摘要： 四轴飞行器,又称四旋翼直升机、四旋翼飞行器。它是一种多旋翼的新型飞行器。其十字形的特殊布局通过改变电机转速从而获得旋转机身的力,进而调整飞行器自身的姿态。因为飞行器本身固有一定的复杂性,历史上从未普及过大型的商用四轴飞行器。自从进入20世纪以来，电子技术的飞速发展使得四轴飞行器的体积开始走向小型化，并融入了人工智能技术。四轴飞行器不但实现了直升机垂直升降的功能，同时也在一定程度上降低了飞行器在机械结构上的设计难度，这给四轴飞行器的发展带来了新的转机。小型的四轴飞行器可实现自由悬停和在空间上进行自由移动,具有非常大的灵活性。此外,它结构简单,机械结构稳定，使其在商业领域有着很大的潜在价值，本课题就是基于四轴飞行器进行远程视频图传的技术研究，为使四轴飞行器的应用拥有更多可行性。
关键词：四轴飞行器；图像处理；视频无线传输
1.前言
与固定翼飞行器相比，旋翼型飞行器具有垂直起降的能力，且运动状态灵活。在国外，对四轴飞行器有多种叫法，如Quadcopter、X4-Flyer、Four-rotor等。
由于结构的对称性，四旋翼飞行器在操控性和机械机构方面具有很多潜在的优势。如图所示。旋翼2、4沿着逆时针方向旋转，旋翼1、3沿着顺时针方向旋转，旋翼的扭矩会相互抵消，自动平衡。而传统直升机都是采用加一个尾翼来平衡尾翼产生的扭矩，这个尾翼对向上的无任何作用力，使能量没有得到最大限度利用。此外，由于四旋翼飞行器的旋翼更小，转速更高，使其在飞行效率上更高；旋翼机同时可以减少旋翼碰撞周围建筑物的概率，使得飞行器在飞行中更加安全。在实际应用方面，四轴飞行器可以在复杂、危险的环境中执行特定的飞行任务，也可用于交通，环境的监测等。例如，将甲烷等有害气体的检测装置可安装在四旋翼飞行器上，在高空定点可以检测有害气体浓度。另外，四旋翼机还可进入辐射区进行核设施的检查，进行军事侦察，甚至搬运材料以及搭建房屋等。本设计利用四轴飞行器搭载视频图传模块实现视频远程传输任务。
2.四轴飞行器姿态调整算法研究
近年来，由于航拍、监控、军事等领域的大量需要，四轴飞行器得到了较大的发展，可由于四轴飞行器具有非线性、不稳定以及运动不可测性等特点，其姿态信息的检测显得极为重要和棘手。通过对四轴飞行器的姿态分析，本课题提出了一个可行方案，设计了一个姿态检测调节系统。
在四轴飞行器中，姿态角是极其重要的控制参数，姿态角直接关系到飞行器姿态的控制精度。本系统采用stm32系列单片机作为主控芯片，MPU6050传感器用于姿态信息的初步检测，经过数据的分析、处理得到机体的姿态，通过上位机进行姿态显示。控制系统都是模块化处理，结构清晰明了。传感器与主控芯片之间的数据通信，采用硬件I2C总线的方式进行传输，使用互补滤波算法将从三轴角速度和三轴加速度传感器获得的数据进行数据融合，从而得到三个姿态角（翻滚角、偏航角与俯仰角）。数据采集则采用互补滤波算法，以便得到更精确的姿态角数值。
基于stm32单片机的姿态检测调节系统，实际上就是能够为用户实时提供飞行器姿态信息的微型惯性检测系统，姿态检测模块由三轴加速度和三轴陀螺仪传感器组成，为用户提供飞行器的加速度和角速度数据等信息，这些实时数据经处理器姿态解算后即可获得飞行器的姿态角。姿态检测系统是由stm32单片机及其外围电路组成，stm32作为整个姿态检测系统的核心，其主要功能是通过I/O口将传感器MPU6050中加速度计和陀螺仪以及数字罗盘HMC5883L得到的数据，通过硬件接口I2C总线采集获得，然后主控芯片上进行换算，滤波，姿态解算，最终得到四轴飞行器的3个姿态角–翻滚角（roll）、俯仰角（pitch）、偏航角(yaw).如图：
MPU6050是集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪的传感器。其中，三轴陀螺仪传感器部分输出的是无符号的16位二进制数据，然后经过算法处理后可计算出角速度。同样，三轴加速度计输出的也是无符号16位二进制数据，同三轴陀螺仪一样可得出加速度。数字磁罗盘HMC5883L主要是通过微机械器件的姿态检测系统提供导航角，通过磁偏角的补偿，从而得到四轴飞行器的实际航向角。
