閆 勇，岳光波，柳昭琰，董 祥，李 彪，楊長坤

(1.山東唐口煤業(yè)股份公司，山東 濟(jì)寧 272100；2.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

垂直起降固定翼無人機(jī)是結(jié)合常規(guī)多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)而在近幾年新興的一種無人機(jī)[1]。與常規(guī)的固定翼和多旋翼無人機(jī)相比，垂直起降無人機(jī)兼具固定翼無人機(jī)巡航速度高、續(xù)航久和多旋翼無人機(jī)受起飛場地影響小、能夠定點(diǎn)懸停的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。垂直起降無人機(jī)具有多方面的優(yōu)勢，應(yīng)用前景較廣，發(fā)展趨勢較好，以后將可能發(fā)展成為一種重要的飛行器門類[4]。

目前，國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)垂直起降無人機(jī)的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了很多成果：成都縱橫自動(dòng)化技術(shù)有限公司研發(fā)的CW-20無人機(jī)在塔克拉瑪干沙漠綠洲處完成了超過10 000 km2的大比例尺航測任務(wù)；美國Dronetech UAV公司研制的復(fù)合四旋翼飛行器AV-2，采用全電力系統(tǒng)，配裝自動(dòng)駕駛儀，續(xù)航時(shí)間可達(dá)12 h，用于執(zhí)行海上監(jiān)視任務(wù)[5]；德國Aerolution公司研發(fā)的SonGBIRD 500系列復(fù)合翼垂直起降無人機(jī)，能夠在8級(jí)大風(fēng)(風(fēng)速高達(dá)20 m/s)、高溫高熱環(huán)境等惡劣的極端環(huán)境中正常飛行，并且有效荷載為500 g，可以搭載可見光相機(jī)、多光譜相機(jī)、近紅外和熱成像相機(jī)等，完成各種所需任務(wù)；垂直起降固定翼無人機(jī)在近年取得了巨大的發(fā)展[6-10]。

為此，基于無人機(jī)的配置，開發(fā)了一套多功能垂直起降固定翼無人機(jī)系統(tǒng)，以飛行控制系統(tǒng)為核心，同時(shí)協(xié)調(diào)飛機(jī)飛行平臺(tái)和任務(wù)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，并以某港口儲(chǔ)煤盤點(diǎn)為例，對(duì)該無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的性能和獲取數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)估。

1 系統(tǒng)概述

1.1 無人機(jī)飛行平臺(tái)

飛行平臺(tái)是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是保障飛行性能的根本。飛行平臺(tái)包括了機(jī)身結(jié)構(gòu)、動(dòng)力設(shè)備、電氣系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)以及任務(wù)設(shè)備等[11]。

1.1.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)

機(jī)架結(jié)構(gòu)決定著無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性。目前垂直起降固定翼無人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)大致可分為復(fù)合傾轉(zhuǎn)式，傾轉(zhuǎn)旋翼式，尾座式及動(dòng)力復(fù)合式4類。動(dòng)力復(fù)合式無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于將無人機(jī)在水平方向的推進(jìn)系統(tǒng)與在豎直方向的起降系統(tǒng)分離開來，2個(gè)系統(tǒng)分別單獨(dú)作業(yè)，技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性高，具有其余3種所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢。本研究采用如圖1所示的“4+1”形動(dòng)力復(fù)合式無人機(jī)[12]。

在圖1所示的機(jī)架中，機(jī)身整個(gè)采用泡沫模具，機(jī)翼碳管加厚處理，可以承受最大8 kg的起飛重量，空速管安裝在機(jī)翼前端以避開干擾氣流，機(jī)身相較于其他機(jī)型容量更大，采用“8+2”集成模塊，滿足各種飛行任務(wù)的要求。

圖1 “4+1”形動(dòng)力復(fù)合式無人機(jī)

