任夢(mèng)潔, 郭佳暉

(陸軍軍官學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031)

小型攻擊型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任夢(mèng)潔, 郭佳暉

(陸軍軍官學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031)

針對(duì)目前攻擊型無(wú)人機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)響應(yīng)速度慢、難以支援戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)的現(xiàn)狀，提出了小型攻擊型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可由單兵攜帶，基于四旋翼的高穩(wěn)定性，能適應(yīng)各種作戰(zhàn)條件，結(jié)合圖像處理技術(shù)，可以幫助士兵分析戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)，快速識(shí)別敵方單位并發(fā)起攻擊，滿足了信息化條件下士兵的作戰(zhàn)需求，為陸軍戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)的作戰(zhàn)手段打開(kāi)了更廣闊的空間。

無(wú)人機(jī)； 單兵作戰(zhàn)； 圖像處理； 察打一體化

0 引言

目前，我國(guó)的無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，陸軍部隊(duì)大都配備了各類功能的無(wú)人機(jī)，以配合地面部隊(duì)的作戰(zhàn)行動(dòng),其中多以固定翼無(wú)人機(jī)為主，其準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，戰(zhàn)場(chǎng)響應(yīng)慢，難以根據(jù)戰(zhàn)局需要及時(shí)支援戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)作戰(zhàn)，對(duì)“時(shí)敏目標(biāo)”缺乏打擊能力。因此，陸軍急需一種成本低廉、操作簡(jiǎn)單、可配備到連排一級(jí)并能快速部署的便攜式攻擊型無(wú)人機(jī)。

針對(duì)這個(gè)需求，提出了小型攻擊型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了四旋翼技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和通信技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)偵察與打擊任務(wù)，大大提高了士兵的超視距作戰(zhàn)與偵察能力。士兵可以通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)圖像，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)做出正確的決策，同時(shí)基于圖像處理技術(shù)，還可以幫助士兵對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析，識(shí)別出敵方單位，只需士兵確認(rèn)目標(biāo)后，無(wú)人機(jī)便能自行發(fā)起攻擊，這種“人在回路”的控制在方便士兵作戰(zhàn)的同時(shí)可以極大地減少誤傷友軍的概率[1-2]。

1 方案總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)由四旋翼飛行器和地面控制站組成。四旋翼飛行器作為機(jī)載平臺(tái)，搭載了飛控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)以及無(wú)線傳輸系統(tǒng)。其中，飛控系統(tǒng)負(fù)責(zé)四旋翼飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定與航線規(guī)劃；火控系統(tǒng)可以根據(jù)地面站的遙控指令完成目標(biāo)的瞄準(zhǔn)與模擬導(dǎo)彈的發(fā)射，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)和精準(zhǔn)打擊;無(wú)線傳輸系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線電實(shí)現(xiàn)機(jī)載平臺(tái)與地面控制站之間的通信。

地面控制站主要由加固筆記本電腦組成，負(fù)責(zé)戰(zhàn)場(chǎng)圖像信息的處理與四旋翼無(wú)人機(jī)的控制。圖1是該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈框圖。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈框圖Fig.1 Block diagram of system data link

1.2 系統(tǒng)工作過(guò)程

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，該無(wú)人機(jī)可由單兵攜帶，當(dāng)需要對(duì)前方區(qū)域進(jìn)行偵察而又不方便前行時(shí)，士兵可以通過(guò)地面站指引無(wú)人機(jī)飛往目標(biāo)區(qū)域，無(wú)人機(jī)可以將攝像頭采集的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸給地面站進(jìn)行處理，一旦地面站匹配到既定目標(biāo)，便會(huì)將其鎖定，士兵確認(rèn)目標(biāo)后，火控系統(tǒng)就會(huì)控制炮射云臺(tái)瞄準(zhǔn)目標(biāo)并實(shí)施攻擊，如果有遺漏目標(biāo)，士兵也可手動(dòng)發(fā)射武器完成打擊任務(wù)。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 機(jī)載平臺(tái)

為適應(yīng)在森林、密集街區(qū)等復(fù)雜地形的作戰(zhàn)需要，本系統(tǒng)選用在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)飛行狀態(tài)下具有優(yōu)勢(shì)的四旋翼無(wú)人機(jī)作為機(jī)載平臺(tái)。如圖2所示，無(wú)人機(jī)軸距0.41 m，最大載重量為3 kg，續(xù)航時(shí)間約為20 min，最大巡航速度為54 km/h，具有自主飛行與垂直起降的功能[3]。無(wú)人機(jī)采用折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，折疊后無(wú)人機(jī)尺寸只有50 mm×35 mm×20 mm，便于單兵攜帶，進(jìn)一步提高了該無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)響應(yīng)速度。

