閆 勇,岳光波,柳昭琰,董 祥,李 彪,楊長(zhǎng)坤
(1.山東唐口煤業(yè)股份公司,山東 濟(jì)寧 272100;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)是結(jié)合常規(guī)多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)而在近幾年新興的一種無(wú)人機(jī)[1]。與常規(guī)的固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)相比,垂直起降無(wú)人機(jī)兼具固定翼無(wú)人機(jī)巡航速度高、續(xù)航久和多旋翼無(wú)人機(jī)受起飛場(chǎng)地影響小、能夠定點(diǎn)懸停的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。垂直起降無(wú)人機(jī)具有多方面的優(yōu)勢(shì),應(yīng)用前景較廣,發(fā)展趨勢(shì)較好,以后將可能發(fā)展成為一種重要的飛行器門類[4]。
目前,國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)垂直起降無(wú)人機(jī)的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了很多成果:成都縱橫自動(dòng)化技術(shù)有限公司研發(fā)的CW-20無(wú)人機(jī)在塔克拉瑪干沙漠綠洲處完成了超過(guò)10 000 km2的大比例尺航測(cè)任務(wù);美國(guó)Dronetech UAV公司研制的復(fù)合四旋翼飛行器AV-2,采用全電力系統(tǒng),配裝自動(dòng)駕駛儀,續(xù)航時(shí)間可達(dá)12 h,用于執(zhí)行海上監(jiān)視任務(wù)[5];德國(guó)Aerolution公司研發(fā)的SonGBIRD 500系列復(fù)合翼垂直起降無(wú)人機(jī),能夠在8級(jí)大風(fēng)(風(fēng)速高達(dá)20 m/s)、高溫高熱環(huán)境等惡劣的極端環(huán)境中正常飛行,并且有效荷載為500 g,可以搭載可見(jiàn)光相機(jī)、多光譜相機(jī)、近紅外和熱成像相機(jī)等,完成各種所需任務(wù);垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)在近年取得了巨大的發(fā)展[6-10]。
為此,基于無(wú)人機(jī)的配置,開(kāi)發(fā)了一套多功能垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng),以飛行控制系統(tǒng)為核心,同時(shí)協(xié)調(diào)飛機(jī)飛行平臺(tái)和任務(wù)設(shè)備進(jìn)行作業(yè),并以某港口儲(chǔ)煤盤點(diǎn)為例,對(duì)該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的性能和獲取數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行評(píng)估。
飛行平臺(tái)是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是保障飛行性能的根本。飛行平臺(tái)包括了機(jī)身結(jié)構(gòu)、動(dòng)力設(shè)備、電氣系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)以及任務(wù)設(shè)備等[11]。
1.1.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)
機(jī)架結(jié)構(gòu)決定著無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性。目前垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)大致可分為復(fù)合傾轉(zhuǎn)式,傾轉(zhuǎn)旋翼式,尾座式及動(dòng)力復(fù)合式4類。動(dòng)力復(fù)合式無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于將無(wú)人機(jī)在水平方向的推進(jìn)系統(tǒng)與在豎直方向的起降系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái),2個(gè)系統(tǒng)分別單獨(dú)作業(yè),技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性好,穩(wěn)定性高,具有其余3種所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本研究采用如圖1所示的“4+1”形動(dòng)力復(fù)合式無(wú)人機(jī)[12]。