1.1.2 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)是整個(gè)無人機(jī)的核心，其主要功能是穩(wěn)定無人機(jī)的飛行姿態(tài)[13]，自主或半自主的控制無人機(jī)的飛行狀態(tài)和任務(wù)設(shè)備等。本次研究采用的是赫星PIXHAWK2開源飛控系，作為新一代的開源飛控系統(tǒng)，其核心部件——飛控計(jì)算機(jī)主要由STM-32F437(核心處理器)芯片和STM32F1(故障保護(hù)協(xié)處理器)芯片組成，在雙處理器共同作用下，可以為飛行提供更為穩(wěn)定的飛行方案。該系統(tǒng)完全兼容RTK差分GPS[14]，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精確定位；還采用了三余度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)即3組IMU傳感器[15]，其中內(nèi)含3個(gè)加速度計(jì)、3個(gè)陀螺儀、3個(gè)磁羅盤以及2個(gè)氣壓計(jì)，為了增強(qiáng)其抗干擾能力和穩(wěn)定性，對(duì)IMU傳感器進(jìn)行了減震處理，同時(shí)設(shè)置了發(fā)熱電阻，使其在低溫環(huán)境下依然能夠保持恒溫作業(yè)，大幅度提升了飛行的安全性。飛控系統(tǒng)硬件設(shè)備如圖2所示。

圖2 飛控系統(tǒng)

1.1.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)是無人機(jī)的動(dòng)力來源，而電池又是電氣系統(tǒng)中的重中之重，鋰聚合物電池具有重量輕、質(zhì)能比高、散熱好等優(yōu)點(diǎn)，因此本次選擇鋰聚合物電池；同時(shí)考慮到無人機(jī)組裝后的重量情況，采用標(biāo)稱電壓為22.2V的電池為無人機(jī)供電。電池具體參數(shù)見表1。

表1 電池參數(shù)

1.1.4 影像采集系統(tǒng)

任務(wù)設(shè)備是無人機(jī)系統(tǒng)的眼睛，它直接決定著飛行成果的好壞。本次研究選擇了索尼A7R2相機(jī)作為任務(wù)設(shè)備來采集地面影像數(shù)據(jù)，該相機(jī)機(jī)身相較于其他相機(jī)小巧輕便，易于在無人機(jī)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行安裝和固定以取得更好的拍攝效果，相機(jī)拍攝的影像分辨率為7 752像素×4 472像素，能夠獲得清晰的地面數(shù)據(jù)；同時(shí)還配備鏡頭防抖和五軸防抖技術(shù)，以保證在飛行時(shí)即使飛機(jī)遇到強(qiáng)風(fēng)等情況導(dǎo)致姿態(tài)偏轉(zhuǎn)時(shí)，也能夠使相機(jī)穩(wěn)定地拍攝地面影像。相機(jī)的具體參數(shù)見表2。

表2 相機(jī)參數(shù)

相機(jī)安裝到無人機(jī)機(jī)艙內(nèi)并固定好后，再通過線路與飛控系統(tǒng)相連，就能在作業(yè)過程中到達(dá)指定位置時(shí)通過飛控控制自動(dòng)觸發(fā)快門開關(guān)，獲取影像。在使用原始鏡頭焦距為35 mm的情況下，設(shè)置航高為140 m，獲取的影像數(shù)據(jù)生成的正射影像圖地面分辨率能夠達(dá)到1.72 cm。

1.2 地面控制站與數(shù)傳電臺(tái)

地面控制站和數(shù)傳電臺(tái)的主要作用是規(guī)劃、控制、接收和監(jiān)測飛行平臺(tái)的運(yùn)行情況。數(shù)傳電臺(tái)采用了XROCK數(shù)傳V3模塊[16]，電臺(tái)機(jī)身小巧，單只重量僅有22.5 g，便于攜帶和拆卸，同時(shí)無線通信距離可達(dá)2 km，保證在作業(yè)中實(shí)時(shí)地將飛行平臺(tái)數(shù)據(jù)(空速、高度、方向等)傳輸?shù)降孛婵刂普荆軌驅(qū)崟r(shí)監(jiān)測飛機(jī)的飛行狀態(tài)。

