机3采用分辨率为一百万像素的广角双目摄像机，可以极大地减小室内空间的探测盲区。
电磁信号强度检测模块5包括电磁辐射功率检测天线、电磁信号强度检测电路、无线收发电路和数据收发天线；电磁辐射功率检测天线依次经电磁信号强度检测电路、无线收发电路后和数据收发天线连接，电磁辐射功率检测天线接收室内空间中所在位置特定频率的空间电磁信号并发送到电磁信号强度检测电路，通过电磁信号强度检测电路检测获得空间电磁信号的空间电磁辐射强度数据，将空间电磁辐射强度数据通过无线收发电路发送到数据收发天线，由数据收发天线发送至测控平台4进行处理。
电磁信号强度检测模块5以AD8318芯片为核心，ESP8266连接室内WiFi，并将其内部的RSSI参数通过串口形式发送至STM32单片机，无线收发电路可直接采用ESP8266内置的射频天线。
测控平台4包括数据收发模块、数据处理模块和显示输出模块；数据收发模块经数据处理模块和显示输出模块连接，数据收发模块通过有线和无线的方式分别接收来自双目摄像机3的图像和来自电磁信号强度检测模块5测得的空间电磁辐射强度数据，数据处理模块通过内部算法计算获得微型无人机1实时位置的三维坐标，并将空间电磁辐射强度数据的电磁辐射功率值与三维坐标相映射，并转换为三维坐标与色彩映射，显示输出室内电磁分布3D图。
测控平台可用计算机实现。将计算机以无线方式连接至与ESP8266同一局域网下，通过ping命令的方式向ESP8266模块询问所测得的电磁信号强度参数RSSI；与此同时，计算机将接收到的来自双目摄像机的图像通过内部基于计算机视觉的定位算法计算出无人机相对于双目摄像机的空间坐标。
本发明的实施工作过程是：
1)控制微型无人机1沿直线在室内空间飞行并遍历无障碍室内空间的各个位置，通过搭载在微型无人机1上的电磁信号强度检测模块对室内空间中各个位置的特定频率的空间电磁辐射强度进行检测，并将空间电磁辐射强度数据无线发送至测控平台4；
2)同时双目摄像机3拍摄微型无人机1上发光光源3的图像并将拍摄图像发送至与双目摄像机3相连的测控平台4。
在每一段直线的飞行路径上，当微型无人机1飞行速度达到预定值时，发光光源会被点亮，具体实施中每一段直线的飞行路径重复遍历多次并由测控平台进行取平均值和平滑处理以提高测量结果的稳定度与精确度。
测控平台4根据双目摄像机3拍摄的图像计算微型无人机1在室内空间的三维坐标位置信息，具体为：
首先，进行图像处理获得图像中的发光光源位置，作为目标点；
如图6所示，图6为双目摄像机获取图像中目标点深度信息的原理图。
接着，建立三维坐标系，X和Y分别为沿图像成像面的横向方向和纵向方向，Z垂直于图像成像面，
然后，采用以下公式计算获得目标点到成像面的距离Z，作为三维坐标系的Z方向坐标：
Z＝fT/d
d＝|Xl-Xr|
其中，f表示焦距，T为双目摄像机3中两个摄像机中心间距，d表示视差，Xl为双目摄像机3中左摄像头成像目标点的横向坐标位置，Xr为双目摄像机3中右摄像头成像目标点的横向坐标位置；
焦距f的量纲单位是像素点，两个摄像机中心间距T的单位是毫米，两者皆为双目摄像机的固有参数，为已知量；视差d的数值从双目摄像机所拍摄的图像中得到，由此得到目标点的深度信息Z。
最后，求得目标点到成像面的距离Z后，采用以下公式计算得到微型无人机1在三维坐标系的X方向坐标和Y方向坐标：
X＝ZXl/f
Y＝ZYl/f
其中，Xl为双目摄像机3中左摄像头成像目标点的横向坐标位置，Yl为双目摄像机3中左摄像头成像目标点的纵向坐标位置。
3)测控平台4将三维坐标位置信息与同时接收到的空间电磁辐射强度数据映射，通过色彩和空间位置组合描绘三维空间电磁信号强度信息，显示输出室内电磁分布3D图。
计算得到无人机的空间坐标后，将坐标与RSSI相关联，即将三维坐标与RSSI值保存成四维数组a。在进行坐标与色彩的映射前，先将电磁信号强度划分为若干区间，每一区间对应不同的颜色代号；将保存的四维数组中RSSI值替换成RSSI值所在区间对应的颜色代号，得到包含坐标与色彩信息的新的四维数组b，利用matplotlib软件工具中的三维彩色散点图绘制函数scatter()绘制得到电磁信号强度分布的3D图。最后送至计算机的显示窗口中，完成室内电磁信号强度分布3D图的显示。

Claims (6)

