1、无人机在多传感器的数据融合和校园防火应用董作峰 李想 吴蔚摘要：无人机作为一种高新技术领域的热门研究项目，吸引着全球各行各业的目光。首先，需要明确无人机的内部结构及相关参数;同时，传感器是它的工作重心，而单一的传感器的作用有限，多传感器相互补充，共同发挥作用已成为主流;目前无人机应用的难点在于多传感器协同工作时的数据信息融合。本文主要介绍飞行中坐标转化和数据融合理论及图像探测，最后介绍了在校园防火方面的应用，在安防方面有重要影响。关键词：坐标转化;数据信息融合;图像探测中图分类号：TP319文献标识码：A1 无人机的组成部分、相关传感器数据及坐标转化1.1 组成部分无人机主要由飞机机架、飞行控
2、制系统（简称“飞控系统”）、动力系统、遥控器、遥控信号接收器、相机探测设备构成。（1）机架：机架的两个重要参数是重量和轴距。分为机身和起落架两部分。选材优选复合材料，高强度，刚性强。螺旋桨和电机决定了机架的尺寸。桨翼越长，电机越大，机架也越大。如图 1 所示。（2）飞控系统：飞控系统是整个无人机的重点，是无人机的“心脏”。飞控系统主要由陀螺仪、加速度计、惯性测量单元（IMU）、气压计、磁力计（电子罗盘）、GPS、载波相位差分技术（RTK）及其他多种传感器组成。（3）动力系统：无人机的动力系统由螺旋桨、无刷电机、电调、电池组成。无人机通过浆翼产生反作用力推动机体运行，系统内的电调控制器来控制电机
3、的转速。（4）遥控器：通过其来实现对无人机的控制。（5）遥控信号接收器：让飞控系统去接受操作者发出的信号。（6）云台相机：相机一般通过云台（Gimbal）装在无人机上，能满足相机的 3个自由度：绕 X、Y、Z 轴旋转，轴心安装电机，配合陀螺仪，避免像素的损失。惯性模块由 MPU6050（陀螺仪、加速度计）、HMC5883L（磁力计）组成。选用的气压高度计为 MS5611。采用的光流传感器为 PX4LOW。选用的气压高度计为MS5611。1.2 相关传感器加速度计：不仅决定各方向加速力，还能决定倾斜角度，还可以检测所受震动。加速度计传感器的数据是关键的输入。磁罗盘：为无人机飞行提供方向数据。能够
4、侦测设备在 X、Y、Z 各轴向所承受磁场的数据。为了获得正确的方向，磁性数据还需要加速度计提供倾斜角度数据。气压计：根据大气压力计算高度，协助无人机导航。1.3 相关系统及数据转化（1）GPS 导航系统：GPS 可以提供精度、纬度及高度 3 组数据。在进行导航计算时我们需要把 3 个参数转换成 ECEF 坐标系下，然后再转换成 NED 坐标系下。其中，N 为曲率半径，相关信息如图 2 所示。（2）IMU 慣性导航系统：在飞行控制过程中，加速度计与陀螺仪获得无人机加速度和角速度信息，进而估测位置、姿态、速度等数据。（3）AHRS 航姿参考系统：提供航向、横滚和侧翻等姿态信息。内部采用的多传感器数
5、据融合进行的航姿解算单元为卡尔曼滤波器。2 多传感器的数据融合在传感器方面，多传感器相互配合可以互相弥补缺点，增强各个方面的应用能力，提高可信度和容错率。在数据精度上，无人机的多传感器能得到多个数据，结合所有数据能够得到更加精确的测量结果;同时考虑工作原理等因素来确保数据发挥作用。此外，也需要格外注意姿态精度和高度精度的时效性。多传感器数据融合的常用方法分为随机和人工智能两大类：随机类方法有加权平均法、卡尔曼滤波法、贝叶斯估计法2、D-S 证据推理3、产生式规则等4;而人工智能类则有模糊逻辑理论5、神经网络6、专家系统7等。多传感器信息融合系统的结构模型：（1）集中式融合结构（损失少，互关难）
