一种旋翼飞行器飞行自动评分系统设计_黄志勇.pdf

中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-22-航空航天近年以来，无人机被广泛应用于军用和民用领域，如农业、地理测绘、航拍摄影、电力巡检以及军事侦察等。其中，多旋翼无人机因其结构构造简单，比较容易操控等优点深受大众喜爱，尤其是消费级无人机的大规模普及，集航拍摄影于一身的小型旋翼无人机更是走进千家万户。随着旋翼飞行器行业的蓬勃发展，掌握无人旋翼飞行器驾驶技术的人才需求量与日俱增，飞行人才的需求缺口依然很大，如何方便快捷地对无人旋翼飞行器驾驶员的飞行技能进行自动评价是一个重要课题。目前对于直升机和多旋翼的视距内驾驶员实践操作评价一般都是基于 GPS 定位进行的，在 GPS 信号较弱甚至全无的环境如建筑物里（室内）、密集的高耸建筑旁、糟糕的天气环境等，依靠 GPS 定位进行评价的系统通行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种旋翼飞行器飞行自动评分系统设计黄志勇 王 磊 张学东黄志勇（1996），硕士研究生，助理工程师，中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室，研究方向：视觉识别、直升机控制。王磊（1990），男，本科，工程师，中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室，研究方向：直升机总体设计。张学东（1992），硕士研究生，助理工程师，中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室，研究方向：直升机总体设计。图 1 旋翼飞行器飞行自动评分系统工作原理图常工作效果不好，甚至无法工作。因此，本文旨在开发一种基于视觉识别的旋翼飞行器飞行自动评分系统，该系统以评价无人旋翼飞行器驾驶员悬停技巧为基础工作模式，将能在GPS 信号较弱甚至全无的环境依然工作。飞行自动评分系统总体设计方案本文提出一种基于视觉识别的旋翼飞行器飞行自动评分系统总体设计方案，自动评分系统的基础工作模式为驾驶员悬停技能自动评价，工作原理图如图 1 所示，它依靠地面端视觉传感器识别旋翼飞行器端发光 ArUco 码对飞行器进行定位，在飞行评分过程中依靠飞行器位置信息按照既定自动评分规则进行评分，并以声光形式提示飞行器驾驶员视觉识别信息等，最后系统给出相应飞行分数。如图 1 所示，以地面端视觉传感器视野中心为评分中心，划定高度范围 h1h2、水平方向半径范围 0r 的区域为有效区域。当自动评分系统开始工作时，旋翼飞行器驾驶员操作飞行器起飞，尽量使旋翼飞行器以相对较小姿态进入有效区域，并尽量使旋翼飞行器稳定地停留在有效区域内一定时长。自动评分系统将按照旋翼飞行器被识别到进入有效区域起始时间、在规定时间内稳定悬停在有效区域的飞行时间等关键指标进行相应分数计算，并在飞行评分过程及末尾给出声光提示，最终给出本次旋翼飞行器驾驶员的飞行评分分数，初始分数为 0 分，满分为 100 分。飞行自动评分相应参数和规则也可按照实际情况进行合理地更改，本自动评分系统硬件和方案设计上支持一定的可调性。-23-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期航空航天飞行自动评分系统硬件设计与选型旋翼飞行器飞行自动评分系统硬件设备分为地面端设备和天空端设备。地面端设备主要包括地面端控制中心、单目视觉传感器、地面端供电模块、声光提示模块、天空端设备主要包括发光 ArUco 码模块、天空端供电模块。系统主要硬件组成如图 2 所示。