劉進(jìn)濤 張祥龍 李雁寧

（連云港出入境檢驗檢疫局，連云港 222042）

無人駕駛飛機簡稱無人機，無人機除在軍事領(lǐng)域應(yīng)用外，基于無線圖傳技術(shù)的多旋翼民用無人機還能夠為口岸水尺鑒重提供低成本、高機動性的水尺數(shù)據(jù)觀測手段。把無人機想象成一個“會飛的傳感器”，無人機就成了口岸水尺觀測的一個空中數(shù)據(jù)端口，從船舶狀況到水尺數(shù)據(jù)的快速讀取與記錄，無人機將為口岸水尺鑒重工作提供一種便捷的支撐手段[1]。本文利用無線圖傳技術(shù)，建立了一套基于“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺的無人機應(yīng)用方案，將無人機和互聯(lián)網(wǎng)深度融合到進(jìn)出口貨物的數(shù)重量檢驗監(jiān)管工作之中，以互聯(lián)網(wǎng)思維重新構(gòu)建進(jìn)出口貨物的數(shù)重量檢驗監(jiān)管方式和方法，即：充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)和無人機在水尺觀測中的集成和優(yōu)化作用，將互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果深度融合于大宗商品檢驗、監(jiān)管之中，全面提升全檢驗條線的創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，形成更廣泛的以無人機為載體，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施和工具的檢驗檢疫新模式，更好地服務(wù)對外貿(mào)易發(fā)展。

1 無線圖像傳輸?shù)脑砑岸嘈頍o人機控制技術(shù)

無人機圖像傳輸系統(tǒng)就是將空中處于飛行狀態(tài)的無人機所拍攝的畫面實時、穩(wěn)定地發(fā)射給地面的無線圖傳遙控接收設(shè)備。圖傳系統(tǒng)作為民用無人機的重要子系統(tǒng)之一，是無人機與控制端進(jìn)行人機交互的最重要手段，也是無人機最主要的應(yīng)用之一。目前，消費級無人機最常用的無線圖像傳輸有模擬傳輸和數(shù)字傳輸兩種。模擬圖傳的功耗較高，解析度較低，不適合水尺觀測應(yīng)用。無線數(shù)字傳輸技術(shù)應(yīng)用較多的主要有Lightbridge與Wi-Fi。水尺觀測采用無人機的圖像傳輸系統(tǒng)來實現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測。圖像傳輸?shù)慕馕龆取⒘鲿承院头€(wěn)定性對水尺觀測的準(zhǔn)確度有很大的影響。通過研究，選取出合適的圖像傳輸系統(tǒng)也是本文研究的目標(biāo)之一。無人機常用的圖傳方案如圖1所示。

1.1 Wi-Fi圖像傳輸技術(shù)

Wi-Fi圖像傳輸技術(shù)是一種利用無線信號傳輸圖像的數(shù)字通信方式，遵循TCP/IP協(xié)議，圖像傳輸需要發(fā)送端與接收端首先建立起通訊握手機制，再傳輸每個大小為512B的數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包的傳輸必須完整無誤，丟失其中的一個字節(jié)都會導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)包重新發(fā)送，確認(rèn)完整接收一個數(shù)據(jù)包之后，才開始傳輸下一個數(shù)據(jù)包。這種基于TCP/IP協(xié)議的雙向握手機制很容易導(dǎo)致Wi-Fi圖傳無法實時傳輸航拍畫面。在無人機FPV飛行對實時性要求很高的大前提下，重新發(fā)送數(shù)據(jù)包會導(dǎo)致操控者無法看到實時畫面。

1.2 Lightbridge圖傳技術(shù)簡介

Lightbridge是DJI開發(fā)的數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)。根據(jù)目前的公開資料顯示，Lightbridge圖傳技術(shù)最高可傳輸1080p的全高清圖像數(shù)據(jù)，實測有效傳輸距離高達(dá)1.7km，同時內(nèi)置2.4GHz遙控器鏈路和OSD飛行數(shù)據(jù)疊加系統(tǒng)。Lightbridge是一種基于2.4GHz或5.8GHz頻段的單向圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，類似位于電視廣播塔的數(shù)據(jù)傳輸形式。得益于Lightbridge圖傳技術(shù)的單向傳輸性，DJI無人機使用的距離是一般使用普通Wi-Fi圖傳無人機的2～3倍。因此，其更適合在電磁環(huán)境復(fù)雜的大型船舶水尺觀測工作中使用。

1.3 多旋翼

多旋翼無人機是一種新型的可垂直起降的小型無人機，其中，四旋翼無人機通過改變4個對稱分布的旋翼的轉(zhuǎn)速來調(diào)整姿態(tài)與位置，具有可懸停、機動性好、結(jié)構(gòu)簡單等多種優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[2]。

