基于無線圖傳技術(shù)的多旋翼無人機(jī)在口岸水尺鑒重中的應(yīng)用研究

劉進(jìn)濤 張祥龍 李雁寧

（連云港出入境檢驗(yàn)檢疫局，連云港 222042）

無人駕駛飛機(jī)簡稱無人機(jī)，無人機(jī)除在軍事領(lǐng)域應(yīng)用外，基于無線圖傳技術(shù)的多旋翼民用無人機(jī)還能夠?yàn)榭诎端哞b重提供低成本、高機(jī)動(dòng)性的水尺數(shù)據(jù)觀測手段。把無人機(jī)想象成一個(gè)“會(huì)飛的傳感器”，無人機(jī)就成了口岸水尺觀測的一個(gè)空中數(shù)據(jù)端口，從船舶狀況到水尺數(shù)據(jù)的快速讀取與記錄，無人機(jī)將為口岸水尺鑒重工作提供一種便捷的支撐手段[1]。本文利用無線圖傳技術(shù)，建立了一套基于“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺(tái)的無人機(jī)應(yīng)用方案，將無人機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)深度融合到進(jìn)出口貨物的數(shù)重量檢驗(yàn)監(jiān)管工作之中，以互聯(lián)網(wǎng)思維重新構(gòu)建進(jìn)出口貨物的數(shù)重量檢驗(yàn)監(jiān)管方式和方法，即：充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)和無人機(jī)在水尺觀測中的集成和優(yōu)化作用，將互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果深度融合于大宗商品檢驗(yàn)、監(jiān)管之中，全面提升全檢驗(yàn)條線的創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，形成更廣泛的以無人機(jī)為載體，以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施和工具的檢驗(yàn)檢疫新模式，更好地服務(wù)對外貿(mào)易發(fā)展。

1 無線圖像傳輸?shù)脑砑岸嘈頍o人機(jī)控制技術(shù)

無人機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)就是將空中處于飛行狀態(tài)的無人機(jī)所拍攝的畫面實(shí)時(shí)、穩(wěn)定地發(fā)射給地面的無線圖傳遙控接收設(shè)備。圖傳系統(tǒng)作為民用無人機(jī)的重要子系統(tǒng)之一，是無人機(jī)與控制端進(jìn)行人機(jī)交互的最重要手段，也是無人機(jī)最主要的應(yīng)用之一。目前，消費(fèi)級無人機(jī)最常用的無線圖像傳輸有模擬傳輸和數(shù)字傳輸兩種。模擬圖傳的功耗較高，解析度較低，不適合水尺觀測應(yīng)用。無線數(shù)字傳輸技術(shù)應(yīng)用較多的主要有Lightbridge與Wi-Fi。水尺觀測采用無人機(jī)的圖像傳輸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測。圖像傳輸?shù)慕馕龆?、流暢性和穩(wěn)定性對水尺觀測的準(zhǔn)確度有很大的影響。通過研究，選取出合適的圖像傳輸系統(tǒng)也是本文研究的目標(biāo)之一。無人機(jī)常用的圖傳方案如圖1所示。

1.1 Wi-Fi圖像傳輸技術(shù)

Wi-Fi圖像傳輸技術(shù)是一種利用無線信號傳輸圖像的數(shù)字通信方式，遵循TCP/IP協(xié)議，圖像傳輸需要發(fā)送端與接收端首先建立起通訊握手機(jī)制，再傳輸每個(gè)大小為512B的數(shù)據(jù)包。每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸必須完整無誤，丟失其中的一個(gè)字節(jié)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)包重新發(fā)送，確認(rèn)完整接收一個(gè)數(shù)據(jù)包之后，才開始傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包。這種基于TCP/IP協(xié)議的雙向握手機(jī)制很容易導(dǎo)致Wi-Fi圖傳無法實(shí)時(shí)傳輸航拍畫面。在無人機(jī)FPV飛行對實(shí)時(shí)性要求很高的大前提下，重新發(fā)送數(shù)據(jù)包會(huì)導(dǎo)致操控者無法看到實(shí)時(shí)畫面。

