無(wú)人飛艇氣囊體積監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚金，杜超，李彤

(中國(guó)航天科工集團(tuán)七八〇一研究所，湖南長(zhǎng)沙410205)

0 引言

目前，以系留氣球和自控飛艇為代表的飛艇以其耗能少、滯空時(shí)間長(zhǎng)、載重量大等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于軍用、民用等領(lǐng)域。近年來(lái)，以具有3 km滯空高度能力的系留氣球和平流層自控飛艇浮空平臺(tái)為代表的大型無(wú)人飛艇項(xiàng)目更是成為研究的熱點(diǎn)，具有廣闊和良好的應(yīng)用前景。大型無(wú)人飛艇實(shí)際可升空高度和滯空時(shí)間與飛艇氣囊的充氣量大小密切相關(guān)，因此，為保證飛艇的升空與回收安全，必須對(duì)氣囊的充氣量大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為放飛決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段都是以氣囊飽滿(mǎn)度定性估計(jì)，具有很大的主觀性和不確定性，所以對(duì)大型無(wú)人飛艇氣囊的體積定量測(cè)量就顯得非常迫切。

以激光掃描為代表的光學(xué)三維大尺寸測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的激光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)距技術(shù)不同，激光掃描測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為空間信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，由傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取，提高了觀測(cè)的速度和準(zhǔn)確度，由于其融合了激光反射強(qiáng)度和物體色彩等光譜信息，可以真實(shí)描述目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)、形態(tài)特性以及光譜特征，具有測(cè)量范圍大、準(zhǔn)確度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為大型飛行器、地形地貌、城市建筑三維重建等大尺寸物體幾何量測(cè)量的主要手段之一?；谌S激光測(cè)量的大型無(wú)人飛艇氣囊體積監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是通過(guò)激光掃描獲得氣囊曲面點(diǎn)到激光掃描儀的距離，而后通過(guò)一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理最終構(gòu)建氣囊的三維幾何模型，從而定量計(jì)算出氣囊的體積［1］。由于激光掃描獲取點(diǎn)云的速度較快，可以滿(mǎn)足對(duì)飛艇氣囊體積進(jìn)行即時(shí)監(jiān)控的要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在飛艇氣囊底腹部中心位置安裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)能力不小于180°的云臺(tái)，具有180°扇區(qū)跨度掃描能力的二維激光陣列掃描儀裝在云臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)充氣后氣囊外形特征點(diǎn)的快速掃描，激光掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)總體路線是:艇載計(jì)算機(jī)對(duì)激光掃描原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行解算，轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)體系，隨后通過(guò)內(nèi)插值、濾波技術(shù)重構(gòu)氣囊外形輪廓，最后通過(guò)積分獲得氣囊的體積。

如圖2所示，以掃描儀為原點(diǎn)O，囊體的平行切平面XbOYb為基準(zhǔn)面。云臺(tái)0時(shí)刻從零位線起，在設(shè)定的角速度ω下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮云臺(tái)零位線與掃描基準(zhǔn)線相差一個(gè)角度ψ0，則通過(guò)掃描基準(zhǔn)線的時(shí)刻為tb=ψ0/ω。從tb時(shí)刻開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，每隔Δt(即每隔ωΔt的間隔角)對(duì)氣囊基準(zhǔn)面以上的斷面進(jìn)行掃描，掃描儀按均分原理保留每個(gè)掃描斷面特征點(diǎn)到掃描原點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，當(dāng)云臺(tái)工作時(shí)間達(dá)到tb+180/ω時(shí)，完成對(duì)基準(zhǔn)面XOZ以上的氣囊特征點(diǎn)的掃描，采集工作停止，云臺(tái)復(fù)位，等待下一個(gè)掃描采集指令。

圖2 掃描系統(tǒng)安裝位置與掃描方式

對(duì)于掃描斷面上的任意點(diǎn)Ai，假設(shè)云臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)掃描基準(zhǔn)線的角度為ψi，Ai所對(duì)應(yīng)的掃描斷面方位角為θi，到掃描原點(diǎn)的距離為di，則Ai點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)系OXbYbZb的坐標(biāo)可以表示為

通過(guò)公式(1)即可把氣囊掃描斷面上的任意點(diǎn)的距離特征進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得基準(zhǔn)面以上的氣囊空間特征坐標(biāo)。若已知云臺(tái)安裝初始誤差角，則掃描點(diǎn)Ai的空間坐標(biāo)可按攝影測(cè)量原理中的共線方程計(jì)算:

式中:

式(2)中的矩陣分量均與坐標(biāo)系安裝初始誤差角有關(guān)，通過(guò)式(2)變換可以消除系統(tǒng)安裝時(shí)引入的初始誤差角［2］。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 內(nèi)插值法

無(wú)人飛艇氣囊體積監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)之一是掃描儀采集到氣囊外形特征點(diǎn)后，如何將已有特征點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)格插值，重構(gòu)出氣囊的三維外形輪廓。本設(shè)計(jì)采用雙線性插值算法構(gòu)建三角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，然后構(gòu)建計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)在三角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中進(jìn)行搜尋插值，通過(guò)查找均分點(diǎn)位于哪個(gè)三角形中來(lái)構(gòu)建其高程差值，獲得網(wǎng)格點(diǎn)整齊均分的計(jì)算網(wǎng)格坐標(biāo)，最終構(gòu)建氣囊的三維特征外形。圖3為計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)在三角網(wǎng)格中的位置。為了確保計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)高程插值的一一對(duì)應(yīng)屬性，在對(duì)氣囊外形進(jìn)行三維重建時(shí)采用了區(qū)域分塊技術(shù)，把氣囊分為多個(gè)部分分別進(jìn)行計(jì)算，最后通過(guò)面拼接將各部分體積累加即為總體積。

