作者 劉歡¹，張順²，鄒亞男³，張曉利⁴(指導教師)(1.內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院電子信息工程，內(nèi)蒙古 包頭 014000;2-4.內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院自動化，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

　　摘要：本文介紹了一種基于旋翼無人機的交通、場地標示線繪制與維護的系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠根據(jù)預設信息實現(xiàn)標示線的繪制，并且能夠檢測標示線的損耗與有效性來判斷何時進行智能維護。這套系統(tǒng)在常規(guī)無人機上搭建了基于Open CV的視覺模塊、噴料箱以及可更換噴頭無刷水泵。視覺模塊識別到標志物后將信號傳送給Cortex-M4核的XMC4700處理器，XMC4700根據(jù)預設指令將標志物的位置信息與無人機對比，匹配合適的路徑，然后將飛行指令傳送給N3飛行控制系統(tǒng)。無人機隨著標志物位置的改變而改變，從而完成標示線的繪制。維護模式下，放出無人機，無人機識別道路標示線循跡飛行，通過標示線與周圍環(huán)境對比度的不同判斷標示線的磨損情況，從而判斷是否需要修補或重新繪制。

　　關鍵詞：多旋翼;無人機;標示線;自主劃線;噴繪

　　*2017-2018年度“英飛凌杯”全國高校無人機創(chuàng)新設計應用大賽全國總決賽二等獎

　　引言

　　多翼飛行器具有體積小、重量輕、靈活度高、穩(wěn)定性強的特點，適用多種空間場所，隨著無人機市場和技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)在無人機的作業(yè)精度和抗干擾能力已經(jīng)能執(zhí)行各種復雜環(huán)境的特種任務，減少了人工作業(yè)的勞動強度和時間，節(jié)約了成本，提高了作業(yè)效率。

　　基于多旋翼無人機的標識線繪制與維護系統(tǒng)能夠根據(jù)預設參考點移動作業(yè)，或者將一些像籃球場、足球場等需要大量繪制的標準場地信息寫入無人機程序內(nèi)，快速完成特定標示線的繪制。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，公路增長極為迅速，因此公路車道的劃線工作十分繁重。目前，國內(nèi)普遍采用人工劃線，工作速度慢，勞動強度大，已不能滿足當前形勢發(fā)展的需要。所以，基于多旋翼無人機的標識線繪制與維護系統(tǒng)也是高等級公路養(yǎng)護機械中急需開發(fā)的產(chǎn)品之一?；谶@種背景，本項目通過無人機噴射的方式完成標示線繪制的工作

　　1 無人機整體結構

　　無人機的整體模型如圖1所示，配置如圖2所示，以基于Cortex-M4內(nèi)核的英飛凌工業(yè)級單片機XMC4700為主控系統(tǒng)，飛行姿態(tài)的控制采用擁有API接口的大疆N3飛行控制系統(tǒng)。飛行動力方面使用了IRMCF183電調(diào)板和朗宇2212 KV880無刷電機，來保證飛行動力和負載能力的充足。為保證無人機作業(yè)精度和飛行的穩(wěn)定性，除了N3飛行控制系統(tǒng)自帶的雙冗余MCU以外，本項目還采用DPS310高精度氣壓計來進一步精確控制飛行高度。對于一些復雜路況下的作業(yè)任務，我們需要考慮一些障礙物的規(guī)避情況，對此采用了英飛凌公司的厘米級精度的測距雷達，以保證對于障礙物的及時規(guī)避。基于多旋翼無人機的標識線繪制與維護系統(tǒng)的核心在于圖像信息的的識別與采集，我們采用了基于Open CV的邊緣識別與灰度對比技術，完成對標志物距離的檢測，從而將無人機精準地引導到噴繪位置執(zhí)行噴繪操作。為了保證噴繪質(zhì)量，我們采用無刷電機水泵作為噴頭動力來源，通過XMC4700控制器的PWM控制通道控制IRMCF183電調(diào)板，進而達到精確控制電機轉速和噴頭速度，我們還將搭配可更換噴頭用來適應不同的噴繪任務。

　　2 避障與報警

　　飛行器配備高精度雷達模塊，具備定高和避障的功能。在滿足工作條件的情況下，雷達模塊與測高模塊的組合可預測飛行器距離前方、后方的高度，使飛行器在執(zhí)行噴繪作業(yè)時保持與作業(yè)面的相對高度不變，進行仿地飛行，以確保噴頭噴繪的均勻性。同時，雷達模塊可檢測最遠30 m處的障礙物，并進行避障，保障作業(yè)安全。雷達功能默認開啟，避障功能在所有作業(yè)模式下均可使用。

　　2.1 避障功能使用

　　避障功能的使用分為以下兩種場景：飛行器距離障礙物較遠時，將會在距離5 m處時才開始減速，直至距離障礙物約2.5 m處懸停。飛行器距離障礙物較近時，將會立即緊急剎車至懸停。

