刀鋒300C無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)研究

徐　峰,胡寶寶,杜　慶

(61243部隊(duì),新疆 烏魯木齊　 830000)

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刀鋒300C無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)研究

徐峰,胡寶寶,杜慶

(61243部隊(duì),新疆 烏魯木齊 830000)

摘要為了提高刀鋒300C無(wú)人機(jī)的飛行控制能力,更好地服務(wù)于遙感測(cè)繪方面的航拍任務(wù),通過(guò)對(duì)其飛行控制技術(shù)進(jìn)行研究,在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上,歸納出了更有效的作業(yè)方法,并提出了航跡規(guī)劃的改進(jìn)方案,解決了原有方案中存在的問(wèn)題。從而提高了作業(yè)效率,也增加了無(wú)人機(jī)的飛行安全,得到了滿足要求的測(cè)繪產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞無(wú)人機(jī)；飛行控制；航跡規(guī)劃；航拍

刀鋒300C無(wú)人機(jī)是我國(guó)自主研制的一款小型低空無(wú)人機(jī)[1,2],該機(jī)在航拍過(guò)程中的飛行控制已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,但智能化程度不夠[3],操作人員工作強(qiáng)度較大,容易出現(xiàn)操作不當(dāng),從而造成嚴(yán)重的飛行事故。因此,對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行完善,達(dá)到隨時(shí)解決各種突發(fā)情況的目的,就顯得尤為重要。

1飛行控制流程

接收飛行任務(wù)后,首先現(xiàn)場(chǎng)勘察航拍作業(yè)飛行區(qū)域,確定航拍起始點(diǎn)坐標(biāo)、起始航向、航線長(zhǎng)度。根據(jù)相機(jī)參數(shù)、像元尺寸、分辨率、重疊度確定飛行高度、航向間距和拍照間距,然后再根據(jù)這些參數(shù)編寫飛行文件,包括航跡規(guī)劃和降落回收,并適時(shí)上傳至無(wú)人機(jī)自駕儀,從而完成對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行控制[4]。刀鋒300C無(wú)人機(jī)飛行控制流程如圖1所示。

2飛行參數(shù)計(jì)算自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)

無(wú)人機(jī)在航跡規(guī)劃之前,需計(jì)算出航拍高度、航向間距、旁向間距。航拍高度由地面分辨率、相機(jī)焦距、像元尺寸計(jì)算得到；航向間距(曝光點(diǎn)間距)通過(guò)任務(wù)設(shè)計(jì)的航向重疊度、相機(jī)參數(shù)與飛行高度可以確定；旁向間距則由任務(wù)設(shè)計(jì)的旁向重疊度、相機(jī)參數(shù)與飛行高度確定。

圖1　刀鋒300C無(wú)人機(jī)飛行控制流程Fig.1　Chart of flight control procedure of unmannedaerial vehicle of Daofeng 300C

通過(guò)Excel表格公式將各種參數(shù)之間的關(guān)系連接起來(lái)。由于其任務(wù)載荷固定為Canon 5D Mark II,因此相機(jī)參數(shù)為定值,每次計(jì)算時(shí),只需要將任務(wù)設(shè)計(jì)的變量輸入。800 m航拍參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所列,其中后四項(xiàng)是根據(jù)任務(wù)手動(dòng)填寫的。

表1　800 m航拍參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3航跡規(guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

計(jì)算出飛行參數(shù)后,開始進(jìn)行航跡規(guī)劃[5,6]。在確定好風(fēng)向后(飛機(jī)必須迎風(fēng)或逆風(fēng)航拍),航跡規(guī)劃如圖2所示,方框內(nèi)為任務(wù)航拍區(qū)域。這種方法在拍攝過(guò)程中,無(wú)人機(jī)的無(wú)效飛行區(qū)域(任務(wù)區(qū)域之外)較大,大大影響了作業(yè)效率,同時(shí)增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖2　刀鋒300C傳統(tǒng)航跡規(guī)劃Fig.2　Traditional path planning of Daofeng 300C

針對(duì)這一現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了一種新的航跡,如圖3所示。在原有的基礎(chǔ)上,通過(guò)嚴(yán)格計(jì)算改變?cè)酗w行文件中的經(jīng)緯度坐標(biāo),使其在覆蓋任務(wù)區(qū)域的前提下,減少無(wú)效飛行。通過(guò)兩種航跡對(duì)比,無(wú)人機(jī)飛行10個(gè)航帶,新的航跡規(guī)劃可使飛機(jī)少飛近20 km,提高了作業(yè)效率。

圖3　刀鋒300C新的航跡規(guī)劃Fig.3　New path planning of Daofeng 300C

4增加航路點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

飛行控制是指無(wú)人機(jī)離開地面后,由自動(dòng)駕駛儀對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行的控制[7]。原有的控制文件中,航路點(diǎn)較為單一,只有完成任務(wù)所必須的節(jié)點(diǎn)才設(shè)為航路點(diǎn),沒(méi)有考慮在航拍時(shí)應(yīng)對(duì)突變的風(fēng)向,不能快速調(diào)整航線,如圖4所示。