地面端控制中心本系统的地面控制中心是整个自动评分系统的决策机构，具有多个通用串行总线接口。它与视觉传感器相连，通过串行总线接收单目视觉传感器捕获的图像数据，然后进行图像处理并进行飞行评分决策。它还通过串口与声光提示模块中的 Arduino Uno 开发板相连，按评分算法中的流程适时给 Arduino Uno 开发板发送信号，使其驱动相应设备给飞行器驾驶员声光提示。视觉传感器本系统采用的视觉传感器单目即可，使用时水平布置在地面上，能对上方景物进行光学成像。它的最高分辨率和对应的最高帧速是 19201200/100fps，对应的图像格式为“MJPG”，亮度、对比度、色调、饱和度、清晰度、白平衡、曝光值等都可调。评分系统中视觉传感器作用是通过它来识别天空端的发光 ArUco 码，对旋翼飞行器进行定位，将旋翼飞行器的位置信息发送给自动评分系统的地面端控制中心，交由控制中心进行下一步的处理。发光 ArUco 码模块本自动评分系统视觉标识使用的是能发光的ArUco码。ArUco 码是一款常用的视觉识别标识，而发光机制能使视觉传感器工作在曝光时间相对短的工作模式中，较短曝光时间从原理上减弱甚至消除运动模糊现象。发光 ArUco 码还能使得视觉传感器由于短曝光时间的原因拥有相对较干净的视野，外部光线对视觉识别 ArUco 码的影响也相对减弱，它是一种表现较好的视觉识别标识。通过加工不透光材料如黑色贴纸形成不透明 ArUco 码图案，并将其贴在发光板上即能形成如图 3 所示的发光 ArUco 码视觉标识。本自动评分系统设计的发光 ArUco 码被固定在旋翼飞行器的底部。声光提示模块本自动评分系统声光提示模块由主要由 Arduino Uno开发板和声光提示盒组成。Arduino Uno 微处理器是一款便捷灵活、方便上手的开源电子平台。它拥有多个不同功能的引脚，能通过串口收发数据。如图 4 所示，声光提示盒提示器件主要是 2 个不同颜色指示灯（一黄一红）和一个蜂鸣器。本声光提示模块中的 Arduino Uno 开发板通过它的串口接收地面端控制中心发送的声光提示信号，然后根据提示信号通过引脚驱动指示灯和蜂鸣器分别在不同情境下对无人旋翼飞行器驾驶员进行声光提示。如图 5 所示为声光提示盒中接线示意图，指示灯和蜂鸣器分别由地面端供电模块通过两个 MOS 管模块进行供电，Arduino Uno 数字引脚接两个 MOS 管模块的 SIG 端，通过 SIG 端驱动灯、蜂鸣器作相应提示。地面端和天空端供电模块本自动评分系统地面端供电模块需要对声光提示模块进行供电，声光提示模块的指示灯和蜂鸣器都是 5V 供电，MOS 管模块的 V+、V-引脚输出电压供给它们。地面电源采用的是一个 3S 锂电池，它的工作电压为 12V 左右，接一个 BEC 使得 12V 电压转换成 5V 电压，再接到 MOS 管模块的 VIN、GND 端。天空端发光板可使用旋翼飞行器的锂电池进行供电。飞行自动评分系统软件设计视觉传感器标定本飞行自动评分系统的关键功能是要通过视觉识别得到旋翼飞行器的位置信息，要想得到旋翼飞行器的三维位置信息，需要提前对所使用的视觉传感器进行标定，得到它的内参矩阵和畸变参数。本文使用 MATLAB 自带的 Camera Calibrator 工具箱进行标定，首先通过视觉传感器采集多张不同角度如图 6所示的棋盘格图像，并将采集到的多张照片导入到 Camera Calibrator 工具箱中，设置好 Option 参数后，MATLAB直接可以计算得到视觉传感器的内参矩阵和畸变参数矩阵，要注意的是视觉传感器的内参矩阵需要进行一次转置。