四旋翼無人機的結(jié)構(gòu)決定了其既可以沿x軸前后運動，也可沿y軸左右運動。四旋翼無人機由于具有可懸停、可以側(cè)向飛行和后退飛行的特點，所以非常適用于口岸水尺數(shù)據(jù)的觀測。

1.4 多旋翼無人機的飛行控制

無人機的飛行控制是無人機研究領(lǐng)域的主要問題之一。在飛行過程中無人機會受到各種因素干擾，如傳感器的噪音與漂移、強風(fēng)與亂氣流、載重量變化及傾角過大引起的模型變動等，這些因素都會嚴(yán)重影響飛行器的飛行品質(zhì)。因此，無人機的控制技術(shù)便顯得尤為重要。傳統(tǒng)的控制方法主要集中于姿態(tài)和高度的控制，除此之外，還有一些用來控制速度、位置、航向、3D軌跡跟蹤等。目前主要的無人機飛行控制方法包括線性飛行控制方法、基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法、基于模型的非線性控制方法和智能控制方法等[3]。

2 水尺計重的原理和一般方法

水尺計重是依據(jù)“阿基米德定律”，對承運船舶裝載或卸載前、后的吃水進(jìn)行觀測，并依據(jù)船舶的準(zhǔn)確圖表，經(jīng)必要之校正，查算船舶排水量，結(jié)合船舶壓載水、淡水、燃油、船用物料及非貨物的重量測算，以確定裝載或卸載貨物重量的一種計重方法[4]。

在實踐中，一般通過觀測船艏、船舯和船艉左右兩側(cè)共6處吃水標(biāo)記來進(jìn)行排水量的計算。由于貨輪停泊一般只有一側(cè)靠岸邊，另外一側(cè)的水尺標(biāo)記讀取非常困難。有時貨輪停泊在錨地等開闊水域，兩側(cè)均不靠近岸邊，水尺觀測就更加困難。因此，利用基于無人圖像傳輸技術(shù)的多旋翼無人機進(jìn)行航拍來讀取水尺數(shù)據(jù)是一項安全、高效的水尺觀測方式。船艏、船舯、船艉吃水修正及相應(yīng)垂線位置示意圖如圖3所示。

2.1 多旋翼無人機在口岸水尺計重中的應(yīng)用

水尺鑒重作為水運大宗散裝貨物的主要計重方式，廣泛應(yīng)用于鐵礦、煤炭、大豆、化肥等散裝貨物的重量鑒定。將多旋翼無人機技術(shù)與水尺鑒重工作相結(jié)合，鑒定人員可站在船舶甲板上或大副辦公室內(nèi)，通過遠(yuǎn)程操縱，控制無人機懸停在水尺標(biāo)記上方，利用無人機攜帶的高清攝像頭錄制水尺標(biāo)記附近水線畫面，同時通過無線圖傳系統(tǒng)將畫面實時傳回接收設(shè)備上，方便觀測。

2.2 水尺數(shù)據(jù)的觀測方式

利用無人機可以方便地懸停在大型貨輪的水尺標(biāo)記上方，通過視頻信號接收裝置觀測水尺標(biāo)記處的吃水狀態(tài)。利用地面站可以超視距操控?zé)o人機對水尺進(jìn)行觀測，但由于大型船舶復(fù)雜的安全環(huán)境和電磁環(huán)境，一般不推薦超視距飛行。無人機起飛前應(yīng)檢查機身、槳葉、電池是否卡緊，開機自檢查看GPS信號和指南針信號是否正常，電池電量是否充足，檢查無誤后可以起飛。

2.2.1 船舶一側(cè)靠岸停泊狀態(tài)下的水尺觀測

操控?zé)o人機從船舯視野開闊處起飛，將無人機拉升到適當(dāng)高度后按照船舯到船艏再到船艉的飛行路線依次檢視水尺標(biāo)志。為保證在緊急情況下有足夠的應(yīng)急反應(yīng)時間，無人機飛行時需保持一定飛行高度并與船舷間距至少3m。水尺檢視時將無人機控制切換到GPS模式或視覺定位模式，使其自動懸停在水尺標(biāo)記上方；同時，控制無人機攝像頭瞄準(zhǔn)水尺標(biāo)志拍攝水尺畫面，圖傳模塊將水尺畫面實時傳輸?shù)降孛嬲竟z驗人員讀取水尺讀數(shù)；每個水尺標(biāo)志處懸停時間不得小于1min～2min。

2.2.2 船舶在空曠水域停泊狀態(tài)下的水尺觀測方式

空曠水域的水尺觀測和靠泊水尺觀測類似，不同的是要觀測6面水尺并更多地考慮風(fēng)浪的影響。操控?zé)o人機起飛后按照繞船一周的飛行路線檢視水尺標(biāo)志。由于空曠水域的風(fēng)浪較大，無人機穩(wěn)定性受到影響，應(yīng)適當(dāng)加大安全距離，延長懸停觀測時間，避免超視距飛行。在無人機飛行過程中時刻關(guān)注其飛行動態(tài)，包括無人機飛行狀態(tài)列表，無人機電量、姿態(tài)、高度和方向，信號強度，空域內(nèi)是否有其它飛行器或危險情況，如有異常情況立即就近降落。

