王炳坤

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

1 概 述

無(wú)人機(jī)(Unmanned Airborne Vehicles，UAV)已經(jīng)在軍事、商業(yè)以及反恐任務(wù)中得到了廣泛的應(yīng)用，這是由于其價(jià)格低廉，并可以搭載多種傳感器—從簡(jiǎn)單的攝像機(jī)到紅外攝像機(jī)到磁力計(jì)等，以致于可以從穩(wěn)定的平臺(tái)收集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。在最初由軍事應(yīng)用推動(dòng)的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)的平臺(tái)在過(guò)去十年中隨著新技術(shù)的改進(jìn)，工作效率、探測(cè)范圍、機(jī)體尺寸和有效載荷發(fā)生了顯著變化。雖然這些發(fā)展已經(jīng)超出了商業(yè)領(lǐng)域，但隨著越來(lái)越多的應(yīng)用需求，無(wú)人機(jī)已經(jīng)得到了更為實(shí)質(zhì)的應(yīng)用，其中礦產(chǎn)勘查即為主要用于之一。這是因?yàn)榈V產(chǎn)資源所處的地理位置較為偏僻，無(wú)人機(jī)成為了礦產(chǎn)勘探的天然選擇，基于無(wú)人機(jī)更易啟動(dòng)、飛行、管理和燃料補(bǔ)充；此外，無(wú)人機(jī)可以在任何天氣和夜間飛行—這與傳統(tǒng)的空中測(cè)量(人工駕駛)相比，在安全性和工作效率上得到了顯著的提升。無(wú)人機(jī)對(duì)于礦產(chǎn)資源的探測(cè)主要按照既定的航路規(guī)劃協(xié)同各類型傳感器完成任務(wù)[1-5]。

無(wú)人機(jī)的工作具備如下優(yōu)勢(shì)：

1)在計(jì)算機(jī)控制下，UAV可以在危險(xiǎn)的天氣條件下執(zhí)行任務(wù)，在精確的飛行路線上飛行，并且工作周期可持續(xù)30 h以上。

2)由于無(wú)人駕駛飛機(jī)可以沿著精確的飛行路線行駛，因此它們可以相互靠近飛行，在既定的任務(wù)中相比人駕飛機(jī)需更少的時(shí)間。

3)使用若干UAV進(jìn)行協(xié)同工作的優(yōu)勢(shì)在于，在其任何系統(tǒng)中發(fā)生故障的UAV可以由備用UAV取代，以確保分配的任務(wù)始終按時(shí)完成；幾個(gè)UAV還可以測(cè)量調(diào)查中同一位置的數(shù)據(jù)，通過(guò)消除任何儀器漂移或錯(cuò)誤來(lái)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

4)UAV可以在低空安全飛行，實(shí)現(xiàn)高分辨率的航空磁測(cè)圖。

5)以網(wǎng)絡(luò)為中心的方法，其中來(lái)自每個(gè)UAV的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新服務(wù)器計(jì)算機(jī)，允許用戶通過(guò)Internet查看最新信息。

6)UAV更環(huán)保：小巧，耗油少，二氧化碳少，噪音小：UAV燃油16 g/km，而Cessna Skylane(一種測(cè)繪飛機(jī))152 g/km。

2 系統(tǒng)搭載設(shè)計(jì)

由于無(wú)人機(jī)不受人類飛行員生理限制的負(fù)擔(dān)，因此可以設(shè)計(jì)最大化的在站時(shí)間。無(wú)人機(jī)的最大飛行時(shí)間差異很大，內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)的耐力取決于燃燒的燃料占總重量的一小部分，因此很大程度上與飛機(jī)尺寸無(wú)關(guān)。太陽(yáng)能電動(dòng)無(wú)人機(jī)擁有無(wú)限制飛行的潛力，這在Helios Prototype所倡導(dǎo)的一個(gè)概念，但它在2003年的飛機(jī)失事中被證明無(wú)效[6-9]。

ATOM是無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的綜合IMU-AHRS-INS設(shè)備。它可以將10Hz GPS模塊轉(zhuǎn)換為100Hz全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS/INS)模塊；利用ATOM提供的傳感器系統(tǒng)，通過(guò)降低GPS頻率可以實(shí)現(xiàn)更好的探測(cè)性能，可以降低成本和系統(tǒng)的整體功耗；當(dāng)用ATOM增強(qiáng)時(shí)，GPS模塊的GNSS消息語(yǔ)法可以得到遵守，所以無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的傳感器系統(tǒng)的插入是透明的。使用ATOM的傳感器融合算法實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1)實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙的、永久的準(zhǔn)確定位；

2)提供非常準(zhǔn)確、低延遲的傳輸和速度信息；

3)導(dǎo)航速率等效為200 Hz，通過(guò)低功耗無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的高級(jí)算法和硬件提供慣性導(dǎo)航輸入，以便系統(tǒng)持續(xù)以“航位推算”模式工作。雖然這種慣性導(dǎo)航的使用不如GPS精確，但它為車載GPS，Navibox和室內(nèi)導(dǎo)航等應(yīng)用帶來(lái)了所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