　　2.2 警報

　　當噴料箱中噴料或剩余電量到警告值時，無人機將中斷作業(yè)并返航，根據(jù)需要設置為就地降落或者降落至記錄點。

　　無人機噴料箱報警時，啟用補給程序返回補給點補給，完成補給任務后無人機返回任務中斷處繼續(xù)作業(yè)。

　　2.3 補給點

　　返回補給點可通過主控的消耗報警設置或者撥動返航按鍵啟動，返航時遙控器不能進行其他操作。

　　2.4 強制退出

　　為了應對失控或者外物入侵的情況，我們設立了強制退出按鈕，一旦出現(xiàn)突發(fā)狀況可以直接強制停轉螺旋槳，犧牲無人機來避免更大的損失。

　　3 工作模式與工作流程圖

　　3.1 環(huán)境信息收集作業(yè)模式

　　將無人機工作模式設置到智能飛行模式，通過電腦設置環(huán)境信息收集模式，選擇開闊或者封閉模式，然后調(diào)整場地粗略參數(shù)，封閉模式下，直接放出無人機，無人機沿任意方向飛至邊緣處(如墻體)然后沿邊緣飛行并記錄飛行數(shù)據(jù)，開闊模式下根據(jù)調(diào)整后的作業(yè)半徑，無人機將在飛至作業(yè)半徑處進行螺旋向內(nèi)飛行，收集環(huán)境信息。

　　無人機將收集到的環(huán)境信息通過無線模塊傳輸至電腦，然后進行場景數(shù)據(jù)的處理，最后在場景上顯示出施工場地的測量參數(shù)。

　　3.2 預設參數(shù)噴繪作業(yè)模式

　　通過無人機反饋的場地數(shù)據(jù)進行工程設計，設計規(guī)劃好噴繪作業(yè)任務后，將圖案參數(shù)輸入給PC端軟件，軟件里進行參數(shù)對比，將后期規(guī)劃的場地與前期的收集場地信息對比，確認無誤后，將無人機工作模式設置到智能飛行模式，以執(zhí)行噴繪任務，無人機飛行至任務起始點開始噴繪。如果電量和剩余噴料量到達警戒值后啟用補給程序，會在下一個噴繪斷點處終止作業(yè)，返回補給點補給;如果沒有斷點處將繼續(xù)進行噴繪任務，直至到達二級警報點直接返回。完成補給任務后，無人機返回任務中斷處繼續(xù)作業(yè)，直至完成噴繪任務。

　　無人機在進行噴繪任務時，會通過視覺模塊檢查噴繪質(zhì)量，通過調(diào)整飛行速度、噴頭速率、飛行高度來提高噴繪質(zhì)量。

　　3.3 智能尋跡飛行噴繪作業(yè)模式

　　讓無人機收集一段施工場景的信息，反饋至電腦端，用戶自行選擇合適的標志物(如路牙石)之后設定無人機與參考物的距離、工作范圍，然后將參數(shù)指令傳送給無人機，將無人機工作模式設置到智能飛行模式執(zhí)行噴繪任務，無人機飛行至任務起始點開始噴繪，如果電量和剩余噴料量到達警戒值后啟用補給程序，會在下一個噴繪斷點處終止作業(yè)返回補給點補給，如果沒有斷點處將繼續(xù)進行噴繪任務直至到達二級警報點直接返回。完成補給任務后無人機返回任務中斷處繼續(xù)作業(yè)直至完成噴繪任務。無人機將一直巡線飛行噴繪，直至完成工作區(qū)間的飛行噴繪任務。

　　3.4 全手動噴繪作業(yè)模式

　　全手動噴繪模式下沒有自動避障功能，所以需要一定的無人機飛行技巧才能夠進行作業(yè)，此模式下會有噴料剩余量與電量剩余提示，在電量二級警戒值時無人機將自動原地降落(不建議使用到二級警戒值)?？梢酝ㄟ^手動操作無人機進行無人機的飛行運動，同時通過噴口控制開關和噴頭速率旋鈕來進行控制噴繪作業(yè)。

　　4 賽后感言

　　經(jīng)歷了一年的比賽在2018年8月1日畫上了句號，這篇文章也算是我們對所做項目的一個總結。2017年9月，因機緣巧合加入了這場比賽，以前從來沒有接觸過無人機的我們在拿到英飛凌公司提供的器件時可謂是一臉茫然，做什么?怎么做?腦子里產(chǎn)生了一連串的問號，各種百度、各種玩家DIY經(jīng)驗，都被我們當作是一本教科書。慢慢熟悉，點滴進步，有道是“失敗是成功之母”，在炸機無數(shù)次、無數(shù)次試飛失敗、無數(shù)次改正后，功夫不負有心人，一步步從初賽、復賽，邁入了決賽的大門。在這期間非常感謝英飛凌公司的各種幫助，如果沒有英飛凌工程師的傾心相助，也許我們會走更多的彎路。心存希望，幸福就會降臨你;心存夢想，機遇就會籠罩你;心存感恩，貴人就會青睞你。

　　參考文獻

　　[1]Rafael C.Gonzalez. Digital Image Processing (2nd Edition),2003.

　　[2]OpenCV-Python官方教程中文版,2014.

　　[3]新版道路交通標志和標線實用手冊.

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第71頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處