地面控制站包括一套遙控系統(tǒng)與一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)。遙控器用來輔助計(jì)算機(jī)完成飛行工作，擁有多個(gè)通道，可以根據(jù)任務(wù)的不同給出不同的飛行指令，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)也可使用遙控器來進(jìn)行人工干預(yù)使無人機(jī)安全著陸。計(jì)算機(jī)是地面控制站的核心部分，能夠?qū)φ麄€(gè)無人機(jī)的作業(yè)過程進(jìn)行管控，任務(wù)開始前在計(jì)算機(jī)中設(shè)置好各種相關(guān)參數(shù)，無人機(jī)便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行飛行任務(wù)，獲取成果影像。飛行過程中飛機(jī)的狀態(tài)信息能夠?qū)崟r(shí)地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端并顯示在屏幕上，便于操作和監(jiān)管，屏幕顯示如圖3所示。

圖3 地面控制站界面

本研究開發(fā)的無人機(jī)飛行平臺(tái)可根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行模塊化定制，相較于其他公司的同類型無人機(jī)，該平臺(tái)注重的是飛行時(shí)的穩(wěn)定性，因而拓展性較差，同時(shí)價(jià)格遠(yuǎn)低于其他同類機(jī)型。

2 試驗(yàn)方案

以徐州市某港口貨場儲(chǔ)煤盤點(diǎn)為例，進(jìn)行無人機(jī)系統(tǒng)飛行測試。在飛行測試前，首先使用REGIL VZ-1000三維激光掃描儀獲取整個(gè)貨場煤堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該儀器短距離掃描點(diǎn)位精度可達(dá)毫米級(jí)，長距離點(diǎn)位精度可達(dá)厘米級(jí)，平均點(diǎn)位精度為0.004 3 m[17]，精度較高，因此將三維激光掃描得到的數(shù)據(jù)作為真值，該掃描儀具體參數(shù)見表3。

表3 REGIL VZ-1000掃描儀參數(shù)

之后進(jìn)行無人機(jī)飛行試驗(yàn)，設(shè)置航高為140 m，航向重疊度70%，旁向重疊度60%，飛行模式為全自動(dòng)模式，同時(shí)設(shè)置好航拍點(diǎn)等。在試驗(yàn)結(jié)束后，提取飛行數(shù)據(jù)得到每張照片拍攝時(shí)的高度和位置信息，就能分析得到無人機(jī)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性；再將原始照片進(jìn)行處理生成三維模型成果數(shù)據(jù)并與三維激光掃描獲取的貨場數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比，進(jìn)一步分析就能得到任務(wù)成果的精度。單次飛行航線示意圖，如圖4所示。

圖4 單次飛行航線示意

3 結(jié)果與分析

3.1 航高穩(wěn)定性測試

無人機(jī)設(shè)置的航高是相對(duì)于起飛點(diǎn)的高度，若在理想條件下，無人機(jī)應(yīng)該始終保持該高度飛行，此時(shí)飛機(jī)的高程等于起飛點(diǎn)高程與航高之和，將其稱為理論高程，但飛機(jī)在空中作業(yè)過程中，不可避免地會(huì)受到空氣摩擦阻力以及風(fēng)力等的阻礙，因此飛機(jī)的高度以及姿態(tài)是不斷變化的，其中飛機(jī)高度的穩(wěn)定情況直接影響照片的地面分辨率從而影響成果精度，因此在飛行中保持高度尤為重要[18]。在飛行任務(wù)結(jié)束后，通過提取和轉(zhuǎn)換無人機(jī)POS數(shù)據(jù)中的高程信息并與理論高程進(jìn)行對(duì)比，可以得到無人機(jī)在空中的穩(wěn)定狀況。

無人機(jī)在空中的高度是通過氣壓高度計(jì)進(jìn)行測量的，由于大氣壓強(qiáng)會(huì)隨著海平面高度以及氣溫值的改變而變化，因此三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系能夠按照公式(1)表達(dá)

Altitude=44 300×[1-(P/P0)]1/5.255

(1)