1.2 Lightbridge圖傳技術(shù)簡介

Lightbridge是DJI開發(fā)的數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)。根據(jù)目前的公開資料顯示，Lightbridge圖傳技術(shù)最高可傳輸1080p的全高清圖像數(shù)據(jù)，實(shí)測有效傳輸距離高達(dá)1.7km，同時(shí)內(nèi)置2.4GHz遙控器鏈路和OSD飛行數(shù)據(jù)疊加系統(tǒng)。Lightbridge是一種基于2.4GHz或5.8GHz頻段的單向圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，類似位于電視廣播塔的數(shù)據(jù)傳輸形式。得益于Lightbridge圖傳技術(shù)的單向傳輸性，DJI無人機(jī)使用的距離是一般使用普通Wi-Fi圖傳無人機(jī)的2～3倍。因此，其更適合在電磁環(huán)境復(fù)雜的大型船舶水尺觀測工作中使用。

1.3 多旋翼

多旋翼無人機(jī)是一種新型的可垂直起降的小型無人機(jī)，其中，四旋翼無人機(jī)通過改變4個(gè)對稱分布的旋翼的轉(zhuǎn)速來調(diào)整姿態(tài)與位置，具有可懸停、機(jī)動(dòng)性好、結(jié)構(gòu)簡單等多種優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[2]。

四旋翼無人機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了其既可以沿x軸前后運(yùn)動(dòng)，也可沿y軸左右運(yùn)動(dòng)。四旋翼無人機(jī)由于具有可懸停、可以側(cè)向飛行和后退飛行的特點(diǎn)，所以非常適用于口岸水尺數(shù)據(jù)的觀測。

1.4 多旋翼無人機(jī)的飛行控制

無人機(jī)的飛行控制是無人機(jī)研究領(lǐng)域的主要問題之一。在飛行過程中無人機(jī)會(huì)受到各種因素干擾，如傳感器的噪音與漂移、強(qiáng)風(fēng)與亂氣流、載重量變化及傾角過大引起的模型變動(dòng)等，這些因素都會(huì)嚴(yán)重影響飛行器的飛行品質(zhì)。因此，無人機(jī)的控制技術(shù)便顯得尤為重要。傳統(tǒng)的控制方法主要集中于姿態(tài)和高度的控制，除此之外，還有一些用來控制速度、位置、航向、3D軌跡跟蹤等。目前主要的無人機(jī)飛行控制方法包括線性飛行控制方法、基于學(xué)習(xí)的飛行控制方法、基于模型的非線性控制方法和智能控制方法等[3]。

2 水尺計(jì)重的原理和一般方法

水尺計(jì)重是依據(jù)“阿基米德定律”，對承運(yùn)船舶裝載或卸載前、后的吃水進(jìn)行觀測，并依據(jù)船舶的準(zhǔn)確圖表，經(jīng)必要之校正，查算船舶排水量，結(jié)合船舶壓載水、淡水、燃油、船用物料及非貨物的重量測算，以確定裝載或卸載貨物重量的一種計(jì)重方法[4]。

在實(shí)踐中，一般通過觀測船艏、船舯和船艉左右兩側(cè)共6處吃水標(biāo)記來進(jìn)行排水量的計(jì)算。由于貨輪停泊一般只有一側(cè)靠岸邊，另外一側(cè)的水尺標(biāo)記讀取非常困難。有時(shí)貨輪停泊在錨地等開闊水域，兩側(cè)均不靠近岸邊，水尺觀測就更加困難。因此，利用基于無人圖像傳輸技術(shù)的多旋翼無人機(jī)進(jìn)行航拍來讀取水尺數(shù)據(jù)是一項(xiàng)安全、高效的水尺觀測方式。船艏、船舯、船艉吃水修正及相應(yīng)垂線位置示意圖如圖3所示。

