专家解析：

东南大学 胡仁杰老师—寻找机器人（B题）交流及2020年模拟邀请赛介绍

GPT-4o给出的设计方案：

一、硬件设计

1. 飞行器

• 机型选择：使用稳定性高的四旋翼飞行器，建议选择 DJI Phantom 系列或者相似等级的无人机。
• 重量和负载能力：确保无人机能够携带附加的传感器、相机以及激光模块，系统总重量不足以影响飞行性能。

2. 安装组件

• 传感器模块：需安装以下传感器：
  • 摄像头：高分辨率 RGB 摄像头，用于条形码和二维码识别。
  • 激光雷达（LiDAR）：用于精准距离测量和障碍物检测。
• 控制模块：
  • 主控制板：集成飞控模块，能够处理飞行状态数据及传感器采集数据。
  • 电源模块：确保电源稳定供应，电池续航时间需满足任务要求。
• 导航模块：
  • GPS 模块：实现精准定位。
  • 光流传感器：用于低速稳定飞行时的姿态控制。

3. 激光模块

• 激光光源：高亮度红色或绿色激光光源。
• 安装位置：安装在无人机底部，保持垂直地面投射。

二、软件设计

1. 导航与控制算法

• 航迹规划：基于 GPS 信号和导线轨迹数据，规划无人机飞行路径。飞行路径包括起点杆 A、终点杆 B 之间的巡线任务。
  • 实现 1 米高巡线，并且返回至机库。
• 飞行控制：利用 PID 控制算法实现无人机稳定飞行，包括保持高度、速度和航向。

2. 图像处理与识别

• 条形码和二维码识别：
  • 使用 OpenCV 库进行图像处理，提取并识别条形码及二维码信息。
  • 识别结果进行数据存储和传输。
• 图像对比度增强：通过算法提升图像对比度，实现更高精度的识别。

3. 数据通信

• 无线通信模块：使用 4G/5G 模块或者 Wi-Fi 模块，实现与地面站的数据通信。
• 数据存储：将识别和检测数据存储在本地 SD 卡，同时实时传输至地面站。

三、测试与校准

1. 系统整体测试

• 飞行稳定性测试：确保无人机在 30cm 高度巡线飞行时的稳定性，飞行过程中不偏离轨迹。
• 传感器校准：对摄像头、激光雷达和激光模块进行详细校准，包括焦距调整和角度调整，确保数据精准。

2. 应对异常

• 断电保护：安装安全电源模块，遇到断电或紧急情况，无人机会自动返航。
• 障碍物应对：配置即时障碍物检测和回避算法，遇到障碍物时能够采取规避动作。

四、维护与升级

• 定期维护：对无人机硬件进行定期检查和维护，确保各模块正常运行。
• 软件升级：保持软件版本的更新，确保操作系统和附加算法始终处于最佳状态。

上述方案旨在全面满足项目要求的同时，确保系统的稳定性和可靠性。希望这个设计方案能为你的项目提供有价值的参考。

以下是涉及到的几个关键算法的实现思路和代码示例，从飞行控制、图像处理、条码识别到数据通信等。

1. 飞行控制算法

为了实现无人机的飞行控制，常用的算法是 PID 控制算法。下面是一个简单的 PID 控制算法的 C++ 示例代码。

class PID {
public:
    PID(float kp, float ki, float kd) : kp_(kp), ki_(ki), kd_(kd) {}

    float compute(float setpoint, float measured_value) {
        float error = setpoint - measured_value;
        float derivative = (error - previous_error_);
        integral_ += error;

        float output = kp_ * error + ki_ * integral_ + kd_ * derivative;
        previous_error_ = error;

        return output;
    }

private:
    float kp_, ki_, kd_;
    float previous_error_ = 0;
    float integral_ = 0;
};

// 使用示例
PID altitude_pid(1.0, 0.5, 0.3);

2. 图像处理与条形码识别

使用 OpenCV 库进行图像处理和条形码识别。以下是在嵌入式系统中使用 OpenCV 进行条形码识别的 C++ 代码示例。

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <opencv2/imgcodecs.hpp>
#include <opencv2/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc.hpp>
#include <zbar.h>

using namespace cv;
using namespace zbar;

// 图片预处理函数
Mat preprocessImage(Mat &src) {
    Mat gray, binarized;
    cvtColor(src, gray, COLOR_BGR2GRAY);
    threshold(gray, binarized, 0, 255, THRESH_BINARY | THRESH_OTSU);
    return binarized;
}

// 条形码识别函数
std::string decodeBarcode(Mat &image) {
    ImageScanner scanner;
    scanner.set_config(ZBAR_NONE, ZBAR_CFG_ENABLE, 1);

    Mat processed = preprocessImage(image);
    int width = processed.cols;
    int height = processed.rows;
    uchar *raw = (uchar *)(processed.data);

    Image zbarImage(width, height, "Y800", raw, width * height);
    scanner.scan(zbarImage);

    std::string result;
    for (Image::SymbolIterator symbol = zbarImage.symbol_begin(); symbol != zbarImage.symbol_end(); ++symbol) {
        result = symbol->get_data();
    }
    return result;
}

// 使用示例
int main() {
    Mat image = imread("barcode.jpg");
    if (image.empty()) {
        std::cerr << "Could not read the image" << std::endl;
        return 1;
    }
    std::string barcodeData = decodeBarcode(image);
    std::cout << "Barcode data: " << barcodeData << std::endl;
    return 0;
}

3. 数据通信模块

实现无人机与地面站的数据通信，可以使用常见的无线通信协议，比如 Wi-Fi 或者 4G 模块。以下是使用 Wi-Fi 模块进行简单 TCP 通信的 C++ 示例代码。

服务端（地面站）代码：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

#define PORT 8080

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    char buffer[1024] = {0};
    const char *hello = "Hello from server";

    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        std::cerr << "Socket failed" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        std::cerr << "setsockopt" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        std::cerr << "Bind failed" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        std::cerr << "Listen" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen)) < 0) {
        std::cerr << "Accept" << std::endl;
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int valread = read(new_socket, buffer, 1024);
    std::cout << buffer << std::endl;
    send(new_socket, hello, strlen(hello), 0);
    std::cout << "Hello message sent" << std::endl;
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

客户端（无人机）代码：

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>

#define PORT 8080

int main() {
    int sock = 0;
    struct sockaddr_in serv_addr;
    char buffer[1024] = {0};
    const char *hello = "Hello from client";

    if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        std::cerr << "Socket creation error" << std::endl;
        return -1;
    }

    serv_addr.sin_family = AF_INET;
    serv_addr.sin_port = htons(PORT);

    if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serv_addr.sin_addr) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;
        return -1;
    }

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
        std::cerr << "Connection failed" << std::endl;
        return -1;
    }
    send(sock, hello, strlen(hello), 0);
    std::cout << "Hello message sent" << std::endl;
    int valread = read(sock, buffer, 1024);
    std::cout << buffer << std::endl;
    close(sock);
    return 0;
}

总结

以上代码及算法实现示例涵盖了无人机飞行控制（PID算法）、图像处理与条形码识别（基于OpenCV库和ZBar库）、以及无人机与地面站的数据通信（基于TCP/IP协议）。这些部分共同协作，才能完成基于四旋翼飞行器的巡线机器人任务。确保代码在具体硬件平台上的适配以及性能调优是后续实现过程中需要特别注意的。