1.一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统，其特征在于：包括搭载电磁信号强度检测模块(5)和发光光源(8)的微型无人机(1)、双目摄像机(3)和测控平台(4)；双目摄像机(3)安装在室内空间中，双目摄像机(3)的镜头视野覆盖完整室内空间，双目摄像机(3)和测控平台(4)连接；控制微型无人机(1)在室内空间飞行并遍历无障碍室内空间的各个位置，通过搭载在微型无人机(1)上的电磁信号强度检测模块对室内空间中各个位置的空间电磁辐射强度进行检测，并将空间电磁辐射强度数据无线发送至测控平台(4)；同时双目摄像机(3)拍摄微型无人机(1)上发光光源(3)的图像并将拍摄图像发送至与双目摄像机(3)相连的测控平台(4)；测控平台(4)根据双目摄像机(3)拍摄的图像计算微型无人机(1)在室内空间的三维坐标位置信息，并与同时接收到的空间电磁辐射强度数据映射，通过色彩和空间位置组合描绘三维空间电磁信号强度信息显示输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统，其特征在于：所述的微型无人机(1)底部固定有刚性悬挂杆(6)，刚性悬挂杆(6)下端固定安装发光光源(8)，所述的微型无人机(1)顶部安装电磁信号强度检测模块(5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统，其特征在于：所述的电磁信号强度检测模块(5)包括电磁辐射功率检测天线、电磁信号强度检测电路、无线收发电路和数据收发天线；电磁辐射功率检测天线依次经电磁信号强度检测电路、无线收发电路后和数据收发天线连接，电磁辐射功率检测天线接收室内空间中所在位置特定频率的空间电磁信号并发送到电磁信号强度检测电路，通过电磁信号强度检测电路检测获得空间电磁信号的空间电磁辐射强度数据，将空间电磁辐射强度数据通过无线收发电路发送到数据收发天线，由数据收发天线发送至测控平台(4)进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量系统，其特征在于：所述的测控平台(4)包括数据收发模块、数据处理模块和显示输出模块；数据收发模块经数据处理模块和显示输出模块连接，数据收发模块通过有线和无线的方式分别接收来自双目摄像机(3)的图像和来自电磁信号强度检测模块(5)测得的空间电磁辐射强度数据，数据处理模块计算获得微型无人机(1)实时位置的三维坐标，并将空间电磁辐射强度数据的电磁辐射功率值与三维坐标相映射，并转换为三维坐标与色彩映射，显示输出室内电磁分布3D图。
5.根据权利要求1所述的一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量方法，其特征在于：控制微型无人机(1)沿直线在室内空间飞行并遍历无障碍室内空间的各个位置，通过搭载在微型无人机(1)上的电磁信号强度检测模块对室内空间中各个位置的空间电磁辐射强度进行检测，并将空间电磁辐射强度数据无线发送至测控平台(4)；同时双目摄像机(3)拍摄微型无人机(1)上发光光源(3)的图像并将拍摄图像发送至与双目摄像机(3)相连的测控平台(4)；测控平台(4)根据双目摄像机(3)拍摄的图像计算微型无人机(1)在室内空间的三维坐标位置信息，并与同时接收到的空间电磁辐射强度数据映射，通过色彩和空间位置组合描绘三维空间电磁信号强度信息，显示输出室内电磁分布3D图。
6.根据权利要求5所述的一种基于微型无人机的室内电磁分布3D测量方法，其特征在于：通过双目摄像机(3)拍摄的微型无人机(1)上发光光源(3)的图像计算处理获得微型无人机(1)在室内空间的三维坐标位置信息，具体为：
首先，进行图像处理获得图像中的发光光源位置，作为目标点；
接着，建立三维坐标系，X和Y分别为沿图像成像面的横向方向和纵向方向，Z垂直于图像成像面；
然后，采用以下公式计算获得目标点到成像面的距离Z，作为三维坐标系的Z方向坐标：
Z＝fT/d
d＝|Xl-Xr|
其中，f表示焦距，T为双目摄像机(3)中两个摄像机中心间距，d表示视差，Xl为双目摄像机(3)中左摄像头成像目标点的横向坐标位置，Xr为双目摄像机(3)中右摄像头成像目标点的横向坐标位置；
最后，求得目标点到成像面的距离Z后，采用以下公式计算得到微型无人机(1)在三维坐标系的X方向坐标和Y方向坐标：
X＝ZXl/f
Y＝ZYl/f
其中，Xl为双目摄像机(3)中左摄像头成像目标点的横向坐标位置，Yl为双目摄像机(3)中左摄像头成像目标点的纵向坐标位置。
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