一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法

　　摘要：無(wú)人機(jī)作為一種便捷高效的偵察設(shè)備被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)偵察能夠?qū)崟r(shí)回傳視頻圖像信息，為實(shí)時(shí)決策提供情報(bào)支撐。然而，目前常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)偵察系統(tǒng)通常僅能夠通過(guò)鼠標(biāo)或搖桿控制無(wú)人機(jī)偵察區(qū)域，或者在目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)后開(kāi)始檢測(cè)跟蹤程序。對(duì)于已知地面目標(biāo)坐標(biāo)的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，操作人員無(wú)法快速控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向至目標(biāo)指定區(qū)域。針對(duì)該問(wèn)題，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法，允許用戶在無(wú)人機(jī)航拍過(guò)程中根據(jù)待觀測(cè)目標(biāo)的輸入位置信息，結(jié)合飛行元數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向，從而控制云臺(tái)始終跟隨地面目標(biāo)，提高了無(wú)人機(jī)對(duì)地視頻偵察的便捷性。

　　本文源自科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020(34):50-51.《科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新》雜志，于1997年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:23-1600/N，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：工程科技、農(nóng)林科學(xué)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)論壇等。

　　1、概述

　　無(wú)人機(jī)作為一種新興現(xiàn)代軍事裝備，以其得天獨(dú)厚的“無(wú)人”優(yōu)勢(shì)，完全符合“不見(jiàn)面”和“零傷亡”的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)理念。攜帶不同設(shè)備的無(wú)人機(jī)，可以執(zhí)行偵察監(jiān)視、激光制導(dǎo)、電子干擾、通信中繼、目標(biāo)定位、戰(zhàn)斗評(píng)估、精確打擊等任務(wù)。無(wú)人機(jī)在民用上也大有可為，它可應(yīng)用于場(chǎng)區(qū)監(jiān)控、航空攝影[1,2]、公路巡視[3]、氣象探測(cè)[4]、勘探測(cè)繪[5]、偵察監(jiān)視[6,7]等多個(gè)領(lǐng)域。

　　當(dāng)前的軍用無(wú)人機(jī)傳感器載荷非常豐富，包括機(jī)載照相機(jī)，攝像機(jī)，SAR雷達(dá)，多光譜相機(jī)等等。其中可見(jiàn)光視頻偵察是最常見(jiàn)、最有效，也是最直觀的偵察方式。然而，目前常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)偵察系統(tǒng)通常僅能夠通過(guò)鼠標(biāo)或搖桿控制無(wú)人機(jī)偵察區(qū)域，或者在目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)后開(kāi)始檢測(cè)跟蹤程序，對(duì)于已知坐標(biāo)的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，操作人員無(wú)法快速控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向目標(biāo)所在區(qū)域。針對(duì)該問(wèn)題，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法，允許用戶在無(wú)人機(jī)航拍過(guò)程中根據(jù)待觀測(cè)目標(biāo)的位置信息，結(jié)合飛行元數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向，從而使相機(jī)始終跟隨地面目標(biāo)，提高了無(wú)人機(jī)對(duì)地視頻偵察的便捷性。

　　2、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

　　本文所述方法支持在GIS上點(diǎn)選目標(biāo)，將坐標(biāo)信息發(fā)送至機(jī)載計(jì)算平臺(tái)，并輔助控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向目標(biāo)區(qū)域，使目標(biāo)出現(xiàn)在視頻圖像中心。該方法有效簡(jiǎn)化了無(wú)人機(jī)云臺(tái)的控制策略，使無(wú)人機(jī)操作人員能夠?qū)Ｗ⒂诓僮鳠o(wú)人機(jī)，根據(jù)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)飛行參數(shù)自動(dòng)控制云臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，提高了偵察地面目標(biāo)的工作效率。

　　本文所述方法采用定制化無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，主要模塊包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)、云臺(tái)、機(jī)載計(jì)算模塊、數(shù)傳模塊、圖傳模塊、地面控制計(jì)算機(jī)組成。

