CN109597424A - 基于视频图像处理的无人机巡线控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，包括四旋翼无人机平台、视频采集模块、PC机、飞行控制板、无线图像传输模块和无线数据传输设备；四旋翼无人机平台上搭载的视频采集模块采集视频图像，通过无线图像传输模块将图像传送到PC机，利用PC机端的上位机图像处理程序对图像进行处理，获得巡线飞行控制指令，经由无线数据传输设备将指令传送到无人机，作为导航指令输入飞行控制板，对飞行姿态的PD控制误差进行矫正，实现自主巡线飞行控制。本发明可用于电力检修巡线，通过无人机自身装载的数字摄像头以及无线图传系统实现对地面引导物的巡线飞行。

Description

基于视频图像处理的无人机巡线控制系统

技术领域

本发明属于电力检修巡线技术领域，具体是一种基于视频图像处理的无人机自动巡线系统。

背景技术

目前在无人机巡线领域，常见方法有以GPS导航技术为主实现的目标跟踪，也有采用激光测距或红外热像仪的方法进行定位测量。但就目前研究来看，还没有实现小型无人机自主巡线飞行，多数方法的无人机巡线成本较高，而无人机体积较大，在许多环境下不便于飞行检测。做好这个项目可以填补我国在这一项技术上的空白，进一步提高效率，降低成本。

发明内容

为降低无人机巡线成本，减小无人机体积，实现小型无人机自主巡线飞行，本发明利用自身装载的数字摄像头以及无线图传系统进行实时数字图像传输，在地面PC机进行图像分析处理，生成控制指令，再通过无线数传将生成的控制指令传输到无人机，实现无人机对地面标志线的检测与识别，并进行姿态控制，从而实现飞行器的巡线飞行。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，包括四旋翼无人机平台、视频采集模块、PC机、飞行控制板、无线图像传输模块和无线数据传输设备；四旋翼无人机平台上搭载的视频采集模块采集视频图像，通过无线图像传输模块将图像传送到PC机，利用PC机端的上位机图像处理程序对图像进行处理，获得巡线飞行控制指令，经由无线数据传输设备将指令传送到无人机，作为导航指令输入飞行控制板，对飞行姿态的PD控制误差进行矫正，实现自主巡线飞行控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）本发明系统通过对地面线路图像信息的分析计算，实现对四旋翼无人机的飞行控制，进而实现对地面目标的跟踪飞行，有效地解决了GPS导航在特殊地理环境条件下信号差、误差大的缺陷。（2）此系统将视频信息的图像处理放在PC机端，与四旋翼无人机平台进行分离，可以有效降低无人机的体积、重量，实现小型无人机自主巡线飞行，进一步提高效率，降低成本。（3）基于视频图像的导航飞行受外界环境干扰小，结构简单、成本低廉，使其可靠飞行得到保证。

附图说明

图1为本发明总流程图。图中1.摄像机，2.无线图像传输发送设备，3.无线数据传输接收设备，4.锂电池,5.飞行控制板，6.机翼，7.电机，8.声呐，9.无人机云台，10.起落架，11.PC机，12.无线数据传输发送设备，13.无线图像传输接收设备，14.视频采集卡。

图2为本发明四旋翼无人机平台结构图。

图3为本发明PC机地面站连接图。

图4为飞行原理示意图。

具体实施方式

本发明采用基于视觉的四旋翼无人机路径跟踪系统，该系统由四旋翼无人机平台、视频采集模块、PC机、飞行控制板、无线图像传输发送设备、无线图像传输接收设备、视频采集卡、无线数据传输接收设备、无线数据传输发送设备组成。

位于四旋翼无人机上的摄像头采集地面视频图像，所捕捉的视频信息传给四旋翼无人机平台搭载的无线图像传输发送设备，再通过无线图像传输接收设备传回到与PC机相接的视频采集卡，将视频数据输入PC机，并转换成PC机可辨别的数字数据，存储在PC机中，成为可编辑处理的视频数据，利用PC机端的的上位机图像处理程序对图像进行二值化处理，区分出地面有效信息，再由程序判断路径信息以及计算无人机位置与实际路径中心的误差，生成导航指令，通过无线数据传输发送设备发送给无人机搭载的无线数据传输接收设备，作为导航指令输入飞行控制板，再经过无人机对飞行姿态的自动调整，由飞行控制板调节电机转速，实现自主巡线飞行控制。

另外，系统运行时PC机还可向无人机询问实时数据参数，如飞行姿态、控制器参数等。无人机飞行控制板负责无人机姿态控制以及导航命令执行，根据姿态、高度量测以及接收到的路径导航信息设计控制策略，驱动四个电机转动，使得无人机能够按照预定路径平稳飞行。

在动力方面使用体积小、重量轻和能量高的锂电池供电，锂电池体积是相同容量镍氢电池的 70％，重量只有其一半。此外,锂电池还有自放电小,无记忆和环境污染小的优点。故选择锂电池来驱动直流无刷电机 ,作为旋转机翼的动力源。

要实现该项目的预期功能，需要完成以下工作：构建载有摄像机的无人机硬件平台；利用PIX4作为四旋翼无人机飞行控制板，开发飞行控制程序；设计基于数字摄像头、图像无线传输模块、PC机的数字图像处理程序，实现对地面目标的图像识别；设计地面程序分析图像，计算质心偏差，编写巡线飞行控制规则；利用无线图传和数传实现图像的采集和控制数据收发；利用可视化程序开发工具开发地面站，飞行状态信息的实时检测。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

