李卓楠

【摘 要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技不斷蓬勃發(fā)展，地貌地形監(jiān)測(cè)需求與要求也越來(lái)越高，如何在人工成本高，技術(shù)尚未完全成熟的情況下對(duì)未知地域地形地貌進(jìn)行精準(zhǔn)、高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)成為當(dāng)下地質(zhì)研究人員研究的一大重要問題。本項(xiàng)目針對(duì)這一問題，提出了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)研究研發(fā)無(wú)人機(jī)編隊(duì)地貌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用其成本低廉，行動(dòng)靈活快速，覆蓋面積廣等優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿足當(dāng)前對(duì)地貌監(jiān)測(cè)的較高要求。該系統(tǒng)創(chuàng)新性的將北斗導(dǎo)航技術(shù)與嵌入式無(wú)人機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，對(duì)未知領(lǐng)域的地貌情況進(jìn)行采集評(píng)估，迅速掌握未知地貌的大量基本信息，方便人們進(jìn)一步生產(chǎn)生活的進(jìn)行。

【關(guān)鍵詞】北斗導(dǎo)航;無(wú)人機(jī)編隊(duì);地貌監(jiān)測(cè);嵌入式系統(tǒng)

一、引言

認(rèn)識(shí)自然，進(jìn)而利用自然與改造自然是人類為建成更好、更美、更優(yōu)家園的必經(jīng)過(guò)程，認(rèn)識(shí)自然作為首要步驟，是充分利用自然資源的必經(jīng)之路。中國(guó)地大物博，未知領(lǐng)域地貌監(jiān)測(cè)工作的實(shí)施必然需要先進(jìn)的技術(shù)的支持。當(dāng)今時(shí)代，科技發(fā)展迅速，信息技術(shù)對(duì)生產(chǎn)發(fā)展的影響越來(lái)越大，北斗定位系統(tǒng)以及無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)在很大程度上解決了地貌監(jiān)測(cè)行業(yè)發(fā)展需求，尤其是一些僅僅通過(guò)人力無(wú)法或很難實(shí)行的任務(wù)，例如：大型沙漠及高山森林的地貌監(jiān)測(cè)。其監(jiān)測(cè)過(guò)程所需成本高，精度要求高，而無(wú)人機(jī)與北斗定位系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合則充分地利用其兩者的優(yōu)點(diǎn)，解決地質(zhì)工作者所遇到的問題，因此此系統(tǒng)的研究十分有必要。

二、地貌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 單個(gè)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1.1 飛控系統(tǒng)主要構(gòu)架

飛控系統(tǒng)作為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，主控采用STM32作為中心控制器，傳感器有：加速度計(jì)陀螺儀MPU6050、磁力計(jì)IST8310、氣壓計(jì)SPL06、攝像頭模塊、北斗導(dǎo)航定位模塊等，飛控算法主要有：傳感器濾波、傳感器校準(zhǔn)、姿態(tài)解算、慣性導(dǎo)航、控制算法、視覺處理等，飛控功能主要為：一鍵起飛、一鍵降落、北斗定位定點(diǎn)、北斗定速巡航、拍照錄像、自動(dòng)返航降落、自動(dòng)追蹤移動(dòng)模式等。

2.1.2 飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

飛控系統(tǒng)的硬件方面為我們自主設(shè)計(jì)的pcb板，其充分發(fā)揮了自主設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，相較于當(dāng)前市場(chǎng)上的成品飛控系統(tǒng)，我們可以做到舍棄無(wú)必要的功能，僅設(shè)置所需功能，能夠節(jié)省體積，節(jié)省制作生產(chǎn)成本，提高工作效率。傳感器放置于封閉空間，使用發(fā)泡海綿填充，給氣壓計(jì)氣提供穩(wěn)定的氣流環(huán)境。減震方式采用斜拉式減震方案，業(yè)界公認(rèn)最優(yōu)秀的外部物理減震方案，不同硬度的斜拉球可選，為飛控提供穩(wěn)定的溫床。