　　其中機(jī)載計(jì)算模塊采用JetsonTX2，通過(guò)MavLink協(xié)議[8,9]與控制平臺(tái)實(shí)時(shí)交互，處理無(wú)人機(jī)飛行元數(shù)據(jù)信息。元數(shù)據(jù)信息類型包括無(wú)人機(jī)元數(shù)據(jù)、云臺(tái)元數(shù)據(jù)、相機(jī)元數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)元數(shù)據(jù)包括：經(jīng)度、緯度、高度、方位角、俯仰角、側(cè)滾角;云臺(tái)元數(shù)據(jù)包括：相對(duì)方位角、相對(duì)俯仰角;相機(jī)元數(shù)據(jù)包括：分辨率、水平視場(chǎng)角、垂直視場(chǎng)角。

　　3、基于高程數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)視頻實(shí)時(shí)定位方法

　　本方法包括元數(shù)據(jù)處理模塊、高程數(shù)據(jù)管理模塊、云臺(tái)控制模塊。

　　3.1元數(shù)據(jù)處理

　　機(jī)載計(jì)算模塊接收元數(shù)據(jù)信息，包括無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)平臺(tái)參數(shù)、云臺(tái)參數(shù)及傳感器參數(shù)等元信息，根據(jù)時(shí)間戳進(jìn)行同步，同時(shí)，對(duì)于接收到的元數(shù)據(jù)需要根據(jù)視頻幀的對(duì)應(yīng)時(shí)間戳進(jìn)行插值，得到對(duì)應(yīng)的元信息。計(jì)算模塊利用REDIS[11]緩存接收到的元數(shù)據(jù)信息，緩存失效時(shí)間設(shè)置為20秒。

　　3.2DEM管理

　　高程數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)大區(qū)域的高程數(shù)據(jù)的分塊存儲(chǔ)及訪問(wèn)，將分塊的DEM[10]數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系，根據(jù)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡動(dòng)態(tài)加載并緩存目標(biāo)及其周邊區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高程數(shù)據(jù)的快速訪問(wèn)。本文所使用的SRTM高程數(shù)據(jù)[12]的原始數(shù)據(jù)超過(guò)90G，由于TX2存儲(chǔ)容量有限，同時(shí)為了快速實(shí)時(shí)獲取指定經(jīng)緯度的高程信息，本方法設(shè)計(jì)了一種高程數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載機(jī)制，即根據(jù)飛行方向和飛行速度，預(yù)加載下一分片的DEM數(shù)據(jù)，最多同時(shí)加載4個(gè)分片的DEM數(shù)據(jù)，并卸載歷史分片數(shù)據(jù)。

　　3.3云臺(tái)控制

　　首先根據(jù)GIS框選目標(biāo)的經(jīng)緯度，結(jié)合高程數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)高程，再根據(jù)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)元數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解算，獲取云臺(tái)期望方位角和俯仰角與當(dāng)前云臺(tái)位置的偏差，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。具體步驟如下：

　　(1)在GIS上獲取目標(biāo)經(jīng)緯度(plon,plat)，利用高程數(shù)據(jù)，獲取高度plat;

　　(2)將無(wú)人機(jī)經(jīng)緯度及高度轉(zhuǎn)換為地心坐標(biāo)系坐標(biāo)βz=(βx，βy，βz)，另計(jì)算β0=(βx，βy，βz-1000)，從而獲取地心坐標(biāo)系中，將無(wú)人機(jī)從初始點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)經(jīng)緯高的旋轉(zhuǎn)矩陣Rα=R(<(0,0,0),(0,0,1)>，<β0，βz>)，同時(shí)根據(jù)經(jīng)度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使無(wú)人機(jī)在地心坐標(biāo)系中與水平面平行，其旋轉(zhuǎn)矩陣記為Rlon;

　　(3)根據(jù)無(wú)人機(jī)的方位角、俯仰角及側(cè)滾角云臺(tái)參數(shù)(βy，βp，βr)，計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣Rβ=f(βy，βp，βr);

　　(4)定義地心坐標(biāo)系中的直線計(jì)算根據(jù)無(wú)人機(jī)參數(shù)旋轉(zhuǎn)后的直線

　　(5)計(jì)算直線與直線的方位角偏差κy和俯仰角偏差κp;