采用ATOM算法的定位結(jié)果如圖1所示[1]。其中左側(cè)標(biāo)注“載人飛行器”區(qū)域?yàn)槿斯ゑ{駛飛機(jī)的探測(cè)范圍值，實(shí)驗(yàn)圖可見(jiàn)無(wú)人機(jī)相比人工駕駛飛機(jī)在探測(cè)范圍、探測(cè)時(shí)間上有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖1 無(wú)人機(jī)與有人駕駛飛行器探測(cè)性能對(duì)比

系統(tǒng)采用量子通信作為無(wú)人機(jī)與地面基站交互的方式，結(jié)合遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)的探測(cè)信息獲取，為研究人員提供了準(zhǔn)確的圖像信息，采用如下模型作為信息交互模型：

xm(t)=Amxm(t)+Bmu(t)

(1)

ym(t)=Cmxm(t)

(2)

其中，xm(t)是狀態(tài)向量，ym(t)是輸出向量，u(t)是控制輸入向量；Am，Bm，Cm分別是系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，輸入矩陣和輸出矩陣。在量子計(jì)算中，0和1表示微粒的兩種基本狀態(tài)，稱為量子比特；任意單量子比特狀態(tài)可以表示為兩個(gè)基本狀態(tài)的線性組合；量子位的狀態(tài)不僅是0和1，而且也是狀態(tài)的線性組合，通常稱為疊加狀態(tài)。

無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)可分為縱向通道控制和橫向通道控制。控制面分別是升降舵，副翼和方向舵。在正常情況下，由于縱向和橫向通道之間的強(qiáng)耦合，控制律設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜，因此縱向和橫向通道控制必須實(shí)現(xiàn)去耦。然后，可以分別為無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)縱向和橫向控制，在該研究中，綜合控制規(guī)律是針對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的縱向和橫向信道，采用量子控制技術(shù)的量子比特狀態(tài)。量子控制模塊展示了3個(gè)量子比特的狀態(tài)描述和控制，表1給出了無(wú)人機(jī)量子控制模塊的3個(gè)量子比特概率幅度的具體描述。

表1 量子控制模塊的概率幅度

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

UAV由于飛行高度較低，可以獲取亞分辨率空間分辨率的高光譜圖像數(shù)據(jù)。如圖2所示為具有量子通信系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)外觀圖。

該試驗(yàn)于2017年9月9日在XX機(jī)場(chǎng)進(jìn)行，研究區(qū)面積為30 km×11.25 km，位于機(jī)場(chǎng)東側(cè)，該地區(qū)海拔約37米。土地覆蓋由居民區(qū)，水體，森林和農(nóng)田組成。飛行時(shí)間為12點(diǎn)44分至14點(diǎn)35分通過(guò)量子通信系統(tǒng)收集所測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)，在主要晴空條件下形成8條航線，如圖3所示，其中FL1-FL8分別表示8條航線，并形成不同區(qū)域的航空影像數(shù)據(jù)。

圖2 無(wú)人機(jī)

圖3 航線設(shè)置

實(shí)驗(yàn)處理過(guò)程如下：原始航空影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理步驟包括高光譜圖像的圖像去噪和時(shí)間轉(zhuǎn)換，POS數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換和時(shí)間匹配；然后，使用多項(xiàng)式方法對(duì)各條飛行線進(jìn)行幾何校正，其中每個(gè)像素根據(jù)選定的GCP校準(zhǔn)至具有較低的均方根誤差值；最后，執(zhí)行最近鄰重采樣，因?yàn)樗粫?huì)改變像素值。圖4是幾何校正結(jié)果的例子。如圖4從左到右可以看到，量子遙測(cè)很好地描繪了這些特征的細(xì)節(jié)，并且它的位置精度和空間信息得到了改善。但是，隨著飛機(jī)的振動(dòng)，內(nèi)部圖像的幾何形狀發(fā)生了變化，為了解決這個(gè)問(wèn)題，將在今后的工作中開(kāi)發(fā)將飛行期間記錄的外部方向數(shù)據(jù)與內(nèi)部方向和高程模型相結(jié)合的方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)(UAV)的耐久性能夠在相當(dāng)高的時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)行，為遙感數(shù)據(jù)采集提供了更高的效率和時(shí)間節(jié)省。UAV可以在各種溫度和壓力環(huán)境下有效飛行，此外，超長(zhǎng)持久的飛行周期為無(wú)人機(jī)在高空的高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供了可能性。本文采用ATOM定位算法結(jié)合量子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于礦藏測(cè)繪用的無(wú)人機(jī)載遙測(cè)系統(tǒng)，采用量子技術(shù)的原因是考慮數(shù)據(jù)通信的安全性以及實(shí)時(shí)性，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)在遙測(cè)地質(zhì)影像過(guò)程中有較好的效果。

圖4 量子遙測(cè)結(jié)果對(duì)比