式中，P0為當(dāng)前溫度的海平面壓強(qiáng)；P為所求位置的壓，通過傳感器采集到的溫度和氣壓信息通過運(yùn)算以及轉(zhuǎn)換就能得到飛機(jī)當(dāng)前的高程信息并儲(chǔ)存在飛控系統(tǒng)中。實(shí)際高程與理論高程的中誤差和相對(duì)誤差可以按照公式(2)、(3)求取

(2)

(3)

式中，Mh為實(shí)際高程的中誤差；h理論為飛機(jī)的理論高程值；hi為每一張照片拍攝時(shí)的實(shí)際高程；M相對(duì)為實(shí)際高程中誤差相對(duì)于理論高程的誤差。

在港口進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)天氣狀況為多云，風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，風(fēng)速為4.6 m/s，達(dá)到了三級(jí)風(fēng)，由于設(shè)置的航線大致為東西方向，因此風(fēng)力會(huì)對(duì)飛機(jī)高度保持情況產(chǎn)生一定影響。為了后續(xù)與POS數(shù)據(jù)中的高程信息進(jìn)行對(duì)比，還需要測出起飛點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，經(jīng)RTK測量并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到起飛點(diǎn)的高程為30.86 m，由于試驗(yàn)時(shí)航高設(shè)置為140 m，則飛機(jī)飛行過程中理論上高程應(yīng)保持為170.86 m，同時(shí)測區(qū)范圍較小，將測區(qū)曲面近似看作平面，在飛行任務(wù)完成后，將POS信息中的高程信息提取出來進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并與理論高程進(jìn)行對(duì)比得到圖5所示結(jié)果。

圖5 照片實(shí)際高程與理論高程對(duì)比

經(jīng)圖5數(shù)據(jù)分析可以得到，無人機(jī)在空中作業(yè)時(shí)飛行高度是在設(shè)置的航高上下波動(dòng)，并且在航線變換進(jìn)行掉頭轉(zhuǎn)彎時(shí)高度波動(dòng)較大，在飛完第3條航線轉(zhuǎn)彎進(jìn)入第4條航線時(shí)波動(dòng)最大，此時(shí)實(shí)際高程高于理論高程3.91 m；高程最低點(diǎn)位于航線中部，根據(jù)地面控制站電腦端的反饋可知，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)風(fēng)速增大，導(dǎo)致飛機(jī)高度波動(dòng)，最低點(diǎn)實(shí)際高程低于理論高程3.60 m；同時(shí)計(jì)算得到高程中誤差為±1.61 m，相對(duì)于理論高程的誤差為1.1%，對(duì)獲取照片的質(zhì)量影響較小[19]，滿足測量精度要求。

3.2 任務(wù)成果

本次研究選擇PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D 3款軟件來處理航拍影像[20]。PIX4D軟件基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)一鍵處理，操作簡便，處理速度相對(duì)較快較快，處理過程僅需要人工操作刺點(diǎn)，能夠自動(dòng)生成三維模型、DOM和DSM；Agisoft Metashape軟件空三算法更為嚴(yán)密，同時(shí)將操作流程按順序集成到一個(gè)下拉菜單中，方便操作，生成的三維模型較PIX4D更為清晰平滑，還可以進(jìn)行批處理，將所需成果步驟添加到任務(wù)欄，便能一鍵執(zhí)行；Smart3D軟件是一款強(qiáng)大的建模軟件，所建模型可操作性高，效果更好，同時(shí)能與Agisoft Metashape交互操作。將Agisoft Metashape軟件進(jìn)行完空三測量的文件導(dǎo)入到Smart3D中建立模型，得到的成果質(zhì)量會(huì)更好。

飛行試驗(yàn)單次飛行拍攝照片357張，將飛行獲取的影像分別導(dǎo)入PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D中進(jìn)行處理，經(jīng)過加入像控點(diǎn)坐標(biāo)平差后得到的三維模型分別如圖6、7、8所示。