在圖1所示的機(jī)架中,機(jī)身整個(gè)采用泡沫模具,機(jī)翼碳管加厚處理,可以承受最大8 kg的起飛重量,空速管安裝在機(jī)翼前端以避開(kāi)干擾氣流,機(jī)身相較于其他機(jī)型容量更大,采用“8+2”集成模塊,滿足各種飛行任務(wù)的要求。
圖1 “4+1”形動(dòng)力復(fù)合式無(wú)人機(jī)
1.1.2 飛控系統(tǒng)
飛控系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人機(jī)的核心,其主要功能是穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)[13],自主或半自主的控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)和任務(wù)設(shè)備等。本次研究采用的是赫星PIXHAWK2開(kāi)源飛控系,作為新一代的開(kāi)源飛控系統(tǒng),其核心部件——飛控計(jì)算機(jī)主要由STM-32F437(核心處理器)芯片和STM32F1(故障保護(hù)協(xié)處理器)芯片組成,在雙處理器共同作用下,可以為飛行提供更為穩(wěn)定的飛行方案。該系統(tǒng)完全兼容RTK差分GPS[14],可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精確定位;還采用了三余度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)即3組IMU傳感器[15],其中內(nèi)含3個(gè)加速度計(jì)、3個(gè)陀螺儀、3個(gè)磁羅盤以及2個(gè)氣壓計(jì),為了增強(qiáng)其抗干擾能力和穩(wěn)定性,對(duì)IMU傳感器進(jìn)行了減震處理,同時(shí)設(shè)置了發(fā)熱電阻,使其在低溫環(huán)境下依然能夠保持恒溫作業(yè),大幅度提升了飛行的安全性。飛控系統(tǒng)硬件設(shè)備如圖2所示。
圖2 飛控系統(tǒng)
1.1.3 電氣系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的動(dòng)力來(lái)源,而電池又是電氣系統(tǒng)中的重中之重,鋰聚合物電池具有重量輕、質(zhì)能比高、散熱好等優(yōu)點(diǎn),因此本次選擇鋰聚合物電池;同時(shí)考慮到無(wú)人機(jī)組裝后的重量情況,采用標(biāo)稱電壓為22.2V的電池為無(wú)人機(jī)供電。電池具體參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 電池參數(shù)
1.1.4 影像采集系統(tǒng)
任務(wù)設(shè)備是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的眼睛,它直接決定著飛行成果的好壞。本次研究選擇了索尼A7R2相機(jī)作為任務(wù)設(shè)備來(lái)采集地面影像數(shù)據(jù),該相機(jī)機(jī)身相較于其他相機(jī)小巧輕便,易于在無(wú)人機(jī)機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行安裝和固定以取得更好的拍攝效果,相機(jī)拍攝的影像分辨率為7 752像素×4 472像素,能夠獲得清晰的地面數(shù)據(jù);同時(shí)還配備鏡頭防抖和五軸防抖技術(shù),以保證在飛行時(shí)即使飛機(jī)遇到強(qiáng)風(fēng)等情況導(dǎo)致姿態(tài)偏轉(zhuǎn)時(shí),也能夠使相機(jī)穩(wěn)定地拍攝地面影像。相機(jī)的具體參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 相機(jī)參數(shù)
相機(jī)安裝到無(wú)人機(jī)機(jī)艙內(nèi)并固定好后,再通過(guò)線路與飛控系統(tǒng)相連,就能在作業(yè)過(guò)程中到達(dá)指定位置時(shí)通過(guò)飛控控制自動(dòng)觸發(fā)快門開(kāi)關(guān),獲取影像。在使用原始鏡頭焦距為35 mm的情況下,設(shè)置航高為140 m,獲取的影像數(shù)據(jù)生成的正射影像圖地面分辨率能夠達(dá)到1.72 cm。
地面控制站和數(shù)傳電臺(tái)的主要作用是規(guī)劃、控制、接收和監(jiān)測(cè)飛行平臺(tái)的運(yùn)行情況。數(shù)傳電臺(tái)采用了XROCK數(shù)傳V3模塊[16],電臺(tái)機(jī)身小巧,單只重量?jī)H有22.5 g,便于攜帶和拆卸,同時(shí)無(wú)線通信距離可達(dá)2 km,保證在作業(yè)中實(shí)時(shí)地將飛行平臺(tái)數(shù)據(jù)(空速、高度、方向等)傳輸?shù)降孛婵刂普?,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)的飛行狀態(tài)。