2.1 多旋翼無人機(jī)在口岸水尺計(jì)重中的應(yīng)用

水尺鑒重作為水運(yùn)大宗散裝貨物的主要計(jì)重方式，廣泛應(yīng)用于鐵礦、煤炭、大豆、化肥等散裝貨物的重量鑒定。將多旋翼無人機(jī)技術(shù)與水尺鑒重工作相結(jié)合，鑒定人員可站在船舶甲板上或大副辦公室內(nèi)，通過遠(yuǎn)程操縱，控制無人機(jī)懸停在水尺標(biāo)記上方，利用無人機(jī)攜帶的高清攝像頭錄制水尺標(biāo)記附近水線畫面，同時(shí)通過無線圖傳系統(tǒng)將畫面實(shí)時(shí)傳回接收設(shè)備上，方便觀測。

2.2 水尺數(shù)據(jù)的觀測方式

利用無人機(jī)可以方便地懸停在大型貨輪的水尺標(biāo)記上方，通過視頻信號接收裝置觀測水尺標(biāo)記處的吃水狀態(tài)。利用地面站可以超視距操控?zé)o人機(jī)對水尺進(jìn)行觀測，但由于大型船舶復(fù)雜的安全環(huán)境和電磁環(huán)境，一般不推薦超視距飛行。無人機(jī)起飛前應(yīng)檢查機(jī)身、槳葉、電池是否卡緊，開機(jī)自檢查看GPS信號和指南針信號是否正常，電池電量是否充足，檢查無誤后可以起飛。

2.2.1 船舶一側(cè)靠岸停泊狀態(tài)下的水尺觀測

操控?zé)o人機(jī)從船舯視野開闊處起飛，將無人機(jī)拉升到適當(dāng)高度后按照船舯到船艏再到船艉的飛行路線依次檢視水尺標(biāo)志。為保證在緊急情況下有足夠的應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間，無人機(jī)飛行時(shí)需保持一定飛行高度并與船舷間距至少3m。水尺檢視時(shí)將無人機(jī)控制切換到GPS模式或視覺定位模式，使其自動(dòng)懸停在水尺標(biāo)記上方；同時(shí)，控制無人機(jī)攝像頭瞄準(zhǔn)水尺標(biāo)志拍攝水尺畫面，圖傳模塊將水尺畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲竟z驗(yàn)人員讀取水尺讀數(shù)；每個(gè)水尺標(biāo)志處懸停時(shí)間不得小于1min～2min。

2.2.2 船舶在空曠水域停泊狀態(tài)下的水尺觀測方式

空曠水域的水尺觀測和靠泊水尺觀測類似，不同的是要觀測6面水尺并更多地考慮風(fēng)浪的影響。操控?zé)o人機(jī)起飛后按照繞船一周的飛行路線檢視水尺標(biāo)志。由于空曠水域的風(fēng)浪較大，無人機(jī)穩(wěn)定性受到影響，應(yīng)適當(dāng)加大安全距離，延長懸停觀測時(shí)間，避免超視距飛行。在無人機(jī)飛行過程中時(shí)刻關(guān)注其飛行動(dòng)態(tài)，包括無人機(jī)飛行狀態(tài)列表，無人機(jī)電量、姿態(tài)、高度和方向，信號強(qiáng)度，空域內(nèi)是否有其它飛行器或危險(xiǎn)情況，如有異常情況立即就近降落。

3 飛行安全與注意事項(xiàng)

飛行環(huán)境和安全在無人機(jī)的應(yīng)用中非常重要。目前對于民用無人機(jī)飛行安全的研究主要集中在禁飛區(qū)和限飛區(qū)，以及飛行器本身的電量、信號燈方面。本文結(jié)合無人機(jī)中口岸水尺鑒重中的應(yīng)用提出了3項(xiàng)新的安全要求。

3.1 與水面保持安全高度

無人機(jī)在飛行時(shí)會(huì)與水平面成一定的俯仰角，在飛行過程中受力矩的影響，高度會(huì)略微降低，因此，要與水面保持一定的安全距離。測試發(fā)現(xiàn)，在水面波浪30cm的微風(fēng)環(huán)境安全高度至少要在1m，懸停時(shí)可以略微降低。為保證飛行器安全，無人機(jī)飛行前應(yīng)先升高至距離水面1.5m以上的距離再開始飛行。

