空中机器人系统设计研究

1、 252尖兵之翼一2006中国无人机大会论文集“哨兵”空中机器人系统主要由飞行平台、飞行控制系统、任务系统、数据链、地面监控系统、图像识别系统等部分组成(图1。3飞行平台t哨兵”空中机器人空中飞行l。_j地面站系统l l I系统飞行Il飞控lI任菪l|数据|l图像识lI地面监平台I l系统ll系统|链l I别系统lI控系统经过分析论证,飞行平台总体方案要点如图1“哨兵”空中机器人系统组成下:飞行平台布局:上单翼,前置发动机,双尾撑“n”型尾翼布局。机翼分三段:中间段为矩形翼,外段为梯形翼并带2度上反角。机翼数据:中间段弦长30cm,展向长度80cm;外段根弦长30cm,梢弦长22cm,展向长度

2、80cm;机翼翼展b=2.40m,面积S=0.656m2,几何展弦比4=b2/S=8.78。机身设备舱:截面为一宽lOcm,高12cm的矩形。机身前后根据实际适当修形。设计起飞重量:leo=5kg。设计飞行速度:1,=15m/s。其三面图如图2所示。图2“哨兵”空中机器人飞行平台三面图图3制作完成的“哨兵”空中机器人飞行平台在总体方案的基础上,对飞行平台进行了总体设计与分析,主要考虑了以下几个方面额问题:机翼升力特性设计与分析:翼型选型、升力线斜率分析、焦点位置分析等。平台整体(全机阻力特性分析:零升阻力系数分析、诱导阻力系数分析、升阻比分析等。动力装置设计分析与选型。全机焦点设计与分析。全机

3、重心设计与分析。稳定性设计与分析。操纵性设计与分析。完成总体设计分析之后,进行了飞行平台的结构分析与设计和加工制造。制作完成的“哨兵”空中机器人飞行平台(图3进行了多次试验飞行。试飞过程中,表现出 了良好的稳定性和操纵性,说明对于稳定性和操纵性的计算分析是准确可靠的。飞行平台的设计完 254尖兵之翼一2006中国无人机大会论文集据、航点设置等,并可以实时更改导航系统的航路设置,控制飞机的航向、高度等飞行参数。视频处理部分主要包括三个部分:视频流的获取(丛文件和采集卡两种方式,视频流数据的处理和显示以及GPS数据的获取。接收到的视频图像,一方面进行显示供监控使用,另一方面实时处理,搜索目标并标定

4、位置。这部分与飞行状态监控部分同步接收飞控系统下传的数据,将其中指令和响应信息过滤掉,只取飞机位置、航向、高度、速度等相关数据,与接收到的图像数据进行同步,并在图像上进行标记。搜索并确认目标后,根据目标在图像上的相对位置和飞机航向、高度、位置等数据,结合摄像机、镜头参数,即可较精确地定位目标。 图4GroundPilot地面站系统界面7图像处理系统图像处理系统采用UML的软件开发分析策略,利用Visual C+和Directshow作为开发工具,实现了目标检测、识别和定位系统。在目标分割方面的主要开展了以下三方面工作:第一,充分考虑序列图像的特点,提出采用三层区域链表结构进行运动背景下目标的检

5、测;第二,提出采用粗细分割的策略进行目标的快速提取;第三,提出利用P.tile法和形状相结合的方法实现粗分割;利用OTSU方法进行候选区域的精分割,并充分利用颜色、形状、纹理和运动信息实现后验证,自主实现了运动背景的目标检测。在识别方面,提出利用可变形模板匹配方法,它不仅可以提高目标的识别精度还可以提高识别的鲁棒性,具有较强的抗噪性能。图像处理系统利用8mm的镜头和像机,分别多次对80m、140m和200m三个高度采集的图像大小为320×240进行了白底黑圆和运动汽车的实验,在P43.0G上目标检测和识别的速度在20帧/s 以上,检测率和识别率分别在98%以上,误检率在1%以内。图6

