基于北斗的無人機(jī)編隊地貌監(jiān)測系統(tǒng)

李卓楠

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技不斷蓬勃發(fā)展，地貌地形監(jiān)測需求與要求也越來越高，如何在人工成本高，技術(shù)尚未完全成熟的情況下對未知地域地形地貌進(jìn)行精準(zhǔn)、高質(zhì)量的監(jiān)測成為當(dāng)下地質(zhì)研究人員研究的一大重要問題。本項目針對這一問題，提出了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)研究研發(fā)無人機(jī)編隊地貌監(jiān)測系統(tǒng)，利用其成本低廉，行動靈活快速，覆蓋面積廣等優(yōu)點來滿足當(dāng)前對地貌監(jiān)測的較高要求。該系統(tǒng)創(chuàng)新性的將北斗導(dǎo)航技術(shù)與嵌入式無人機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，充分利用兩者的優(yōu)勢，對未知領(lǐng)域的地貌情況進(jìn)行采集評估，迅速掌握未知地貌的大量基本信息，方便人們進(jìn)一步生產(chǎn)生活的進(jìn)行。

【關(guān)鍵詞】北斗導(dǎo)航;無人機(jī)編隊;地貌監(jiān)測;嵌入式系統(tǒng)

一、引言

認(rèn)識自然，進(jìn)而利用自然與改造自然是人類為建成更好、更美、更優(yōu)家園的必經(jīng)過程，認(rèn)識自然作為首要步驟，是充分利用自然資源的必經(jīng)之路。中國地大物博，未知領(lǐng)域地貌監(jiān)測工作的實施必然需要先進(jìn)的技術(shù)的支持。當(dāng)今時代，科技發(fā)展迅速，信息技術(shù)對生產(chǎn)發(fā)展的影響越來越大，北斗定位系統(tǒng)以及無人機(jī)的出現(xiàn)在很大程度上解決了地貌監(jiān)測行業(yè)發(fā)展需求，尤其是一些僅僅通過人力無法或很難實行的任務(wù)，例如：大型沙漠及高山森林的地貌監(jiān)測。其監(jiān)測過程所需成本高，精度要求高，而無人機(jī)與北斗定位系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合則充分地利用其兩者的優(yōu)點，解決地質(zhì)工作者所遇到的問題，因此此系統(tǒng)的研究十分有必要。

二、地貌監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 單個無人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1.1 飛控系統(tǒng)主要構(gòu)架

飛控系統(tǒng)作為一個嵌入式系統(tǒng)，主控采用STM32作為中心控制器，傳感器有：加速度計陀螺儀MPU6050、磁力計IST8310、氣壓計SPL06、攝像頭模塊、北斗導(dǎo)航定位模塊等，飛控算法主要有：傳感器濾波、傳感器校準(zhǔn)、姿態(tài)解算、慣性導(dǎo)航、控制算法、視覺處理等，飛控功能主要為：一鍵起飛、一鍵降落、北斗定位定點、北斗定速巡航、拍照錄像、自動返航降落、自動追蹤移動模式等。

2.1.2 飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計

飛控系統(tǒng)的硬件方面為我們自主設(shè)計的pcb板，其充分發(fā)揮了自主設(shè)計的優(yōu)勢，相較于當(dāng)前市場上的成品飛控系統(tǒng)，我們可以做到舍棄無必要的功能，僅設(shè)置所需功能，能夠節(jié)省體積，節(jié)省制作生產(chǎn)成本，提高工作效率。傳感器放置于封閉空間，使用發(fā)泡海綿填充，給氣壓計氣提供穩(wěn)定的氣流環(huán)境。減震方式采用斜拉式減震方案，業(yè)界公認(rèn)最優(yōu)秀的外部物理減震方案，不同硬度的斜拉球可選，為飛控提供穩(wěn)定的溫床。

2.1.3 飛控主要控制算法設(shè)計

濾波器設(shè)計：在我們的設(shè)計中，對傳感器采集時并沒有設(shè)置內(nèi)部低通，通過比較原始信號在懸停油門附近與靜止時的頻譜圖，確定由于機(jī)體震動而產(chǎn)生的傳感器噪聲的截止頻率，設(shè)計二階巴特沃斯濾波器對噪聲信號進(jìn)行處理。同時針對姿態(tài)解算與慣性導(dǎo)航所應(yīng)用到的主導(dǎo)傳感器不同，同一量在我們的研究項目中在不同使用條件下的截止頻率也會不一樣。

慣性導(dǎo)航：本項目前期對APM以及PIX飛控采用的三階互補(bǔ)方案原理進(jìn)行了學(xué)習(xí)以及驗證，接著采用單觀測量的卡爾曼濾波對當(dāng)無人機(jī)的豎直位置、速度進(jìn)行慣導(dǎo)融合，然后針對氣壓計觀測傳感器具有一定的滯后性，所引起的快速運(yùn)動時慣導(dǎo)收斂慢問題，提出了一種可以延時修正的新型慣性融合算法。目前對于水平方向慣導(dǎo)融合我們團(tuán)隊采用的是雙觀測量帶延時修正的卡爾曼濾波慣導(dǎo)算法。

自適應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)算法：由于加速度計在高速且?guī)в行D(zhuǎn)的運(yùn)動中的輸出會出現(xiàn)一定的時滯，并且陀螺儀在低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中的精度有限，為了有效的補(bǔ)償由于上述因素所造成的誤差，本文使用了一種自適應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)算法。

