代政 申劍濤 張堡瑞 張鑫

摘要：本文旨在開發(fā)出一種基于ROS的語音控制及特定目標(biāo)跟隨飛行器。該飛行器可以用語音控制它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且可以根據(jù)指定目標(biāo)的形狀和顏色進(jìn)行智能跟隨[1-2]。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在多個(gè)方面，比如：危險(xiǎn)物品搜索、軍事目標(biāo)檢測(cè)及監(jiān)視和車輛監(jiān)控等方面。

關(guān)鍵詞：飛行器；語音控制；目標(biāo)跟隨；ROS

0引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，無人機(jī)逐漸被應(yīng)用于很多方面。包括航空攝像、高空作業(yè)和礦井勘測(cè)等領(lǐng)域[3-4]，但是目前最主要的還是被用于航空拍攝領(lǐng)域。隨著人們需求的不斷提高，對(duì)無人機(jī)功能的要求也越來越高。一些危險(xiǎn)領(lǐng)域的工作也需要無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

本文開發(fā)一種飛行器可以用語音控制它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且可以根據(jù)指定目標(biāo)的形狀和顏色進(jìn)行智能跟隨。幫助人們解決生活中的難題，提高生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ROS的語音控制及特定目標(biāo)跟隨飛行器的系統(tǒng)框架圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為地面控制系統(tǒng)和飛行器端控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)采用樹莓派為控制核心，內(nèi)部用機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS來運(yùn)行。地面控制系統(tǒng)利用LD3320芯片外接麥克風(fēng)來采集語音信息，將相應(yīng)的控制信號(hào)通過NRF24L01無線傳輸模塊實(shí)時(shí)的傳送到飛行器端，將傳感器信息進(jìn)行融合處理后進(jìn)行姿態(tài)解算，并根據(jù)語音控制信號(hào)要求，以達(dá)到改變飛行器姿態(tài)的目的。飛行器控制端上裝有微型攝像頭來負(fù)責(zé)圖像的采集，并將采集的圖像發(fā)給地面系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)于地面發(fā)送來的語音指令進(jìn)行處理執(zhí)行和對(duì)特定目標(biāo)的分析和匹配來進(jìn)行跟隨。

2 硬件部分

2.1主控器模塊和傳感器模塊設(shè)計(jì)

飛行器端的主控制器選用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6這款處理器，其內(nèi)部采用ARM的32位Cortex-M3內(nèi)核，具有很快的處理速度。四旋翼飛行器在控制的過程中需要實(shí)時(shí)的采集姿態(tài)信息，本設(shè)計(jì)采用了采用六軸運(yùn)動(dòng)組件MPU6050、三軸數(shù)字羅盤HMC5583L傳感器來檢測(cè)四旋翼飛行過程中的姿態(tài)信息。

2.2電機(jī)控制模塊和無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的是空心杯電機(jī)，由于其需要較大的電流才能驅(qū)動(dòng)工作，所以電路中通過四路MOSFET來驅(qū)動(dòng)，然后通過控制PWM的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)采用的無線通信芯片型號(hào)為NRF24L01，是一種功能強(qiáng)大的射頻收發(fā)器，通信距離50米左右，具備自動(dòng)重發(fā)功能。配置后即可利用其進(jìn)行通信。

3 軟件部分

3.1 語音控制端設(shè)計(jì)

語音識(shí)別模塊選用語音處理芯片LD3320。通過先進(jìn)的優(yōu)化算法，無需任何的訓(xùn)練，其就可以完成一定詞匯量的任意人聲的識(shí)別，準(zhǔn)確率高達(dá)95%以上。語音系統(tǒng)可有上述單條指令為一條語句，也可由多條指令共同構(gòu)成一條語句。當(dāng)讀取到“開始”指令后即語句開始，讀取到“結(jié)束”指令為語句的結(jié)束。

3.2 特定目標(biāo)跟隨端設(shè)計(jì)

無人機(jī)通過攝像頭采集到視頻圖像，stm32控制器將視頻通過無線模塊發(fā)送給樹莓派，在樹莓派上進(jìn)行圖像的預(yù)處理。通過中值濾波消除椒鹽噪聲和脈沖噪聲，保護(hù)邊緣等信息。通過高斯平滑濾波濾去圖像中疊加的高頻噪聲，并保留原圖像的特征信息。通過線性灰度變換法將曝光不足或曝光過度的區(qū)域按照線性函數(shù)進(jìn)行拉伸，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，改善圖像的視覺效果。

飛行器端通過氣壓計(jì)傳感器獲得飛行高度，并保持飛行高度不變。地面控制端獲取到跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡后，控制飛行器在水平方向做同步跟隨。

3.3 ROS的移植與實(shí)現(xiàn)

搭建Ubuntu14.04LTS桌面系統(tǒng)；安裝G++、 Python、 GTK2.0等圖像處理依賴項(xiàng)；安裝CUDA、 OpenCV14Tegra、 ROS、 OpenCV2.4.9。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目以四旋翼飛行器為研究對(duì)象，通過語音識(shí)別技術(shù)來控制飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用圖像處理的方法來采集視頻圖像，并將信息發(fā)送到地面系統(tǒng)并在樹莓派顯示屏上顯示出來。通過視頻上人物特征來識(shí)別特定目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)跟隨的目的。本系統(tǒng)可以進(jìn)行擴(kuò)大化，開發(fā)成有利于工業(yè)利用的飛行器，幫助人們解決更多的難題。

參考文獻(xiàn)：

[1]何瑜.四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其姿態(tài)解算和控制算法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[2]左軒塵，韓亮亮，莊杰，石琪琦，黃煒.基于ROS的空間機(jī)器人人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015，12（36）：3371-3375.

[3]劉洪偉.基于單目視覺的移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別與定位[D]；山東大學(xué)，2011.

[4]金紹敏.四軸飛行器的設(shè)計(jì)與算法研究[D].湖北：中南民族大學(xué).2015.

項(xiàng)目基金：文章源自西南科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助 CX17-082