6、(a为80m高度对白底黑圆进行的测试。从图中可以看出,目标的形状信息保持完整,纹理信息很丰富,通过形状和纹理能很好的识别出白底黑圆。图6(b为140m高度对白底黑圆进行了测试。从图中可以看出,由于背景的混淆,目标的形状信息已经丢失,但是通过先粗后精的方法,并且结合运动信息以及目标分布特性可以很好的识别白底黑圆目标。尖兵之翼一2006中国无人机大会论文集255图6(c为200m高度对白底黑圆进行拍摄。方框标注检测结果。 (a80米高度(b140米高度(c200米高度图6目标检测结果图7是在200m高度对运动车辆进行测试的结果。其中蓝色十字表示对运动车辆的检测结果。 图7运动目标检测效果通过15分

7、钟的飞行,在80m、140m和200m对地面的3个白底黑圆进行了测试,检测率分别为98.5%、96.3%和92.5%;误检率分别为0.6%、O.8%和1.2%。结果表明,本子系统提出利用利用三层区域链表结构和粗细分割的策略,。并结合颜色信息,纹理信息,形状信息和运动信息可以很好的对运动背景的目标进行检测和识别;通过利用GPS信息和图像信息能较精确的计算静止目标的经纬度值和运动目标的运动信息。8系统集成的电磁兼容问题的处理验证飞行初期,系统集成的“哨兵”空中机器人系统出现了较严重的电磁干扰问题,主要出现在微波天线、GPS天线和饲服机构之间。主要表现出来的特征是:地面准备时,GPS无法定位,或定位

8、时间太长。自主飞行状态下,GPS接收卫星信号中断,导致AP50无法工作,飞机失控。舵机的输入信号受到干扰,产生跳舵现象。飞行平台在空中出现抖动,姿态及航线控制困难。分析出现电磁干扰的主要原因是:由于机体空间有限,设备布置的可调整度小。AP.50要求布置重心附近;重心通过设备的布置进行调整,所以电池舱、摄像头等离AP.50较近;原则上微波天线和GPS天线的应尽可能远离,但是留给两者布置空间并不多。根据试飞暴露出来的问题,采取如下措施: 尖兵之翼一中国无人机大会论文集 重新调整设备布局，寻求天线和微波天线的最佳位置，将天线前移，微波天线后移。 采用金属包覆来屏蔽干扰信号。 用金属板反射微波天线的向

9、上发射信号，在天线侧面及底部采取同样措施。 舵机信号输入使用带磁环的过滤延长线，以过滤干扰杂波。其中，磁环尽可能靠近舵机。 通过采取这些措施，机载设备的干扰问题得到有效解决。 结论 “枭龙杯”中国空中机器人大赛于年月日日在成都举行，西北工业大学组 队参加了旋翼飞行器、固定翼飞行器的全部比赛。“哨兵”空中机器人参加了固定翼飞行器组比 赛，表现不凡，获固定翼公斤级亚军、飞行器系统设计一等奖的优异成绩，受到专家的好评。 与参赛的其它一些无人机系统相比，“哨兵”的优势显而易见：首先，“哨兵”搭载的任务系统 重量甚至超过了有些堍级别的飞行平台，这说明，“哨兵”的飞行效率很有优势，有能力搭载高 性能的任务系统，可以给地面站提供高质量的视频。其次，“哨兵”具有良好的稳定性和操作性。它 可以很好的保持速度、高度和航线，稳定的飞行姿态还确保了图像采集和视频传输系统完全发挥其 功能。第三，“哨兵”的使用和维护十分方便，比赛中，三次起落完成了所有项目（矩形航线的保持 和固定目标、移动目标以及人群的识别定位）而且用时最短。 空中机器人是航空航天领域和智能控制领域交叉产生的一项新技术，涉及到空气动力学、自动 导航、自主飞行、数据通信、图像识别、接收地面站等方面的知识，在技术方面具有相当的创新性、 前瞻性和潜在实用性。空中机