基于视觉的四旋翼无人机路径跟踪系统，该系统由四旋翼无人机平台图2、PC机地面站图3、摄像头1、PC机11、无线图像传输设备2、无线数据传输设备3等模块组成。打开遥控器，插紧电池4，长按位于无人机上的安全开关，待开关指示灯长亮，无人机处于待机状态，遥控器左控制杆打到右下角，解锁无人机，轻推左控制杆进行油门和偏航控制，使无人机起飞，推动遥控器右控制杆，控制无人机横滚和俯仰，将无人机置于目标上方。

位于四旋翼无人机云台9上的摄像机1采集地面视频图像，提取路径信息，通过四旋翼无人机平台搭载无线图像传输发送设备2实时发送给无线图像传输接收设备13，该设备与视频采集卡14相连，然后视频采集卡14将视频数据输入PC机11，转换成PC机11可辨别的数字数据，图像处理程序对图像进行二值化处理，区分出地面有效信息，再由程序判断路径信息以及计算无人机位置与实际路径中心的误差，生成导航指令，通过无线数据传输发送设备12发送给无人机搭载的无线数据传输接收设备3，作为导航指令输入飞行控制板5，再经过无人机对飞行姿态的误差矫正，由飞行控制板5调节电机7转速，实现自主巡线飞行控制，对目标路径进行跟踪飞行。

另外，系统运行时PC机11还可向无人机询问实时数据参数，如飞行姿态、控制器参数等。无人机飞行控制器5负责无人机姿态控制以及导航命令执行，根据姿态、高度以及接收到的路径导航信息设计控制策略，驱动四个电机7转动，进而旋转机翼6转动，使得无人机能够按照预定路径平稳飞行。

实施例2

无人机可设置一键自动定高起飞，降落，也可使用手动起飞。一键自动起飞时，当无人机进入待机状态，遥控解锁无人机后，可将遥控左侧控制开关向上拨动，通过遥控天线向无人机发射信号，控制程序启动自动定高起飞，利用声呐8确定高度，通过程序设置飞行高度，此种情况下左侧控制杆仅控制无人机偏航而无法控制油门大小，利用右侧控制杆控制无人机横滚和俯仰。当飞行到引导线上方后，拨动遥控右侧控制开关，启动自动飞行模式，实现自动巡线。

实施例3

垂直运动：垂直运动相对来说比较容易。在图4中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平稳落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。

俯仰运动：在图4中，电机1 的转速上升，电机3 的转速下降，电机2、电机4 的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力发生改变，旋翼1 与旋翼3 转速改变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转，同理，当电机1 的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕y 轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

横滚运动：在图3中，改变电机2 和电机4 的转速，保持电机1 和电机3 的转速不变，则可使机身绕 x 轴旋转，实现飞行器的滚转运动。

偏航运动：四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的两个旋翼转动方向相同。当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图3中，当电机1 和电机 3 的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3 的转向相反。

前后运动：在图4中，增加电机3转速，使拉力增大，相应减小电机1转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按俯仰运动的理论，飞行器首先发生一定程度的倾侧，从而使旋翼拉力产生水平分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、 y轴的水平运动。

Claims (6)

1.一种基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，其特征在于：包括四旋翼无人机平台、视频采集模块、PC机（11）、飞行控制板（5）、无线图像传输模块和无线数据传输设备；

四旋翼无人机平台上搭载的视频采集模块采集视频图像，通过无线图像传输模块将图像传送到PC机（11），利用PC机（11）端的上位机图像处理程序对图像进行处理，获得巡线飞行控制指令，经由无线数据传输设备将指令传送到无人机，作为导航指令输入飞行控制板（5），对飞行姿态的PD控制误差进行矫正，实现自主巡线飞行控制。

2.根据权利要求1所述的基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，其特征在于：所述视频采集模块包括摄像头和云台，四旋翼无人机平台通过云台结构悬挂摄像头，将摄像头与四旋翼无人机平台隔离，并使摄像头始终与水平面保持平行。

3.根据权利要求1所述的基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，其特征在于：所述无线图像传输模块包括无线图像传输发送设备（2）、无线图像传输接收设备（13）和视频采集卡（14）；其中，视频采集卡（14）和无线图像传输接收设备（13）相连；无人机巡线过程中，摄像头所捕捉的视频信息传给无人机搭载的无线图像传输发送设备（2），发送后，由无线图像传输接收设备（13）传回到与PC机（11）相接的视频采集卡（14），将视频数据输入PC机（11），并转换成PC机（11）可辨别的数字数据存储在PC机（11）中，成为可编辑处理的视频数据，然后进行图像处理，对无人机下一步飞行提供对应控制指令。

4.根据权利要求1所述的基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，其特征在于：所述无线数据传输设备包括无线数据传输接收设备（3）和无线数据传输发送设备（12）。

5.根据权利要求1或4所述的基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，其特征在于：所述上位机对采集到的视频图像信息进行二值化处理，区分出地面有效信息，再由程序判断路径信息并计算无人机位置与实际路径中心的误差，生成导航指令，通过无线数据传输发送设备（12）发送给无人机搭载的无线数据传输接收设备（3），由飞行控制板（5）处理成对电机实际控制的电量后，实现无人机进行自主巡线飞行控制；同时通过上位机实现对无人机的PD控制参数进行实时读取与写入。

6.根据权利要求1所述的基于视频图像处理的无人机巡线控制系统，其特征是：所述飞行姿态由两个闭环控制，位置环和姿态环，采用两组PD控制参数（IN、OUT），当误差方向与速度方向一致时，采用较大的IN参数，当误差方向与速度方向相反时，采用较小的OUT参数。