3 飛行安全與注意事項

飛行環(huán)境和安全在無人機的應(yīng)用中非常重要。目前對于民用無人機飛行安全的研究主要集中在禁飛區(qū)和限飛區(qū)，以及飛行器本身的電量、信號燈方面。本文結(jié)合無人機中口岸水尺鑒重中的應(yīng)用提出了3項新的安全要求。

3.1 與水面保持安全高度

無人機在飛行時會與水平面成一定的俯仰角，在飛行過程中受力矩的影響，高度會略微降低，因此，要與水面保持一定的安全距離。測試發(fā)現(xiàn)，在水面波浪30cm的微風(fēng)環(huán)境安全高度至少要在1m，懸停時可以略微降低。為保證飛行器安全，無人機飛行前應(yīng)先升高至距離水面1.5m以上的距離再開始飛行。

3.2 與船體和大型機械保持安全距離

鋼制船體和大型機械會對磁場、GPS信號和無線控制信號產(chǎn)生干擾，因此，無人機在飛行過程中應(yīng)與船體保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x。在懸停時，無人機應(yīng)與船體保持2.5m以上的安全距離，在飛行時，應(yīng)保持5m以上的安全距離，在距離船體較近的飛行過程中，無人機應(yīng)在操作人員的視線范圍之內(nèi)。

在船舶甲板上方或周圍飛行時，無人機就進(jìn)入了碼頭機械和船上吊機的工作范圍。特別是港口門機在開始裝卸貨物前，往往會試車以驗證機械運轉(zhuǎn)正常，以及保證裝卸工作正常開展。試車時吊機抓斗運行速度較快，且無人機在空中時駕駛員缺乏參照物，難以把握遠(yuǎn)近距離，碰撞風(fēng)險較大。所以，在飛行時要關(guān)注正在作業(yè)的機械設(shè)備，與之保持安全距離或選擇繞行，保證安全。

3.3 遠(yuǎn)離作業(yè)人員

總體來說，泊位船舶沒有進(jìn)行裝卸作業(yè)時，港口工作人員相對較少，且大部分在控制室或駕駛艙內(nèi)工作，但在無人機飛行前仍需注意觀察是否有人員聚集的區(qū)域，甲板上或碼頭面是否有作業(yè)人員。普通無人機水平飛行速度可達(dá)30m/s，電機轉(zhuǎn)速通常在8000rpm～10000rpm，可對人員造成巨大傷害，飛行時應(yīng)注意遠(yuǎn)離人群。對于配備空中緊急停機的無人機可以在遇到意外情況時使無人機在空中停止電機運轉(zhuǎn)，避免對人群造成更嚴(yán)重的傷害。

4 結(jié)束語

基于無線圖傳技術(shù)的多旋翼無人機是一種新型民用無人機，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，安全性好等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。本文研究了基于無線圖傳技術(shù)的多旋翼無人機在口岸水尺鑒重中的應(yīng)用，并得出以下主要結(jié)論：

（1）分析了無線圖傳的原理，對比了幾種無線圖傳方式，篩選出了適合口岸水尺鑒重的圖傳方式。

（2）分析了多旋翼無人機的飛行特點，并根據(jù)多旋翼無人機的飛行特點和口岸水尺鑒重工作環(huán)境設(shè)計了無人機的安全飛行標(biāo)準(zhǔn)。

（3）設(shè)計了使用無人機進(jìn)行水尺觀測的方法并進(jìn)行了驗證。

本文對基于無線圖像傳輸技術(shù)的多旋翼無人機在口岸水尺鑒重中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，無人機可用于檢驗檢疫工作中危險系數(shù)高、人工操作執(zhí)行困難、勞動強度大的水尺觀測工作，并縮短水尺觀測的工作時長，提升水尺觀測的工作質(zhì)量，但是，民用多旋翼無人機還有許多需要改進(jìn)的地方，如：完善防水功能和夜視功能，實現(xiàn)雨天作業(yè)和夜間圖像采集功能，提高無人機的適用范圍。

1 梁瑞彪. 淺析多旋翼無人機在水域環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊）, 2016, (11): 146～147

2 鐘佳朋. 四旋翼無人機的導(dǎo)航與控制[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010

3 曾慶華, 張為華. 無人機飛行控制系統(tǒng)實驗教程[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2011

4 中華人民共和國出入境檢驗檢疫行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). SN/T 2389.2—2012進(jìn)出口商品重量鑒定規(guī)程[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013