地面控制站包括一套遙控系統(tǒng)與一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)。遙控器用來(lái)輔助計(jì)算機(jī)完成飛行工作,擁有多個(gè)通道,可以根據(jù)任務(wù)的不同給出不同的飛行指令,當(dāng)遇到緊急情況時(shí)也可使用遙控器來(lái)進(jìn)行人工干預(yù)使無(wú)人機(jī)安全著陸。計(jì)算機(jī)是地面控制站的核心部分,能夠?qū)φ麄€(gè)無(wú)人機(jī)的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行管控,任務(wù)開(kāi)始前在計(jì)算機(jī)中設(shè)置好各種相關(guān)參數(shù),無(wú)人機(jī)便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行飛行任務(wù),獲取成果影像。飛行過(guò)程中飛機(jī)的狀態(tài)信息能夠?qū)崟r(shí)地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端并顯示在屏幕上,便于操作和監(jiān)管,屏幕顯示如圖3所示。
圖3 地面控制站界面
本研究開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)可根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行模塊化定制,相較于其他公司的同類型無(wú)人機(jī),該平臺(tái)注重的是飛行時(shí)的穩(wěn)定性,因而拓展性較差,同時(shí)價(jià)格遠(yuǎn)低于其他同類機(jī)型。
以徐州市某港口貨場(chǎng)儲(chǔ)煤盤點(diǎn)為例,進(jìn)行無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行測(cè)試。在飛行測(cè)試前,首先使用REGIL VZ-1000三維激光掃描儀獲取整個(gè)貨場(chǎng)煤堆的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),該儀器短距離掃描點(diǎn)位精度可達(dá)毫米級(jí),長(zhǎng)距離點(diǎn)位精度可達(dá)厘米級(jí),平均點(diǎn)位精度為0.004 3 m[17],精度較高,因此將三維激光掃描得到的數(shù)據(jù)作為真值,該掃描儀具體參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 REGIL VZ-1000掃描儀參數(shù)
之后進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn),設(shè)置航高為140 m,航向重疊度70%,旁向重疊度60%,飛行模式為全自動(dòng)模式,同時(shí)設(shè)置好航拍點(diǎn)等。在試驗(yàn)結(jié)束后,提取飛行數(shù)據(jù)得到每張照片拍攝時(shí)的高度和位置信息,就能分析得到無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性;再將原始照片進(jìn)行處理生成三維模型成果數(shù)據(jù)并與三維激光掃描獲取的貨場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比,進(jìn)一步分析就能得到任務(wù)成果的精度。單次飛行航線示意圖,如圖4所示。
圖4 單次飛行航線示意
無(wú)人機(jī)設(shè)置的航高是相對(duì)于起飛點(diǎn)的高度,若在理想條件下,無(wú)人機(jī)應(yīng)該始終保持該高度飛行,此時(shí)飛機(jī)的高程等于起飛點(diǎn)高程與航高之和,將其稱為理論高程,但飛機(jī)在空中作業(yè)過(guò)程中,不可避免地會(huì)受到空氣摩擦阻力以及風(fēng)力等的阻礙,因此飛機(jī)的高度以及姿態(tài)是不斷變化的,其中飛機(jī)高度的穩(wěn)定情況直接影響照片的地面分辨率從而影響成果精度,因此在飛行中保持高度尤為重要[18]。在飛行任務(wù)結(jié)束后,通過(guò)提取和轉(zhuǎn)換無(wú)人機(jī)POS數(shù)據(jù)中的高程信息并與理論高程進(jìn)行對(duì)比,可以得到無(wú)人機(jī)在空中的穩(wěn)定狀況。