2.2 北斗導(dǎo)航在監(jiān)測系統(tǒng)中的運(yùn)用

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)定位的主要方法有偽距觀測值測量和載波相位值測量。

偽距觀測值測量：當(dāng)無人機(jī)上安裝的接收機(jī)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有同步的時鐘時，信號在空間中的傳播時間就可以通過接收機(jī)接收到衛(wèi)星發(fā)射過來的信號的時間計算出來，根據(jù)傳播速度與時間，可以求出衛(wèi)星與無人機(jī)之間的距離。

載波相位測量：此種測量方式通過加載測距碼和導(dǎo)航信息的載波的相位數(shù)測量獲得，因此我們稱它為載波相位觀測量，其比偽距觀測值所測量結(jié)果擁有更高精度，在北斗導(dǎo)航的高精準(zhǔn)度優(yōu)點上起重大作用。

2.3 無人機(jī)編隊系統(tǒng)的設(shè)計

2.3.1 編隊的信息交互

編隊在執(zhí)行任務(wù)時往往保持每架無人機(jī)在其隊伍中的相對位置的固定，其編隊要想保持幾何形態(tài)在飛行過程中的相對穩(wěn)定，就需要在他們之間存在信息的交互。常見的信息交互控制方法基本上有三種：集中式控制、分布式控制、分散式控制。經(jīng)研究，我們決定采用分布式控制，編隊中的每一架無人機(jī)都會將自己的位置、目標(biāo)、速度與其他的無人機(jī)進(jìn)行交互分享，雖然其控制性較差，信息的交互性不強(qiáng)，但可以大大減少計算量，系統(tǒng)和控制算法相對比較簡單，對機(jī)載控制核心要求比較低。

2.3.2 隊形控制算法

對于編隊隊形的控制算法，經(jīng)過對許多學(xué)者的大量作品的研究，發(fā)現(xiàn)目前較為成熟的控制算法主要有：長機(jī)——僚機(jī)法、虛擬結(jié)構(gòu)法、基于行為法、人工勢場法、PID法等。本系統(tǒng)擬采用經(jīng)典的PID控制算法，該算法有利于消除部分干擾信號所引起的誤差，利用線性化原理，來得到需要使用的線性方程，但PID控制器的參數(shù)整定會影響著控制器的性能，我們可以利用相關(guān)軟件，例如Matlab來對PID參數(shù)進(jìn)行配置。

2.3.3 無人機(jī)航線跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計

對于一些復(fù)雜地貌的監(jiān)測，我們需要制定相應(yīng)的航線來對此地區(qū)有效的進(jìn)行監(jiān)測，因此無人機(jī)航線跟蹤系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制便顯得格外重要。使用偏側(cè)控制是常有的應(yīng)對方案，在執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)飛行前，將事先制定好的飛行航線導(dǎo)入中心控制器中，利用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)測量無人機(jī)當(dāng)前的位置，這樣就可以得到無人機(jī)當(dāng)前偏離航線的偏側(cè)距和偏側(cè)速率，依據(jù)這些數(shù)據(jù)來調(diào)整無人機(jī)的航向角，最終消除當(dāng)前航線與目標(biāo)航線的誤差。

2.4 地貌監(jiān)測方案的研究與設(shè)計

2.4.1 航測相機(jī)的需求與選取

為了獲取高精度，高分辨率的地貌攝影材料，航測相機(jī)的選取是一個關(guān)鍵，由于無人機(jī)的動力和體積有限，因此相機(jī)的體積與重量便顯得格外重要，非量測型數(shù)碼相機(jī)則為最佳選擇。

2.4.2 巡航速度的分析與使用

因為采用低成本非量測型數(shù)碼相機(jī)作為攝像機(jī)，所以除了縮短曝光時間外，合理的控制巡航速度也是提高航空影像清晰度的一個關(guān)鍵點。影像的位移X、曝光時間t、巡航速度v、飛行高度H、地物高度差、相機(jī)焦距f，它們之間擁有一個人關(guān)系式：

根據(jù)此式即可求得合理的巡航速度。

2.4.3 航測相片后期處理

由于使用無人機(jī)拍攝系統(tǒng)的自身的特點決定了其航測相片的獲取以及后期的處理都有其特殊的方式，過程主要分為兩步：提取數(shù)據(jù)和航片自動預(yù)處理。從飛控及相機(jī)中提取相片、POS參數(shù)、北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù);將各項提取出來的數(shù)據(jù)導(dǎo)入航測系統(tǒng)的后期處理軟件Postflight3D中，就可以開始自動的拼接、處理、圖像增強(qiáng)、DEM生成和DOM制作。

三、結(jié)論

本文描述了基于北斗的無人機(jī)編隊地貌監(jiān)測系統(tǒng)，它專門設(shè)計適用于各種復(fù)雜不利于人工或單兵勘測的地形地貌上，以克服它們傳統(tǒng)勘測設(shè)備所出現(xiàn)的不足，且擁有更多新型功能。這些特性可以為沙漠，海洋，森林等特殊地貌勘測提供更多更加優(yōu)質(zhì)有效的數(shù)據(jù)，促進(jìn)科研和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]許斌.淺談基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[J].科技資訊，2017，15（28）：65-66.

[2]蔡明兵，基于北斗的無人機(jī)跟蹤目標(biāo)定位技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)，2016

（作者單位：沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院）