在不影響正常航拍的前提下,增加航路點(diǎn),如圖5所示。由于每一個(gè)航路點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一行程序語(yǔ)句,所以在飛行過(guò)程中只能在地面站拉動(dòng)下一個(gè)航路點(diǎn),從而改變下一行程序語(yǔ)句,達(dá)到改變的目的。原有的航路點(diǎn)過(guò)少,導(dǎo)致調(diào)整余地較少,不夠靈活多變。而通過(guò)提前增加航路點(diǎn),可使飛行控制更加自如,尤其是在傘降過(guò)程中,通過(guò)移動(dòng)航路點(diǎn),能夠更好地使無(wú)人機(jī)迎風(fēng)降落。

圖4　飛行原定航跡Fig.4　Flight path scheduled

圖5　飛行實(shí)際航跡Fig.5　Actual flight path

5實(shí)時(shí)上傳方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

飛行文件的實(shí)時(shí)上傳,確保了刀鋒300C無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的靈活性,也提高了飛機(jī)的可控性和安全性。原有的實(shí)時(shí)上傳方案是兩次上傳,先上傳飛行作業(yè)(包括盤旋上升階段)程序,等到作業(yè)完成后,確定實(shí)時(shí)風(fēng)向,再上傳傘降程序,從而完成任務(wù)。但是飛機(jī)在盤旋上升過(guò)程中,盤旋圈數(shù)的確定需要考慮海拔、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度等多個(gè)方面,如果沒(méi)到預(yù)定高度就開始作業(yè),將會(huì)使任務(wù)不能正常進(jìn)行,增加了無(wú)效飛行時(shí)間[8]。

研究可將實(shí)時(shí)上傳分為三個(gè)階段:首先上傳飛機(jī)盤旋上升程序,觀察其是否到達(dá)航拍高度;到達(dá)航拍高度后,再上傳飛行作業(yè)程序;完成作業(yè)后,上傳傘降程序。通過(guò)實(shí)際飛行可以看出,將飛機(jī)盤旋上升程序和飛行航拍作業(yè)程序分別上傳后,對(duì)飛機(jī)爬高過(guò)程的控制更加合理,縮短了作業(yè)時(shí)間的同時(shí),也增加了飛機(jī)的安全系數(shù)。

6改進(jìn)前后的飛行結(jié)果

在原有飛行控制方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使得刀鋒300C無(wú)人機(jī)在參數(shù)計(jì)算上更加便捷,在壓入航線進(jìn)行航拍時(shí)更加平穩(wěn),保證了影像覆蓋率達(dá)到任務(wù)要求。在某測(cè)區(qū)的航拍過(guò)程中,采用傳統(tǒng)方案得到的DOM(正射影像)產(chǎn)品[9]如圖6所示,旁向重疊不穩(wěn)定,導(dǎo)致在制作DOM時(shí)會(huì)有漏洞,且精度不高。而采用新的方案后得到的DOM如圖7所示,解決了傳統(tǒng)方案出現(xiàn)漏洞的問(wèn)題,提高了精度,從而滿足任務(wù)需求。

圖6　改進(jìn)前DOMFig.6　DOM before improvement

圖7　改進(jìn)后DOMFig.7　DOM after improvement

7結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)刀鋒300C無(wú)人機(jī)的飛行控制技術(shù)改進(jìn),有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方案中的缺陷,確保地面站操作人員快速高效地完成航跡規(guī)劃、飛行文件編寫等作業(yè)步驟,增強(qiáng)了對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行控制能力,從而更好地承擔(dān)多樣化測(cè)繪任務(wù)。

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Study on Flight Control Technology of Unmanned Aerial Vehicle Based on Daofeng 300C

Xu Feng,Hu Baobao,Du Qing

(No.61243ofPLA,Urumqi830000,China)

AbstractMore effective operating method was concluded on basis of former technologies through researching the flight control technology thereof in order to improve flight control ability of unmanned aerial vehicle of Daofeng 300C and apply the flight control technology to aerial photo in aspect of remote sensing survey; and the improvement scheme of the path planning was proposed,which solved the problems in the former scheme.Therefore,the operating efficiency and the flight safety of the unmanned aerial vehicle are improved,and the surveying and mapping products meeting requirements are accessible.

Key wordsUnmanned aerial vehicle;Flight control;Path planning;Aerial photo

中圖分類號(hào):V249.122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)01-0073-04

作者簡(jiǎn)介:徐峰(1977-),女,甘肅慶陽(yáng)人,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)檫b感測(cè)繪.E-mail:shuoer0805@163.com.

收稿日期:2015-03-23;修回日期:2015-07-20.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.017.

引用格式:Xu Feng,Hu Baobao,Du Qing.Study on Flight Control Technology of Unmanned Aerial Vehicle Based on Daofeng 300C[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):73-76.[徐峰,胡寶寶,杜慶.刀鋒300C無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):73-76.]