自动评分系统算法设计通过对本文所述的旋翼飞行器飞行自动评分系统的功能图 2 自动评分系统主要硬件组成图 3 发光 ArUco 码标识图 4 声光提示盒中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-24-航空航天需求分析，笔者设计了相应的自动评分系统算法流程，流程示意图如图 7 所示。流程图中有效帧指的是捕获的画面识别到旋翼飞行器三维位置在规定的有效区域内的那一帧。frame_flag 表示有效帧数，初始值为0。Score_frame_i表示第一次有效帧数，指的是在整场飞行自动评分过程中第一次确认当前帧为有效帧时的帧数，初始值为-1。总评分时间指的是整个自动评分流程最长时间，参数可调，如可定为 60s。总满分计分时间指的是流程中设定用来完整评价飞行器本次飞行的时间，参数可调，一般小于总评分时间，如可定为 20s。计分因子是一个设定的可调参数，取值范围为 0.01.0，满分帧数是计分因子、总满分计分时间以及视觉传感器帧率的积。实际计分总帧数指的是从第一次确认当前帧为有效帧开始，到飞行评分实际结束视觉传感器所捕获画面的总帧数。当从第一次确认当前帧为有效帧开始到总评分时间结束的时长小于总满分计时时间时，按照总评分时间结束为飞行自动评分实际结束时间。当从第一次确认当前帧为有效帧开始到总评分时间结束的时长大于或等于总满分计时时间时，从第一次确认当前帧为有效帧到走满总满分时间为飞行自动评分实际结束时间。从自动评分系统开始计时到飞行自动评分实际结束时间为实际计分时间，初始化实际计分时间为总评分时间。实验验证根据旋翼飞行器飞行自动评分系统功能需求，设计并搭图 5 声光提示盒中接线示意图图 6 标定所用棋盘格示意图图 7 自动评分系统算法流程示意图-25-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期航空航天图 8 实验用天空端设备示意图图 9 旋翼飞行器自动飞行评分实验系统示意图图 10 旋翼飞行器一直无法进入到规定的有效区域内时某帧识别示意图灯并响蜂鸣器表示本次飞行评分结束，最终系统给出飞行分数为 0 分。某次实验中当旋翼飞行器在规定的总评分时间内稳定悬停在规定的有效区域时，识别处理后的某帧画面如图11所示，“十字线”为程序标注的视野中心线。如图 12 所示声光提示模块的黄灯亮起表示视觉传感器正在检测到上空规定的有效区域内有旋翼飞行器正在试图悬停。本次飞行结束后，如图 13 所示红灯亮起 3s 并响蜂鸣器表示本次飞行自动评分结束，驾驶员正操纵旋翼飞行器降落。最终系统给出飞行分数为 90.17 分。继续实验，当驾驶员本次飞行较好，符合相应规则时，系统最后也会相应给出 100 分分数，系统各部件工作正常。结语本文设计了一种旋翼飞行器飞行自动评分系统，它依靠视觉识别发光 ArUco 码对旋翼飞行器进行定位，再按照相应评分规则对旋翼飞行器飞行情况进行自动评分，能够在GPS 信号较弱甚至全无的环境中依然工作。旋翼飞行器飞行自动评分实验表明本文设计的系统工作良好，能在一定程度上有效评价出旋翼飞行器驾驶员的飞行技能，能为旋翼飞行器飞行评分系统摆脱对 GPS 信号的依赖提供一种新的思路。图 13 声光提示模块红灯亮起 3s，驾驶员正操纵旋翼飞行器至安全区域降落图 11 识别发光 ArUco 码示意图图 12 声光提示模块黄灯亮起建了实验平台，主要包括地面端设备和天空端设备。实验用天空端设备如图 8 所示，发光 ArUco 码被固定在某多旋翼飞行器底部。为验证此自动评分系统可行性，进行了室内飞行自动评分实验，实验场景如图 9 所示，视觉传感器被固定在水平地面上，旋翼飞行器驾驶员正在操纵飞行器尽量使它悬停在视觉传感器正上方。当旋翼飞行器在规定的总评分时间内一直无法到达规定的有效区域时，表示某帧识别结果的画面如图 10 所示，“十字线”为程序标注的视野中心线。最后声光提示模块亮起红