2.1.3 飛控主要控制算法設(shè)計(jì)

濾波器設(shè)計(jì)：在我們的設(shè)計(jì)中，對(duì)傳感器采集時(shí)并沒有設(shè)置內(nèi)部低通，通過(guò)比較原始信號(hào)在懸停油門附近與靜止時(shí)的頻譜圖，確定由于機(jī)體震動(dòng)而產(chǎn)生的傳感器噪聲的截止頻率，設(shè)計(jì)二階巴特沃斯濾波器對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行處理。同時(shí)針對(duì)姿態(tài)解算與慣性導(dǎo)航所應(yīng)用到的主導(dǎo)傳感器不同，同一量在我們的研究項(xiàng)目中在不同使用條件下的截止頻率也會(huì)不一樣。

慣性導(dǎo)航：本項(xiàng)目前期對(duì)APM以及PIX飛控采用的三階互補(bǔ)方案原理進(jìn)行了學(xué)習(xí)以及驗(yàn)證，接著采用單觀測(cè)量的卡爾曼濾波對(duì)當(dāng)無(wú)人機(jī)的豎直位置、速度進(jìn)行慣導(dǎo)融合，然后針對(duì)氣壓計(jì)觀測(cè)傳感器具有一定的滯后性，所引起的快速運(yùn)動(dòng)時(shí)慣導(dǎo)收斂慢問題，提出了一種可以延時(shí)修正的新型慣性融合算法。目前對(duì)于水平方向慣導(dǎo)融合我們團(tuán)隊(duì)采用的是雙觀測(cè)量帶延時(shí)修正的卡爾曼濾波慣導(dǎo)算法。

自適應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)算法：由于加速度計(jì)在高速且?guī)в行D(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)中的輸出會(huì)出現(xiàn)一定的時(shí)滯，并且陀螺儀在低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的精度有限，為了有效的補(bǔ)償由于上述因素所造成的誤差，本文使用了一種自適應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)算法。

2.2 北斗導(dǎo)航在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的運(yùn)用

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的主要方法有偽距觀測(cè)值測(cè)量和載波相位值測(cè)量。

偽距觀測(cè)值測(cè)量：當(dāng)無(wú)人機(jī)上安裝的接收機(jī)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有同步的時(shí)鐘時(shí)，信號(hào)在空間中的傳播時(shí)間就可以通過(guò)接收機(jī)接收到衛(wèi)星發(fā)射過(guò)來(lái)的信號(hào)的時(shí)間計(jì)算出來(lái)，根據(jù)傳播速度與時(shí)間，可以求出衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)之間的距離。

載波相位測(cè)量：此種測(cè)量方式通過(guò)加載測(cè)距碼和導(dǎo)航信息的載波的相位數(shù)測(cè)量獲得，因此我們稱它為載波相位觀測(cè)量，其比偽距觀測(cè)值所測(cè)量結(jié)果擁有更高精度，在北斗導(dǎo)航的高精準(zhǔn)度優(yōu)點(diǎn)上起重大作用。

2.3 無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3.1 編隊(duì)的信息交互

編隊(duì)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)往往保持每架無(wú)人機(jī)在其隊(duì)伍中的相對(duì)位置的固定，其編隊(duì)要想保持幾何形態(tài)在飛行過(guò)程中的相對(duì)穩(wěn)定，就需要在他們之間存在信息的交互。常見的信息交互控制方法基本上有三種：集中式控制、分布式控制、分散式控制。經(jīng)研究，我們決定采用分布式控制，編隊(duì)中的每一架無(wú)人機(jī)都會(huì)將自己的位置、目標(biāo)、速度與其他的無(wú)人機(jī)進(jìn)行交互分享，雖然其控制性較差，信息的交互性不強(qiáng)，但可以大大減少計(jì)算量，系統(tǒng)和控制算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)載控制核心要求比較低。