圖6 PIX4D三維模型主界面

圖7 Agisoft Metashape三維模型主界面

圖8 Smart3D三維模型主界面

3.3 精度對(duì)比

為了驗(yàn)證上述3款軟件生成成果模型的精度，把三維激光掃描得到的貨場數(shù)據(jù)視為真值，將3個(gè)影像處理軟件生成的三維模型和三維激光掃描數(shù)據(jù)同一個(gè)位置相同堆形的煤堆進(jìn)行體積比較，并計(jì)算出相對(duì)誤差，進(jìn)行分析。三維激光掃描得到的貨場點(diǎn)云數(shù)據(jù)在軟件RiSCAN PRO中經(jīng)拼接、濾波、裁剪等處理后[21]，如圖9所示。

圖9 港口貨場三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)

為了保證對(duì)比結(jié)果的可靠性，4個(gè)軟件計(jì)算同一貨位煤堆體積時(shí)采用相同的基準(zhǔn)面，同時(shí)為了驗(yàn)證無人機(jī)成果數(shù)據(jù)精度能滿足于各種地形，在港口貨場地面為平面、斜面和不規(guī)則平面各選取一堆煤堆進(jìn)行體積計(jì)算，煤堆分別命名為平面、斜面和不規(guī)則面。以斜面煤堆為例，RiSCAN PRO、PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D體積計(jì)算如圖10所示。

圖10 4款軟件計(jì)算斜面煤堆體積

3個(gè)煤堆體積和相對(duì)誤差在軟件中計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 4款軟件計(jì)算體積結(jié)果及相對(duì)誤差

可知，當(dāng)煤堆底面為平面時(shí)，由于基準(zhǔn)面較好確定，干擾因素較少，因此計(jì)算結(jié)果精度最高；底面為不規(guī)則面的煤堆位于港口河邊，同時(shí)受到樹木遮擋以及基準(zhǔn)面較難確定的影響，誤差略大；底面為斜面的煤堆，體積相對(duì)誤差介于上述兩者之間?？傮w來看，使用3款影像處理軟件計(jì)算得到的體積與三維激光數(shù)據(jù)計(jì)算的體積相差較小，最大誤差僅為3.77%，精度較高，根據(jù)貨場盤煤要求可知，該款無人機(jī)能夠滿足港口盤煤的精度要求。

4 結(jié)論

(1)通過將無人機(jī)獲取照片時(shí)的實(shí)際高程與理論高程進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)在作業(yè)時(shí)高度持續(xù)變化并且在設(shè)置的航高上下波動(dòng)。在三級(jí)風(fēng)的天氣情況下，該款無人機(jī)實(shí)際高程的中誤差為±1.61 m，相對(duì)于理論高程的誤差為1.1%，在空中波動(dòng)較小，飛行狀態(tài)穩(wěn)定，能夠滿足飛行品質(zhì)要求。

(2)影像數(shù)據(jù)在PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D中處理后，均能得到紋理清晰的三維模型，再將三維激光掃描數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行體積計(jì)算對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，3款影像處理軟件計(jì)算得到的體積與三維激光數(shù)據(jù)計(jì)算的體積相差較小，整體相對(duì)誤差保持在4%以內(nèi)，能夠滿足港口盤煤要求，并在成本、效率以及可適用性上優(yōu)于三維激光掃描，說明該款無人機(jī)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于貨場貨物盤點(diǎn)。

(3)為了使無人機(jī)在空中能夠更加穩(wěn)定地獲取照片，可以在航線之間添加航點(diǎn)，讓飛機(jī)更加平穩(wěn)地進(jìn)行航線轉(zhuǎn)變進(jìn)入新的航線，這樣在航線轉(zhuǎn)變的航高波動(dòng)就會(huì)大大減小；被樹木遮擋的部分影像在生成密集點(diǎn)云時(shí)導(dǎo)致地面出現(xiàn)的空洞，可以使用三維激光掃描的點(diǎn)云進(jìn)行修補(bǔ)，提高體積計(jì)算精度。

(4)經(jīng)過港口盤煤項(xiàng)目，驗(yàn)證了該款垂直起降無人機(jī)的性能以及精度的可靠性，在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中，將會(huì)根據(jù)需求對(duì)此無人機(jī)進(jìn)行升級(jí)和進(jìn)一步開發(fā)，使其能夠滿足更多的任務(wù)要求。