無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王文燦，崔唯佳，王雪梅

(1.中國人民解放軍96901部隊，北京 100094； 2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

0 引言

殘骸搜索旨在將火箭整流罩[1]、飛機(jī)[2]等飛行器落地后產(chǎn)生的目標(biāo)殘骸進(jìn)行準(zhǔn)確、快速搜索和回收。通過對回收殘骸的分析能夠有效地進(jìn)行武器毀傷評估、飛行器故障排查以及對危險品進(jìn)行及時處置和銷毀。

傳統(tǒng)的殘骸搜索方法主要依靠地面檢測設(shè)備和大量人力在落點區(qū)域進(jìn)行地毯式搜索，這種方法費時費力，效率較低，適用于落點區(qū)域固定且覆蓋范圍小的情況，在較為復(fù)雜的地形環(huán)境中任務(wù)執(zhí)行受限，另外在靶場試驗過程中，如果出現(xiàn)飛行器未按預(yù)定軌道飛行，或出現(xiàn)故障意外墜落等情況[3]，目標(biāo)殘骸搜索的難度變得更大。當(dāng)前，隨著武器技術(shù)的不斷發(fā)展，殘骸落點的區(qū)域覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，搜索難度日益增加，僅依靠傳統(tǒng)的殘骸搜索方法已經(jīng)無法有效保證搜索的準(zhǔn)確性和高效性[4]。

為提升殘骸搜索系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和時效性，本文設(shè)計了無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)，利用無人機(jī)搭載可見光、紅外和SAR等任務(wù)載荷[5]，對落點區(qū)域進(jìn)行預(yù)估、探測，通過專用偵察信息處理算法實現(xiàn)對殘骸的快速識別與定位[6-7]。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的操控性和環(huán)境適應(yīng)性，能夠為復(fù)雜環(huán)境下的殘骸搜索任務(wù)提供有力保障。

1 無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)組成

無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由操作控制分系統(tǒng)、無人平臺分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)、任務(wù)載荷分系統(tǒng)、載荷信息處理分系統(tǒng)以及綜合保障分系統(tǒng)組成。

圖1 無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of UAV based wreckage search system

(1) 操作控制分系統(tǒng)

操作控制分系統(tǒng)主要為地面控制站部分，包括飛行監(jiān)控單元、鏈路監(jiān)控單元以及任務(wù)規(guī)劃單元等，用于對無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、飛行控制、鏈路控制以及狀態(tài)監(jiān)控等。

(2) 無人平臺分系統(tǒng)

無人平臺分系統(tǒng)包括2架無人機(jī)，能夠根據(jù)不同搜索場景，靈活裝配不同的任務(wù)載荷，實現(xiàn)協(xié)同探測，提高搜索效率[8]。

(3) 數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)包括機(jī)載數(shù)據(jù)終端和地面數(shù)據(jù)終端，用于地面控制站與無人機(jī)的通信，實現(xiàn)無人機(jī)和任務(wù)載荷的遙控、遙測信息的接收和發(fā)送[9]。

(4) 任務(wù)載荷分系統(tǒng)

任務(wù)載荷分系統(tǒng)包括可見光、紅外和SAR雷達(dá)成像設(shè)備。任務(wù)載荷通過成熟的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(5) 載荷信息處理分系統(tǒng)

載荷信息處理分系統(tǒng)主要包括載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊以及殘骸目標(biāo)識別定位模塊，用于對任務(wù)載荷獲取的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像校正、拼接等預(yù)處理、模型變換以及殘骸識別與定位等操作，同時具有數(shù)據(jù)管理、查詢和顯示等功能[10]。

(6) 綜合保障分系統(tǒng)

綜合保障分系統(tǒng)主要包括無人平臺儲運(yùn)車、維修設(shè)備等，用于對無人機(jī)的快速轉(zhuǎn)運(yùn)以及維修保障。

2 工作原理

無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，主要包括任務(wù)規(guī)劃、飛行偵察、落點區(qū)域檢測、數(shù)據(jù)傳輸以及載荷信息處理5部分。

圖2 無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)工作原理示意Fig.2 Schematic diagram of working principle of the wreckage search system

(1) 任務(wù)規(guī)劃

無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)采用一站控雙機(jī)的工作模式，每架無人機(jī)可搭載不同的任務(wù)載荷，操作人員根據(jù)落點區(qū)域的大小、形狀等對2架無人機(jī)的飛行航線進(jìn)行規(guī)劃。圖3展示了以平行航線方式規(guī)劃的無人機(jī)飛行路徑。