6、。（2）分布式融合结构（局部独立）。（3）混合式融合结构（成本高）。（4）多级式融合结构（综合）。2.1 卡尔曼加权法的高度融合2.2 异类传感器协同探测无人机电子侦察设备结合 CCD 相机协同工作，可以实现对目标区域进行侦察并且发送收集到的数据。电子侦察设备可以搜索、截获、识别、定位和分析空中辐射的电磁能量。同时应电力线路安全巡检需要，设计了集成光学、红外、紫外、激光扫描等传感器为一体的设备。（1）可见光相机：对地表情况进行监测。（2）红外检测设备：通过红外线反馈的信息对温度进行采集。（3）紫外检测设备：通过紫外线的吸收量来检测。（4）空间扫描设备：通过 AD 和 DA 进行信号处理。3 关
7、于校园防火系统的无人机近几年我国高校频繁发生火灾事件，造成了巨大的经济损失，作为培养人才的地方，保证正常的秩序和学习环境是非常必要的。因此校园火灾问题尤为重要。3.1 功能概况对无人机进行编程导航自主飞行，对校园进行特定方式的自动扫描，主要利用无人机的气敏传感器、温度传感器及成像和扫描设备等，实现对事故的初步判断。一旦超过指定数据，立即触发警报。同时，传输 GPS 图像，便于相关人员及时判断，减少误差;无人机搭载水箱，及时应对紧急情况，操作水箱，减少损失。3.2 长时间作业延长续航时间9是完成任务的有利条件，下面介绍 3 种方式：（1）最优化设定固定轨迹，既可以保证无人机尽可能多的长时作业，又
8、可以降低成本。（2）选用优化的无人机，如续航时间长达 270 min 的 HYDrone-1800。（3）实现无线充电10。无线充电站主要由电动停机坪、充电舱舱门和无线充电舱 3 部分组成。通过光耦继电器模块控制系统的照明。无线充电舱内的发射模块和线圈，配合无人机上的挂载电路实现无人机的无线充电（STM32F407VET6芯片，ESP8266 WiFi 模块，DS18B20 温度传感器，无线充电模块）。3.3 避障系统（1）几种典型的障碍物模型：旋翼无人机包围盒模型，建筑包圍盒模型，树木包围盒模型，路灯等公共设施包围盒模型，禁飞区、限飞区等包围盒模型。（2）模拟飞行环境的栅格模型及高度模型。对
9、包括图书馆、勤学楼、致学楼、餐厅、停车场等在内的区域进行建模。用黑色栅格方块表示该栅格存在障碍物，白色栅格方块表示浅栅格中不存在障碍物。（3）由于准确测量飞行环境中障碍物高度工作任务复杂且意义并不大，所以本文将采用估计值对障碍物进行高度估计，假定每层楼高 3 米，每棵树高 4 米，路灯高 6 米，假设校园中不存在禁飞区、限飞区等。假定障碍物密集区域为连续且高度均匀的整体。（4）基于 A*算法11设计出规避路径，设置不同的高度路径代价比例值，实现不同的规避路径。（5）通过机体内部自检模块，及时检查故障12。4 结语在未来，无人机多传感器技术在安防方面会越来越受欢迎。深入研究无人机飞行期间需要的相
10、关系统及坐标转化，会更好理解无人机的工作状态，并对故障做出正确的判断和处理，多传感器数据融合的卡尔曼加权法是目前主要的融合方法。将多传感器联合处理技术应用到实际，对各种传感器实施应用，发挥各自作用，形成一个完整的安防无人机体系，提出了校园防火的实用模型，为以后深入研究做出了铺垫。参考文献1 周红坤.小型无人机多传感器组合导航系统设计与实现J.电子科技，2016，29（8）：10-13.2 董广忠.基于贝叶斯方法的微电网系统状态估计与优化控制研究D.合肥：中国科学技术大学，2018.3 杨军佳，时银水，王学青.基于区间数及 DS 证据理论的多传感器航迹关联方法J.电光与控制，2019，26（5）
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