無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃方法與實(shí)現(xiàn)

鄧?yán)杞?/p>

摘 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)設(shè)備的應(yīng)用也愈加廣泛。采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝不僅效果好、生產(chǎn)周期短，并且運(yùn)行成本更低，具有很強(qiáng)的操作性。航跡規(guī)劃工作效果直接影響到無(wú)人機(jī)的拍攝質(zhì)量。本文重點(diǎn)對(duì)航拍無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃方法進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；航跡規(guī)劃；方法；拍攝

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.139

1 無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃設(shè)計(jì)

在正式開(kāi)展無(wú)人機(jī)航拍工作前，需要分析航拍任務(wù)、規(guī)劃航拍任務(wù)（包括準(zhǔn)備作業(yè)）、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)處理等工作。做好任務(wù)規(guī)劃工作能有效縮短無(wú)人機(jī)的滯空時(shí)間，不僅可以降低燃料浪費(fèi)量，還可以保證航拍任務(wù)順利完成，起降更加安全等。通過(guò)預(yù)選設(shè)定好的無(wú)人機(jī)航跡路線完成拍攝任務(wù)，獲取目標(biāo)對(duì)象的影像信息，再通過(guò)后期處理軟件展示航拍成果，完成整個(gè)拍攝任務(wù)。

2 區(qū)域影像測(cè)量的航線設(shè)計(jì)

（1）明確航帶方向。結(jié)合任務(wù)區(qū)域形狀來(lái)明確航線航行方向，取較長(zhǎng)邊作為航帶方向，最大程度上降低轉(zhuǎn)彎次數(shù)，保證航拍質(zhì)量。此外還需要充分考慮風(fēng)場(chǎng)等各項(xiàng)因素，若風(fēng)場(chǎng)控制不當(dāng)容易造成無(wú)人機(jī)偏航，無(wú)法保障影像信息的完整。

（2）航帶間距。事先確定飛行方向有多少個(gè)像元l，旁向像元h，旁向重疊度P，地面分辨率R，則可計(jì)算航帶間距L：

（3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。航測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行控制計(jì)算機(jī)采用WGS-84坐標(biāo)下大地坐標(biāo)（B，L，H），在任務(wù)規(guī)劃中的坐標(biāo)采用空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）。因此可將大地坐標(biāo)與空間直角坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

若任務(wù)區(qū)域采用大地坐標(biāo)作為頂角點(diǎn)坐標(biāo)，則可利用上述公式將大地坐標(biāo)（B，L）的轉(zhuǎn)化成為空間直角坐標(biāo)（X，Y）。將航測(cè)圖形中所設(shè)定的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)即可。

（4）生成航線。為了保證無(wú)人機(jī)在航拍中獲取完整的目標(biāo)對(duì)象影像，需在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加一定量的進(jìn)入航帶、離開(kāi)航帶的航線，這樣每條航帶會(huì)包含四大部分，包括進(jìn)入航帶、航程點(diǎn)攝影、停止攝影、離開(kāi)航帶。

若所拍攝的區(qū)域天氣狀況較差，可通過(guò)增加航線過(guò)渡點(diǎn)的方法，保證無(wú)人機(jī)正確進(jìn)入到航線中，避免產(chǎn)生偏航。即通常采用以下兩種航線設(shè)計(jì)方法：

1）順序航帶法。在航拍任務(wù)空間內(nèi)，將距離地面控制站最近的點(diǎn)作為航線起始點(diǎn)，第一條航帶航程點(diǎn)流程為：進(jìn)入航帶→開(kāi)始攝影→停止拍攝→離開(kāi)航帶，其中，在開(kāi)始攝影與停止攝影環(huán)節(jié)需要設(shè)置多個(gè)航程點(diǎn)，這樣可以提高無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，保持直線飛行。其余航帶也按照此順序進(jìn)行，從而完成航拍任務(wù)。

2）間隔航帶法。結(jié)合航帶間距公式進(jìn)行計(jì)算，通常計(jì)算出的航帶間距要小于無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行的轉(zhuǎn)彎半徑，故此情況采用順序航帶法無(wú)法保證無(wú)人機(jī)順利進(jìn)入到下一個(gè)航帶，其最終結(jié)果出現(xiàn)漏拍、影響重疊度不足等問(wèn)題。所以為確保整體拍攝質(zhì)量，可采用間隔航帶方法，也就是在航帶1拍攝完成后直接進(jìn)入到航帶3，航帶3拍攝完成后進(jìn)入到航帶5，在無(wú)人機(jī)達(dá)到邊界時(shí)同樣采用該方法拍攝完成剩余的航帶。

3 航跡規(guī)劃方法選擇

（1）選擇方法。通過(guò)實(shí)踐調(diào)查，在航高為150m時(shí)，航帶間距會(huì)低于最小轉(zhuǎn)彎半徑，無(wú)人機(jī)可從正航帶方向直線進(jìn)入航帶，但若轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小，則會(huì)在航帶過(guò)渡段產(chǎn)生較大偏移，即在入帶拍攝內(nèi)容中產(chǎn)生漏拍、重疊度不足等情況，同時(shí)無(wú)人機(jī)的能源損耗量也會(huì)快速增加，無(wú)法保證無(wú)人機(jī)正常運(yùn)行。故針對(duì)此類(lèi)型的區(qū)域特點(diǎn)，采用間隔航帶航拍方法可以盡量保證航拍質(zhì)量；若測(cè)量目標(biāo)區(qū)域空間廣闊，需重點(diǎn)考慮航程點(diǎn)數(shù)量及總航線位移，則選擇順序法航帶設(shè)計(jì)，保證航拍質(zhì)量處于最佳狀態(tài)。

（2）具體選擇方法。通過(guò)對(duì)比分析得出順序航帶、間隔航帶軌跡圖（如圖1、圖2），從圖中可見(jiàn)兩種航帶方法優(yōu)劣。

通過(guò)圖1圖2可見(jiàn)，在無(wú)人機(jī)沿著航帶飛行中，由于無(wú)人機(jī)內(nèi)部設(shè)置了導(dǎo)航控制模塊，因此可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航定位以及自動(dòng)駕駛，除在轉(zhuǎn)彎中產(chǎn)生一定的位移，飛行路線大致可保持一致，因此該無(wú)人機(jī)可滿足兩種航帶方法的飛行要求。由圖1知，無(wú)人機(jī)雖能直接進(jìn)入航帶且保持直線飛行，但由于彎道過(guò)小，航帶過(guò)渡較劇烈，剛?cè)牒綆r(shí)會(huì)產(chǎn)生重疊度不夠、拍攝遺漏等問(wèn)題，還會(huì)提高能源損耗量，無(wú)法保證無(wú)人機(jī)正常運(yùn)行。所以間隔航帶法更加適合此次拍攝。

4 結(jié)束語(yǔ)

順序航帶設(shè)計(jì)具有航程點(diǎn)少、航程短的優(yōu)勢(shì)，但在行距較小時(shí)會(huì)影響拍攝質(zhì)量；間隔航帶設(shè)計(jì)法能夠避免影響遺漏、重疊度小等問(wèn)題，但在拍攝空間大時(shí)需要設(shè)置多個(gè)航程點(diǎn)，總體位移更大，拍攝周期長(zhǎng)，對(duì)無(wú)人機(jī)續(xù)航有著較高標(biāo)準(zhǔn)，還需要后期調(diào)整影響順序，提高工作量。

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