3.2 與船體和大型機(jī)械保持安全距離

鋼制船體和大型機(jī)械會(huì)對磁場、GPS信號和無線控制信號產(chǎn)生干擾，因此，無人機(jī)在飛行過程中應(yīng)與船體保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x。在懸停時(shí)，無人機(jī)應(yīng)與船體保持2.5m以上的安全距離，在飛行時(shí)，應(yīng)保持5m以上的安全距離，在距離船體較近的飛行過程中，無人機(jī)應(yīng)在操作人員的視線范圍之內(nèi)。

在船舶甲板上方或周圍飛行時(shí)，無人機(jī)就進(jìn)入了碼頭機(jī)械和船上吊機(jī)的工作范圍。特別是港口門機(jī)在開始裝卸貨物前，往往會(huì)試車以驗(yàn)證機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)正常，以及保證裝卸工作正常開展。試車時(shí)吊機(jī)抓斗運(yùn)行速度較快，且無人機(jī)在空中時(shí)駕駛員缺乏參照物，難以把握遠(yuǎn)近距離，碰撞風(fēng)險(xiǎn)較大。所以，在飛行時(shí)要關(guān)注正在作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，與之保持安全距離或選擇繞行，保證安全。

3.3 遠(yuǎn)離作業(yè)人員

總體來說，泊位船舶沒有進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，港口工作人員相對較少，且大部分在控制室或駕駛艙內(nèi)工作，但在無人機(jī)飛行前仍需注意觀察是否有人員聚集的區(qū)域，甲板上或碼頭面是否有作業(yè)人員。普通無人機(jī)水平飛行速度可達(dá)30m/s，電機(jī)轉(zhuǎn)速通常在8000rpm～10000rpm，可對人員造成巨大傷害，飛行時(shí)應(yīng)注意遠(yuǎn)離人群。對于配備空中緊急停機(jī)的無人機(jī)可以在遇到意外情況時(shí)使無人機(jī)在空中停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，避免對人群造成更嚴(yán)重的傷害。

4 結(jié)束語

基于無線圖傳技術(shù)的多旋翼無人機(jī)是一種新型民用無人機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，安全性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。本文研究了基于無線圖傳技術(shù)的多旋翼無人機(jī)在口岸水尺鑒重中的應(yīng)用，并得出以下主要結(jié)論：

（1）分析了無線圖傳的原理，對比了幾種無線圖傳方式，篩選出了適合口岸水尺鑒重的圖傳方式。

（2）分析了多旋翼無人機(jī)的飛行特點(diǎn)，并根據(jù)多旋翼無人機(jī)的飛行特點(diǎn)和口岸水尺鑒重工作環(huán)境設(shè)計(jì)了無人機(jī)的安全飛行標(biāo)準(zhǔn)。

（3）設(shè)計(jì)了使用無人機(jī)進(jìn)行水尺觀測的方法并進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文對基于無線圖像傳輸技術(shù)的多旋翼無人機(jī)在口岸水尺鑒重中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，無人機(jī)可用于檢驗(yàn)檢疫工作中危險(xiǎn)系數(shù)高、人工操作執(zhí)行困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大的水尺觀測工作，并縮短水尺觀測的工作時(shí)長，提升水尺觀測的工作質(zhì)量，但是，民用多旋翼無人機(jī)還有許多需要改進(jìn)的地方，如：完善防水功能和夜視功能，實(shí)現(xiàn)雨天作業(yè)和夜間圖像采集功能，提高無人機(jī)的適用范圍。

1 梁瑞彪. 淺析多旋翼無人機(jī)在水域環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊）, 2016, (11): 146～147

2 鐘佳朋. 四旋翼無人機(jī)的導(dǎo)航與控制[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010

3 曾慶華, 張為華. 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2011

4 中華人民共和國出入境檢驗(yàn)檢疫行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). SN/T 2389.2—2012進(jìn)出口商品重量鑒定規(guī)程[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013