姿态检测系统模块上电运行后，MPU6050传感器开始进行数据信息的采集。由于MPU6050的数据格式为16位无符号的整型数据，数据大小范围为-32768~32768，负数的十六进制范围8000~FFFF，正数的范围为0~7FFF。所采集到的陀螺仪数据和加速度数据可根据程序中设置好的量程进行标度转换，进而得到比较直观的数据；而数字罗盘HMC58883L的数据是以16位二进制补码的形式输出，因此，要先得到其原码，同时将传感器的数据进行校正，最后再将经滤波算法处理后的数据送给处理器进行处理。
由于传感器与处理器之间的数据通信方式是硬件I2C总线的形式，处理器采用的是stm32是32位单片机，只能接受数据格式为32位的数据，MPU6050对陀螺仪和加速度计分别采用了3个16位的ADC模数转换器，数字罗盘HMC58883也是16位的数据，二者输出的数据格式都是16位的无符号数据形式，所以将数据接收到后还需要额外进行处理，在处理器上进行数据合成。系统上电初始化后，将姿态采集模块实时采集到的三轴加速度数据和角速度数据经硬件I2C总线传输给处理器，处理器依据互补滤波更新算法将得到的实时数据进行数据捏合，从而得到实时的姿态角。系统工作程序流程图如下所示。
3.图像处理技术研究
随着并行处理技术的快速发展,并行计算技术正不断应用于除了科学计算领域之外的众多工程领域,比如图像处理、遥感技术、流体力学、生物识别等等。其中,图像并行处理技术更是在传统的图像处理领域中发挥着越来越重要的作用，有着很大的潜在应用价值。然而，并行处理技术在图像处理方面的发展也面临着诸多挑战。其中，主要的挑战之一就是如何提高并解决实际复杂问题的能力,像图像处理中复杂问题的求解方法和处理速度是否能高速化等等。并行处理技术在大多数图像工程中所能发挥多少效益取决于实际应用的复杂性以及应用部门对系统价格的要求和承受能力。本基于四轴飞行器平台的图像技术研究课题就是针对实际应用中的图像处理,通过修改串行算法的结构、改变计算问题的模式、利用现有的可用资源对其进行加速和优化,提高其执行效率,最大限度减少计算的耗时。
随着计算机科学技术的发展，有种图像处理是以机器作为对象，其目的是使机器能够自动识别目标，这种技术就是图像识别技术，这其中势必会牵涉到一些复杂的模式识别的理论。总而言之，数字图像处理主要包括以下几方面的内容。
（1）图像的增强和复原
其目的是为了提高图像的质量、去除干扰噪声、提高图像的清晰度等等。该技术主要是突出图像中感兴趣的部分，比如强化图像高频分量，使图像中的物体轮廓更加清晰，细节更明显等等。而强化图像低频分量，可减少图像中干扰噪声的影响。图像复原则需了解图像降质的各种因素，根据降质过程建立降质模型，然后选用一种滤波算法，恢复或重建出原来的图像。
（2）图像的时域-频域变换
图像变换就是通过时域和频域的变换找到图像中的特征，再加以变换的过程。傅立叶变换是最基础的图像变换技术。在傅立叶变换的基础上又有沃尔什—哈达玛变换、离散余弦变换和小波变换等等。
（3）几何处理
该技术主要有图像的坐标转换，图像的移动、放大、旋转、缩小，多个图像的配准以及图像扭曲校正等。几何处理是最常见的图像处理手段之一，几乎所有图像处理软件都提供了最基本的图像缩放功能。
（4）图像编码
图像编码属于信息论中信源编码的范畴，其主要的思想是利用图像信号的统计特性和人类视觉特性对图像进行高效地数字编码，从而达到压缩图像的目的。图像编码已有60多年的历史。目前，国际上已经制定了多种编码标准，如JEPG、MEPG、H.261等。
（5）图像分析及理解
图像分析及理解是图像处理技术的发展和深入，也是人工智能和模式识别的一个重要分支。在图像分析和理解中主要分成有图像的描述以及图像的分类识别。其中，图像分类识别属于模式识别的范畴，其主要内容是图像经过增强、复原、压缩处理后，进行图像分割和特征提取，从而进行图像的分类判别 。
（6）图像形态学的处理
图像形态学是数学形态学的延伸，是一门独立的研究科学。利用图像学处理技术，可以实现图像的腐蚀、细化及分割等效果。一般图像分割技术有图像边缘检测、区域分割。
图像处理部分直接使用商家提供的配套模块与设备，若深入研究还需另行讨论，将视频通信模块搭载在四轴飞行器上，从而实现远程视频图像的传输。
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