無(wú)人機(jī)在空中的高度是通過(guò)氣壓高度計(jì)進(jìn)行測(cè)量的,由于大氣壓強(qiáng)會(huì)隨著海平面高度以及氣溫值的改變而變化,因此三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系能夠按照公式(1)表達(dá)
Altitude=44 300×[1-(P/P0)]1/5.255
(1)
式中,P0為當(dāng)前溫度的海平面壓強(qiáng);P為所求位置的壓,通過(guò)傳感器采集到的溫度和氣壓信息通過(guò)運(yùn)算以及轉(zhuǎn)換就能得到飛機(jī)當(dāng)前的高程信息并儲(chǔ)存在飛控系統(tǒng)中。實(shí)際高程與理論高程的中誤差和相對(duì)誤差可以按照公式(2)、(3)求取
(2)
(3)
式中,Mh為實(shí)際高程的中誤差;h理論為飛機(jī)的理論高程值;hi為每一張照片拍攝時(shí)的實(shí)際高程;M相對(duì)為實(shí)際高程中誤差相對(duì)于理論高程的誤差。
在港口進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)天氣狀況為多云,風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),風(fēng)速為4.6 m/s,達(dá)到了三級(jí)風(fēng),由于設(shè)置的航線大致為東西方向,因此風(fēng)力會(huì)對(duì)飛機(jī)高度保持情況產(chǎn)生一定影響。為了后續(xù)與POS數(shù)據(jù)中的高程信息進(jìn)行對(duì)比,還需要測(cè)出起飛點(diǎn)的高程數(shù)據(jù),經(jīng)RTK測(cè)量并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到起飛點(diǎn)的高程為30.86 m,由于試驗(yàn)時(shí)航高設(shè)置為140 m,則飛機(jī)飛行過(guò)程中理論上高程應(yīng)保持為170.86 m,同時(shí)測(cè)區(qū)范圍較小,將測(cè)區(qū)曲面近似看作平面,在飛行任務(wù)完成后,將POS信息中的高程信息提取出來(lái)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并與理論高程進(jìn)行對(duì)比得到圖5所示結(jié)果。
圖5 照片實(shí)際高程與理論高程對(duì)比
經(jīng)圖5數(shù)據(jù)分析可以得到,無(wú)人機(jī)在空中作業(yè)時(shí)飛行高度是在設(shè)置的航高上下波動(dòng),并且在航線變換進(jìn)行掉頭轉(zhuǎn)彎時(shí)高度波動(dòng)較大,在飛完第3條航線轉(zhuǎn)彎進(jìn)入第4條航線時(shí)波動(dòng)最大,此時(shí)實(shí)際高程高于理論高程3.91 m;高程最低點(diǎn)位于航線中部,根據(jù)地面控制站電腦端的反饋可知,是因?yàn)楫?dāng)時(shí)風(fēng)速增大,導(dǎo)致飛機(jī)高度波動(dòng),最低點(diǎn)實(shí)際高程低于理論高程3.60 m;同時(shí)計(jì)算得到高程中誤差為±1.61 m,相對(duì)于理論高程的誤差為1.1%,對(duì)獲取照片的質(zhì)量影響較小[19],滿足測(cè)量精度要求。
本次研究選擇PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D 3款軟件來(lái)處理航拍影像[20]。PIX4D軟件基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)一鍵處理,操作簡(jiǎn)便,處理速度相對(duì)較快較快,處理過(guò)程僅需要人工操作刺點(diǎn),能夠自動(dòng)生成三維模型、DOM和DSM;Agisoft Metashape軟件空三算法更為嚴(yán)密,同時(shí)將操作流程按順序集成到一個(gè)下拉菜單中,方便操作,生成的三維模型較PIX4D更為清晰平滑,還可以進(jìn)行批處理,將所需成果步驟添加到任務(wù)欄,便能一鍵執(zhí)行;Smart3D軟件是一款強(qiáng)大的建模軟件,所建模型可操作性高,效果更好,同時(shí)能與Agisoft Metashape交互操作。將Agisoft Metashape軟件進(jìn)行完空三測(cè)量的文件導(dǎo)入到Smart3D中建立模型,得到的成果質(zhì)量會(huì)更好。
飛行試驗(yàn)單次飛行拍攝照片357張,將飛行獲取的影像分別導(dǎo)入PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D中進(jìn)行處理,經(jīng)過(guò)加入像控點(diǎn)坐標(biāo)平差后得到的三維模型分別如圖6、7、8所示。
圖6 PIX4D三維模型主界面
圖7 Agisoft Metashape三維模型主界面
圖8 Smart3D三維模型主界面