2.3.2 隊(duì)形控制算法

對(duì)于編隊(duì)隊(duì)形的控制算法，經(jīng)過(guò)對(duì)許多學(xué)者的大量作品的研究，發(fā)現(xiàn)目前較為成熟的控制算法主要有：長(zhǎng)機(jī)——僚機(jī)法、虛擬結(jié)構(gòu)法、基于行為法、人工勢(shì)場(chǎng)法、PID法等。本系統(tǒng)擬采用經(jīng)典的PID控制算法，該算法有利于消除部分干擾信號(hào)所引起的誤差，利用線性化原理，來(lái)得到需要使用的線性方程，但PID控制器的參數(shù)整定會(huì)影響著控制器的性能，我們可以利用相關(guān)軟件，例如Matlab來(lái)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行配置。

2.3.3 無(wú)人機(jī)航線跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于一些復(fù)雜地貌的監(jiān)測(cè)，我們需要制定相應(yīng)的航線來(lái)對(duì)此地區(qū)有效的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此無(wú)人機(jī)航線跟蹤系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制便顯得格外重要。使用偏側(cè)控制是常有的應(yīng)對(duì)方案，在執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)飛行前，將事先制定好的飛行航線導(dǎo)入中心控制器中，利用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)測(cè)量無(wú)人機(jī)當(dāng)前的位置，這樣就可以得到無(wú)人機(jī)當(dāng)前偏離航線的偏側(cè)距和偏側(cè)速率，依據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整無(wú)人機(jī)的航向角，最終消除當(dāng)前航線與目標(biāo)航線的誤差。

2.4 地貌監(jiān)測(cè)方案的研究與設(shè)計(jì)

2.4.1 航測(cè)相機(jī)的需求與選取

為了獲取高精度，高分辨率的地貌攝影材料，航測(cè)相機(jī)的選取是一個(gè)關(guān)鍵，由于無(wú)人機(jī)的動(dòng)力和體積有限，因此相機(jī)的體積與重量便顯得格外重要，非量測(cè)型數(shù)碼相機(jī)則為最佳選擇。

2.4.2 巡航速度的分析與使用

因?yàn)椴捎玫统杀痉橇繙y(cè)型數(shù)碼相機(jī)作為攝像機(jī)，所以除了縮短曝光時(shí)間外，合理的控制巡航速度也是提高航空影像清晰度的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。影像的位移X、曝光時(shí)間t、巡航速度v、飛行高度H、地物高度差、相機(jī)焦距f，它們之間擁有一個(gè)人關(guān)系式：

根據(jù)此式即可求得合理的巡航速度。

2.4.3 航測(cè)相片后期處理

由于使用無(wú)人機(jī)拍攝系統(tǒng)的自身的特點(diǎn)決定了其航測(cè)相片的獲取以及后期的處理都有其特殊的方式，過(guò)程主要分為兩步：提取數(shù)據(jù)和航片自動(dòng)預(yù)處理。從飛控及相機(jī)中提取相片、POS參數(shù)、北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù);將各項(xiàng)提取出來(lái)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入航測(cè)系統(tǒng)的后期處理軟件Postflight3D中，就可以開始自動(dòng)的拼接、處理、圖像增強(qiáng)、DEM生成和DOM制作。

三、結(jié)論

本文描述了基于北斗的無(wú)人機(jī)編隊(duì)地貌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它專門設(shè)計(jì)適用于各種復(fù)雜不利于人工或單兵勘測(cè)的地形地貌上，以克服它們傳統(tǒng)勘測(cè)設(shè)備所出現(xiàn)的不足，且擁有更多新型功能。這些特性可以為沙漠，海洋，森林等特殊地貌勘測(cè)提供更多更加優(yōu)質(zhì)有效的數(shù)據(jù)，促進(jìn)科研和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]許斌.淺談基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2017，15（28）：65-66.

[2]蔡明兵，基于北斗的無(wú)人機(jī)跟蹤目標(biāo)定位技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2016

（作者單位：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院）