圖3 航線規(guī)劃示意Fig.3 Schematic diagram of the route planning

(2) 飛行偵察

地面操作人員通過數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備完成無人機(jī)、任務(wù)載荷的控制，同時將飛控、鏈路和任務(wù)載荷遙測信息實時傳輸至地面數(shù)據(jù)終端顯示。

(3) 落點區(qū)域檢測

無人機(jī)搭載任務(wù)載荷按照規(guī)劃的航線定速巡航，任務(wù)載荷對落點區(qū)域進(jìn)行掃描成像。

(4) 數(shù)據(jù)傳輸

無人機(jī)與地面控制站之間依靠數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行遙控遙測數(shù)據(jù)的快速安全傳輸。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

任務(wù)載荷數(shù)據(jù)通過機(jī)載數(shù)據(jù)終端將壓縮加密后的任務(wù)數(shù)據(jù)傳送至地面數(shù)據(jù)終端，然后通過解密解壓縮處理，利用有線傳輸至地面控制站顯示、存儲，同時轉(zhuǎn)發(fā)至載荷信息處理軟件進(jìn)行任務(wù)數(shù)據(jù)處理分析。

圖4 無人機(jī)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程Fig.4 Data Flow chart of UAV TT&C system

(5) 載荷信息處理

載荷信息處理流程如圖5所示，首先針對各個載荷的特點進(jìn)行預(yù)處理，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像校正、圖像拼接、差異性分析等初步處理，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域影像的近實時預(yù)覽；然后提取目標(biāo)與背景圖像的亮度、色調(diào)、色差、輻射溫差和雷達(dá)散射特性衰減等特征參數(shù)，并根據(jù)識別算法、知識庫和專家?guī)斓葘δ繕?biāo)進(jìn)行識別，通過目標(biāo)識別定位算法、人工判讀和總體評價等過程，實現(xiàn)目標(biāo)殘骸的精確定位；最后采用位置標(biāo)校和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式對目標(biāo)定位結(jié)果進(jìn)行定量分析，輸出目標(biāo)殘骸的分布情況以及坐標(biāo)信息。

圖5 載荷信息處理工作流程Fig.5 Flow chart of playload information processing

3 工程應(yīng)用

圖6展示了2架無人機(jī)協(xié)同探測的飛行狀態(tài)示意圖，每架無人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)航線對落點區(qū)域進(jìn)行分區(qū)域并行搜索，提高搜索的效率。

圖7展示了可見光、紅外和SAR雷達(dá)采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、幾何校正、輻射校正、定標(biāo)和拼圖等預(yù)處理后的成像效果圖。

圖6 兩架無人機(jī)飛行狀態(tài)示意Fig.6 Schematic diagram of flight status of two UAVs

(a) 可見光成像效果圖

圖8展示了對落點區(qū)域的地貌特征差異性變化檢測的效果圖，首先對2幅圖像的特征點進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，根據(jù)配準(zhǔn)結(jié)果對2幅圖像進(jìn)行投影，最后利用投影疊加后的圖像計算2幅圖像之間的差異性，可以看出，通過差異性變化分析與判斷，能夠初步確定殘骸分布情況。

圖9展示了殘骸搜索的定位結(jié)果，系統(tǒng)通過多種圖像增強(qiáng)和特征提取手段，利用灰度分析、輪廓分析、紋理分析和溫度分析等多種識別算法，進(jìn)一步檢測圖像中的目標(biāo)，提高系統(tǒng)的識別能力。可以看出，無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)能夠有效對大范圍區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)殘骸進(jìn)行精細(xì)搜索，并且具有較高的定位精度。

(a) 特征點提取

圖9 殘骸搜索試驗效果示意Fig.9 Experimental results of wreckage search

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了無人機(jī)載殘骸搜索系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理以及工程應(yīng)用。設(shè)計的殘骸搜索系統(tǒng)可搭載不同的任務(wù)載荷，進(jìn)行雙機(jī)協(xié)同探測，適應(yīng)不同的搜索場景，能夠執(zhí)行大區(qū)域、復(fù)雜環(huán)境下的殘骸搜索任務(wù)，有效地提高殘骸搜索的準(zhǔn)確性和時效性。

后續(xù)工作會通過設(shè)計更為合理的平臺架構(gòu)，提升系統(tǒng)的復(fù)用程度和場景應(yīng)用范圍；開發(fā)更為高效的信息處理算法提高殘骸的識別定位精度和處理效率，為殘骸搜索提供更為高效的搜索平臺。