圖2 小型偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)Fig.2 Small reconnaissance and strike integrated UAV

2.2 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)主要包括飛行處理器、慣性測(cè)量單元、氣壓計(jì)和GPS模塊等幾部分。

飛行處理器采用STM32F427作為主控制器[4]， 并用STM32F103作為協(xié)助處理器。當(dāng)主控STM32F427因出現(xiàn)故障而死機(jī)時(shí)，STM32F103可以迅速接管飛行控制，以保證無(wú)人機(jī)的飛行安全，不至于墜毀，這種雙控制器冗余設(shè)計(jì)極大地提高了空中飛行的安全性。

慣性測(cè)量單元采用集加速度計(jì)與地磁傳感器于一體的LSM303芯片和低功耗三軸陀螺儀芯片L3GD20H。這兩款芯片均可以采用I2C總線與處理器進(jìn)行通信，速度可達(dá)400 kHz，工作溫度范圍在-40 ℃～+85 ℃之間，完全可以滿足姿態(tài)測(cè)量的需求。

2.3 火控系統(tǒng)

火控系統(tǒng)由火控電路板和炮射云臺(tái)組成，如圖3所示。

圖3 火控系統(tǒng)Fig.3 Fire control system

火控電路板以STC89C52RC芯片[5]作為處理器。STC89C52RC是一款基于51核的8位單片機(jī)，其可靠性較高，可以完成數(shù)據(jù)處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制繼電器的工作,主要用于接收地面站的控制指令，根據(jù)指令控制炮射云臺(tái)、瞄準(zhǔn)目標(biāo)并發(fā)射武器。

炮射云臺(tái)采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制炮臺(tái)的俯仰角與方位角，在水平方向上可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，在俯仰方向上可以實(shí)現(xiàn)0°～90°旋轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)階段采用模擬火箭來(lái)代替武器，模擬火箭射程100 m，不具備殺傷能力。該系統(tǒng)可以根據(jù)未來(lái)作戰(zhàn)需要，裝備小型槍械、煙霧彈和麻醉槍等武器，完成精確殺傷有生力量的任務(wù)。

2.4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用匯豐HC-12模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，將地面站處理的結(jié)果通過(guò)無(wú)線鏈路傳輸給火控系統(tǒng)。該模塊的工作頻率范圍433.4～473.0 MHz，空閑電流為16 mA,最大發(fā)射功率可達(dá)100 mW，最大傳輸距離可達(dá)1000 m，利用串口與處理器進(jìn)行通信，使用簡(jiǎn)單并且高效可靠[6]。

圖像的傳輸采用歐姆威5.8g模擬圖傳模塊，傳輸距離3 km左右，共有32個(gè)頻點(diǎn)可調(diào)，具有抗干擾能力強(qiáng)、發(fā)熱量少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 地面控制站

地面控制站[7]處理器為Intel Corei 5-2400，主頻為3.10 GHz，內(nèi)存為4.0 GB，主要有4個(gè)功能：1) 將采集到的視頻圖像實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上，獲取直觀的戰(zhàn)場(chǎng)信息；2) 利用目標(biāo)識(shí)別技術(shù)對(duì)傳回的圖像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)識(shí)別出戰(zhàn)場(chǎng)上需要攻擊的目標(biāo)；3) 將人作為控制回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)人機(jī)交互；4) 對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制。

3 圖像算法

圖像算法的具體流程如圖4所示，由飛控算法控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行巡航飛行，通過(guò)攝像頭不斷實(shí)時(shí)采集幀圖像，發(fā)送到地面站，并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行灰度化、圖像增強(qiáng)、圖像濾波、圖像二值化等預(yù)處理，然后進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，若在圖像中識(shí)別到目標(biāo)，則地面站向火控系統(tǒng)發(fā)送指令，包括進(jìn)行攻擊和目標(biāo)方位等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)打擊。

