引 言

本文設(shè)計(jì)的VR 探索飛行器融合了 VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)和小型航拍飛行器，便于操作人員以第一視角遠(yuǎn)距離操控飛行器探查未知領(lǐng)域復(fù)雜環(huán)境，特別是災(zāi)難場(chǎng)所或救援人員前進(jìn)困難的地區(qū)，能夠準(zhǔn)確為救援或其他活動(dòng)提供第一手信息， 相較于第三視角，探索周邊環(huán)境更加全面，具有更好的人機(jī)交互體驗(yàn)[1]。

1 系統(tǒng)介紹

VR 探索飛行器主要包括四個(gè)模塊，即 VR 圖像形成模塊、飛行控制模塊、動(dòng)力模塊和圖像接收/ 處理模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

飛行控制模塊 ：該模塊由飛控 APM 完成，控制四個(gè)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制飛機(jī)姿態(tài)，載有加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)、 羅盤等傳感器。利用 M8NGPS 對(duì)飛行器進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通過 無線遙控器來操作飛行器的基本動(dòng)作（垂直、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏 航、定點(diǎn)、定航運(yùn)動(dòng)）。

動(dòng)力模塊 ：該模塊通過四個(gè)電調(diào)控制無刷電機(jī)為飛行器提供動(dòng)力輸出，包括電子調(diào)速器、無刷電機(jī)和鋰電池。

圖像采集模塊 ：該模塊完成圖像信息的采集及傳輸，包括 700 線高清攝像頭和AV 圖傳發(fā)射接收器TS832。

圖像接收處理模塊 ：該模塊完成圖像接收以及 VR 成像， 包括 UVC 采集卡、安卓系統(tǒng)手機(jī)、口袋APP、150 頻點(diǎn)無線信號(hào)接收器。

2 工作原理

本文研究的四軸飛行器具有自穩(wěn)、體積小、低功耗和定點(diǎn)定高的易控制性 ；搭載 700線高清攝像頭，利用TS832進(jìn)行圖像采集和發(fā)射，手機(jī)端采用 UVC視頻采集卡采集圖像。視頻傳輸可輸出AV信號(hào)，也可通過無線傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，支持智能手機(jī)安卓系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)，將所傳圖像結(jié)合VR技術(shù)， 感受第一視角體驗(yàn)；控制系統(tǒng)使用 APM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制飛行器的姿態(tài)，加上 M8NGPS完成定高定點(diǎn)返航等功能， 傳輸距離遠(yuǎn)且穩(wěn)定，并且通過 OSD將接收的數(shù)據(jù)流（高度、飛行速度、坐標(biāo)等）疊加到圖像上；使用 OTG模塊將 UVC 采集卡連接到手機(jī)端接收?qǐng)D像，在手機(jī)端用口袋APP來處理圖像，最終通過VR眼鏡形成VR圖像，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。VR 探索飛行器硬件組成模塊如圖 2所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

實(shí)現(xiàn)了 VR技術(shù)與飛行器系統(tǒng)的融合?，F(xiàn)階段無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，在娛樂、工業(yè)和軍事等方面都有應(yīng)用，然而市場(chǎng)上的飛行器大多注重開發(fā)功能并提升無人機(jī)性能，卻忽略了人機(jī)交互體驗(yàn) [2]。飛行器的VR沉浸式體感控制系統(tǒng)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備和體感控制系統(tǒng)，可創(chuàng)造更好的人機(jī)交互體驗(yàn)，探查時(shí)更加具體，人的感官可與飛行器拍攝實(shí)時(shí)同步，能清晰地觀察并把握細(xì)節(jié)。

改進(jìn)外形，更好選取拍攝角度。本文改進(jìn)了飛行器外形使其可多角度選取畫面并立體地模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，完美解決了拍攝角度選取困難的問題。新的結(jié)構(gòu)主架使飛行器能更快速地飛行，節(jié)省時(shí)間，避免人力物力資源的浪費(fèi)。使用 VR技術(shù)及新型結(jié)構(gòu)主架，可使飛行器在快速飛行的同時(shí)模擬穩(wěn)定的環(huán)境，做到真正的實(shí)時(shí)同步。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，基于視覺信息與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合導(dǎo)航，能夠解決目前待解決的室外導(dǎo)航難題，不僅提高了飛行器導(dǎo)航的精度，而且增強(qiáng)了導(dǎo)航的可靠性。

通過人機(jī)交互方式擴(kuò)展飛行器應(yīng)用領(lǐng)域。本文將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與飛行器結(jié)合的最主要目的是擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，即災(zāi)難救險(xiǎn)及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。操作人員可使用VR探索飛行器 360

全方位探測(cè)災(zāi)難場(chǎng)所的周邊環(huán)境，第一時(shí)間做出最準(zhǔn)確的判斷， 減少人員傷亡和降低人力資源成本 ；同時(shí)，也可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大面積谷物生長(zhǎng)的情況拍攝，不僅降低了操作難度，提高了工作效率，還大大降低了作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。如果操作人員第一時(shí)間未做出反應(yīng)，也可根據(jù)視頻采集功能進(jìn)行二次查看。

4 結(jié) 語

VR 探索飛行器，除了具備使用普通航拍飛行器的功能外， 還擁有更易操控的特性和圖像傳輸直觀性。因此該系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域和特殊領(lǐng)域都有較大優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用領(lǐng)域 ：使用 VR 體感控制系統(tǒng)的原因在于系統(tǒng)的易操控性，操控者可靈活操控飛行器，又因圖像傳輸?shù)闹庇^性，操控者可擁有更廣闊且逼真的視野，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行的整體掌控。特殊領(lǐng)域 ：對(duì)于一些災(zāi)難救險(xiǎn)工作、氣候環(huán)境惡劣和大面積作業(yè)的研究領(lǐng)域來說，VR 探索飛行器是較好的觀測(cè)工具，且該飛行器易于操控，便于人們使用[3]。同時(shí)，VR 圖像系統(tǒng)還可讓觀測(cè)者更直觀、更清晰地觀測(cè)到研究對(duì)象，能夠針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況第一時(shí)間做出準(zhǔn)確判斷， 制定應(yīng)對(duì)策略，減少人員傷亡并降低勞動(dòng)強(qiáng)度。