　　(6)根據(jù)方位角偏差κy和俯仰角偏差κp旋轉(zhuǎn)云臺(tái)。

　　4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為驗(yàn)證本文所述方法的有效性，我們使用六旋翼偵察無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)主要包括6旋翼無(wú)人機(jī)一套、云臺(tái)(含攝像機(jī))一套、機(jī)載計(jì)算平臺(tái)(TX2)一套、數(shù)傳一套、圖傳一套及地面控制計(jì)算機(jī)一套。本文所述軟件所使用衛(wèi)星地圖為無(wú)偏移Google衛(wèi)星影像地圖;所使用SRTM高程數(shù)據(jù)，精度為90m;云臺(tái)控制響應(yīng)時(shí)間小于40ms。

　　圖1試驗(yàn)硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)

　　用戶可在GIS衛(wèi)星地圖上框選待觀測(cè)目標(biāo)，本文所述方法將實(shí)時(shí)解算出云臺(tái)方位和俯仰角信息，并支持在無(wú)人機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷修正云臺(tái)方位，從而使待觀測(cè)目標(biāo)始終出現(xiàn)在視頻觀測(cè)區(qū)域中。試驗(yàn)效果如圖2所示，其中，a為GIS標(biāo)注圖像，其中紅色區(qū)域?yàn)槿斯た蜻x的目標(biāo)區(qū)域，b為無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻圖像。

　　圖2云臺(tái)控制效果展示(依次為a,b,c圖)

　　為驗(yàn)證云臺(tái)控制精度，本文共進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)20次試驗(yàn)，并對(duì)目標(biāo)中心坐標(biāo)和視頻目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)誤差如上圖中c所示，其中橫坐標(biāo)為精度誤差，縱坐標(biāo)為維度誤差，單位為米。從圖中可以看出，本文所述方法能夠幫助用戶快速控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向待觀測(cè)區(qū)域，實(shí)測(cè)定位誤差小于20m(無(wú)人機(jī)飛行高度小于200m)。

　　5、結(jié)論

　　無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控、地面靜態(tài)目標(biāo)監(jiān)視、地面動(dòng)態(tài)目標(biāo)隨動(dòng)跟蹤等應(yīng)用方向具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文提出了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制方法，該方法支持基于輸入地面目標(biāo)坐標(biāo)信息，結(jié)合飛行器實(shí)時(shí)飛行元數(shù)據(jù)信息，通過(guò)機(jī)載運(yùn)算平臺(tái)，實(shí)時(shí)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向，從而控制云臺(tái)始終跟隨地面目標(biāo)，對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)不間斷監(jiān)視。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]洪宇,龔建華,胡社榮,等.無(wú)人機(jī)遙感影像獲取及后續(xù)處理探討[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2008,23(4):98-102.

　　[3]董培,石繁槐.基于小型無(wú)人機(jī)航拍圖像的道路檢測(cè)方法[J].計(jì)算機(jī)工程,2015(12):36-39.

　　[4]逯曦,任曉毓,張華明,等.無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在雷電防護(hù)中的應(yīng)用[J],氣象科技,2015(6):1176-1180.

　　[5]朱鋒,肖輝,魏亞男.無(wú)人機(jī)遙感影像鑲嵌技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2014,50(15):38-41.

　　[6]李彭偉,李亞釗.無(wú)人機(jī)對(duì)地偵察籌劃系統(tǒng)應(yīng)用[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2020(1):80-83.

　　[7]吳蔚,朱晶,許鶯,王建宏.無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同探測(cè)目標(biāo)跟蹤算法[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2016(5):62-66.

　　[8]吳穎,劉照亮,康令州等.MAVLink鏈路通信協(xié)議安全分析[J].通信技術(shù),2019,52(4):946-950.

　　[9]楊海霞,郭清.應(yīng)用數(shù)字高程模型(DEM)實(shí)時(shí)查詢地面任意點(diǎn)高程的新方法[J].華北自然資源,2020(1):72-73.

　　[10]呂強(qiáng),倪佩佩,王國(guó)勝,劉峰.DSP的MAVLink微型無(wú)人機(jī)通信協(xié)議移植與應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014(11):3-8.

　　[11]崔夢(mèng)天,吳倩.基于Redis緩存的數(shù)字化圖書館應(yīng)用[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,39(2):123-127.

　　[12]陳俊勇.對(duì)SRTM3和GTOPO30地形數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)估[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2005(11):941-944.