圖4 圖像處理算法流程Fig.4 Flow chart of image processing algorithm

本系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)識(shí)別方法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求較高，因此選擇適用性和匹配能力比較強(qiáng)的SIFT算法。雖然SIFT算法對(duì)于旋轉(zhuǎn)、縮放以及亮度變化保持不變性，但由于其產(chǎn)生的SIFT特征維數(shù)比較大，因而造成算法復(fù)雜度高、計(jì)算量大，難以滿足實(shí)時(shí)性的要求;同時(shí)，SIFT特征點(diǎn)匹配包含了大量的誤匹配，因此其精度仍需提高?；诖颂岢隽烁倪M(jìn)的SIFT特征圖像匹配算法[8]。主要改進(jìn)措施分為兩類。

1) 減小匹配時(shí)間。針對(duì)特征向量維數(shù)過(guò)高的問(wèn)題，采用新的方法生成SIFT特征描述符[9]，降低特征向量維數(shù)至64維，針對(duì)匹配公式計(jì)算量大的問(wèn)題，采用協(xié)方差和反余弦函數(shù)代替歐氏距離描述兩個(gè)特征點(diǎn)之間的距離，從而減小了匹配時(shí)間。

2) 提高匹配精度。采用雙向匹配思想，并結(jié)合RANSAC一致性檢測(cè)算法消除錯(cuò)配[10-11]，進(jìn)一步提高SIFT算法的匹配精度，從而滿足了無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性，搭建了四旋翼機(jī)載平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線鏈路將無(wú)人機(jī)和地面控制站連接起來(lái)，并在操場(chǎng)設(shè)置了假目標(biāo)，利用地面站控制無(wú)人機(jī)對(duì)操場(chǎng)進(jìn)行搜索與偵察。一旦目標(biāo)進(jìn)入視野，地面站便能快速識(shí)別并鎖定目標(biāo)，確認(rèn)目標(biāo)后，火控系統(tǒng)控制炮射云臺(tái)迅速瞄準(zhǔn)目標(biāo)，對(duì)其發(fā)起攻擊并命中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了飛行器飛控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)和目標(biāo)識(shí)別方法設(shè)計(jì)的可靠性。實(shí)驗(yàn)效果如圖5和圖6所示。

圖5 目標(biāo)識(shí)別瞬間Fig.5 The moment of target recognition

圖6 火力打擊瞬間Fig.6 The moment of fire attacking

5 結(jié)束語(yǔ)

本文創(chuàng)新性地將四旋翼無(wú)人機(jī)作為武器平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)垂直起降與自主飛行，具有方便攜帶、戰(zhàn)場(chǎng)響應(yīng)速度快以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，利用地面站對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別并鎖定敵方單位，輔助士兵作戰(zhàn)，提高了士兵的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力，為戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)偵察與打擊“時(shí)敏目標(biāo)”提供了有效手段，在信息化作戰(zhàn)條件下具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 岳基隆,張慶杰,朱華勇.微小型四旋翼無(wú)人機(jī)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J].電光與控制,2010,17(10):46-52.

[2] 汪沛,羅錫文,周志艷,等.基于微小型無(wú)人機(jī)的遙感信息獲取關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(18):1-12.

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DesignofaSmallAttackingQuad-RotorUAVSystem

REN Meng-jie, GUO Jia-hui

(Laboratory of Guidance Control and Information Perception Technology of High Overload Projectiles,Army Officer Academy of PLA,Hefei 230031,China)

The attacking UAVs have slow response speed in the battlefield and have difficulty to support the tactical unit.To solve the problem,a small attacking quad-rotor UAV system is proposed.The system can be carried by one soldier,which is adaptive to a variety of operational conditions owing to the high stability of the four rotors.Combined with image processing technologies,the system can help soldiers analyze the battlefield situations,quickly identify enemy units and finally launch attacks.The system can meet the operational requirements of army soldiers under the modern operational conditions,and provide more possible operational methods for army’s tactical units.

UAV; individual combat; image processing; reconnaissance and strike integration

任夢(mèng)潔，郭佳暉.小型攻擊型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電光與控制，2017，24( 11) : 88-90，99.REN M J，GUO J H.Design of a small attacking quad-rotor UAV system[J].Electronics Optics & Control，2017，24( 11) : 88-90，99．

2016-12-08

2017-01-08

“十二五”裝備預(yù)研基金重點(diǎn)項(xiàng)目(9140A05030213JB910 13)

任夢(mèng)潔(1993 —),女，陜西華陰人，碩士生，研究方向?yàn)槟繕?biāo)探測(cè)與毀傷評(píng)估。

TP391.4

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.11.018