圖3 平面三角網(wǎng)與待插值點(diǎn)

2.2 數(shù)據(jù)濾波

由于無(wú)人飛艇氣囊為柔性囊體，飛艇氣囊體積監(jiān)測(cè)裝置使用時(shí)無(wú)法進(jìn)行剛性固定，掃描儀在掃描時(shí)的晃動(dòng)振動(dòng)將形成散亂點(diǎn)或者空洞等雜波或噪聲，需要通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪濾波，以保證原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的平滑特性［3-4］。

假設(shè)某一斷面采集了n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，當(dāng)對(duì)點(diǎn)Si((nj)＞i＞j)進(jìn)行濾波時(shí)，先根據(jù)不同的測(cè)量環(huán)境選定參數(shù)值j(j的取值一般為2到5之間)，求出Si及兩邊相鄰的各j個(gè)點(diǎn)Si-j，…，Si，Si+1，…，Si+j到激光器S0的距離Di-j，…，Di，Di+1，…，Di+j;而后對(duì)距離設(shè)定權(quán)值，對(duì)Di其權(quán)值設(shè)定為2j，余下的Dk(i-j≤k≤i+j)權(quán)值設(shè)為1，根據(jù)激光測(cè)量的環(huán)境不同，濾波閾值fd應(yīng)滿(mǎn)足

當(dāng)距離信號(hào)低于閾值時(shí)，將距離信號(hào)值濾除;利用中值濾波，剔除奇異點(diǎn);利用曲面擬合去除前端遮擋物。通過(guò)上述處理方法，可以剔除原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤點(diǎn)和含有粗大誤差的點(diǎn)。

2.3 控制及采集方案

控制及采集系統(tǒng)由激光掃描儀、小型云臺(tái)、串口/以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器、艇載以太網(wǎng)交換機(jī)、光纖收發(fā)器和地面測(cè)控計(jì)算機(jī)組成，為避免定位誤差的累積，每個(gè)掃描周期后云臺(tái)都將復(fù)位至原始位置，小型云臺(tái)在水平面從0°轉(zhuǎn)動(dòng)至200°再?gòu)?fù)位至0°的時(shí)間為一個(gè)掃描周期，掃描周期T0的值隨著云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)速的大小而變化，云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)速可通過(guò)地面測(cè)控計(jì)算機(jī)上的云臺(tái)控制軟件來(lái)設(shè)定?？紤]到測(cè)量誤差，舍棄云臺(tái)(0°，10°)和(190°，200°)兩個(gè)不勻速運(yùn)動(dòng)的區(qū)間，只選取掃描周期中云臺(tái)轉(zhuǎn)速均勻的中間段(10°，190°)進(jìn)行采集，采集角度范圍依然保持為180°。地面測(cè)控計(jì)算機(jī)的采集頻率根據(jù)采集周期和最小采樣角度來(lái)確定，本方案中采樣角度為1°～5°，采集頻率f與掃描周期T0之間的關(guān)系為

式中:α為采樣角度范圍;β為最小采樣角度。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用某型飛艇氣囊對(duì)無(wú)人飛艇氣囊體積監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，無(wú)人飛艇氣囊體積監(jiān)測(cè)裝置對(duì)氣囊進(jìn)行激光掃描后，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理重構(gòu)出氣囊的三維特征外形如圖4所示。

經(jīng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師確認(rèn)，氣囊充氣飽和后的體積設(shè)計(jì)理論值為234 m3，對(duì)氣囊連續(xù)進(jìn)行6次測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表1所示，6次測(cè)量均值為235.08 m3，重復(fù)性為0.47 m3，實(shí)測(cè)均值與設(shè)計(jì)理論值相對(duì)誤差為0.46%，相對(duì)誤差控制在±1%以?xún)?nèi)，單次測(cè)量時(shí)間小于10 s，無(wú)人飛艇氣囊體積監(jiān)測(cè)裝置可以滿(mǎn)足對(duì)囊體體積即時(shí)測(cè)量的要求。

圖4 軟件重構(gòu)測(cè)量結(jié)果界面

表1 氣囊即時(shí)檢測(cè)值 m3

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將三維激光掃描技術(shù)引入無(wú)人飛艇氣囊體積測(cè)量，通過(guò)激光掃描獲取氣囊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用雙線性插值算法構(gòu)建三角網(wǎng)格，最終重構(gòu)氣囊的三維幾何模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人飛艇氣囊體積即時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，體積測(cè)量相對(duì)誤差在±1%以?xún)?nèi)。另外，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況還可以做以下幾方面的改進(jìn):①對(duì)于采樣點(diǎn)擬合表面與真實(shí)表面的誤差，以及測(cè)量過(guò)程中氣囊外形由于外界干擾所產(chǎn)生的形變誤差，可采用k-最近鄰方法構(gòu)造氣囊表面的三角形網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合設(shè)計(jì)外形以及制造過(guò)程中引入的常見(jiàn)外形偏差及分布的分析，獲得每個(gè)三角形的先驗(yàn)曲面形式，最終重建三維表面;②對(duì)于氣囊飽和度較小時(shí)產(chǎn)生的掃描盲區(qū)所引入的擬合處理誤差，可配合艇內(nèi)攝像機(jī)來(lái)綜合評(píng)定特征外形;③通過(guò)優(yōu)化軟件算法進(jìn)一步縮短單次測(cè)量的時(shí)間，提高系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性。

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