為了驗(yàn)證上述3款軟件生成成果模型的精度,把三維激光掃描得到的貨場(chǎng)數(shù)據(jù)視為真值,將3個(gè)影像處理軟件生成的三維模型和三維激光掃描數(shù)據(jù)同一個(gè)位置相同堆形的煤堆進(jìn)行體積比較,并計(jì)算出相對(duì)誤差,進(jìn)行分析。三維激光掃描得到的貨場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在軟件RiSCAN PRO中經(jīng)拼接、濾波、裁剪等處理后[21],如圖9所示。
圖9 港口貨場(chǎng)三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)
為了保證對(duì)比結(jié)果的可靠性,4個(gè)軟件計(jì)算同一貨位煤堆體積時(shí)采用相同的基準(zhǔn)面,同時(shí)為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)成果數(shù)據(jù)精度能滿足于各種地形,在港口貨場(chǎng)地面為平面、斜面和不規(guī)則平面各選取一堆煤堆進(jìn)行體積計(jì)算,煤堆分別命名為平面、斜面和不規(guī)則面。以斜面煤堆為例,RiSCAN PRO、PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D體積計(jì)算如圖10所示。
圖10 4款軟件計(jì)算斜面煤堆體積
3個(gè)煤堆體積和相對(duì)誤差在軟件中計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 4款軟件計(jì)算體積結(jié)果及相對(duì)誤差
可知,當(dāng)煤堆底面為平面時(shí),由于基準(zhǔn)面較好確定,干擾因素較少,因此計(jì)算結(jié)果精度最高;底面為不規(guī)則面的煤堆位于港口河邊,同時(shí)受到樹(shù)木遮擋以及基準(zhǔn)面較難確定的影響,誤差略大;底面為斜面的煤堆,體積相對(duì)誤差介于上述兩者之間。總體來(lái)看,使用3款影像處理軟件計(jì)算得到的體積與三維激光數(shù)據(jù)計(jì)算的體積相差較小,最大誤差僅為3.77%,精度較高,根據(jù)貨場(chǎng)盤煤要求可知,該款無(wú)人機(jī)能夠滿足港口盤煤的精度要求。
(1)通過(guò)將無(wú)人機(jī)獲取照片時(shí)的實(shí)際高程與理論高程進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),飛機(jī)在作業(yè)時(shí)高度持續(xù)變化并且在設(shè)置的航高上下波動(dòng)。在三級(jí)風(fēng)的天氣情況下,該款無(wú)人機(jī)實(shí)際高程的中誤差為±1.61 m,相對(duì)于理論高程的誤差為1.1%,在空中波動(dòng)較小,飛行狀態(tài)穩(wěn)定,能夠滿足飛行品質(zhì)要求。
(2)影像數(shù)據(jù)在PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D中處理后,均能得到紋理清晰的三維模型,再將三維激光掃描數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)進(jìn)行體積計(jì)算對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),3款影像處理軟件計(jì)算得到的體積與三維激光數(shù)據(jù)計(jì)算的體積相差較小,整體相對(duì)誤差保持在4%以內(nèi),能夠滿足港口盤煤要求,并在成本、效率以及可適用性上優(yōu)于三維激光掃描,說(shuō)明該款無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于貨場(chǎng)貨物盤點(diǎn)。
(3)為了使無(wú)人機(jī)在空中能夠更加穩(wěn)定地獲取照片,可以在航線之間添加航點(diǎn),讓飛機(jī)更加平穩(wěn)地進(jìn)行航線轉(zhuǎn)變進(jìn)入新的航線,這樣在航線轉(zhuǎn)變的航高波動(dòng)就會(huì)大大減??;被樹(shù)木遮擋的部分影像在生成密集點(diǎn)云時(shí)導(dǎo)致地面出現(xiàn)的空洞,可以使用三維激光掃描的點(diǎn)云進(jìn)行修補(bǔ),提高體積計(jì)算精度。
(4)經(jīng)過(guò)港口盤煤項(xiàng)目,驗(yàn)證了該款垂直起降無(wú)人機(jī)的性能以及精度的可靠性,在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中,將會(huì)根據(jù)需求對(duì)此無(wú)人機(jī)進(jìn)行升級(jí)和進(jìn)一步開(kāi)發(fā),使其能夠滿足更多的任務(wù)要求。