一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無人機云臺控制方法

　　摘要：無人機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。無人機偵察能夠?qū)崟r回傳視頻圖像信息，為實時決策提供情報支撐。然而，目前常見的無人機偵察系統(tǒng)通常僅能夠通過鼠標或搖桿控制無人機偵察區(qū)域，或者在目標進入視場后開始檢測跟蹤程序。對于已知地面目標坐標的移動或運動目標，操作人員無法快速控制云臺轉(zhuǎn)向至目標指定區(qū)域。針對該問題，本文實現(xiàn)了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無人機云臺控制方法，允許用戶在無人機航拍過程中根據(jù)待觀測目標的輸入位置信息，結(jié)合飛行元數(shù)據(jù)信息，實時控制云臺轉(zhuǎn)向，從而控制云臺始終跟隨地面目標，提高了無人機對地視頻偵察的便捷性。

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

　　1、概述

　　無人機作為一種新興現(xiàn)代軍事裝備，以其得天獨厚的“無人”優(yōu)勢，完全符合“不見面”和“零傷亡”的現(xiàn)代戰(zhàn)爭理念。攜帶不同設(shè)備的無人機，可以執(zhí)行偵察監(jiān)視、激光制導、電子干擾、通信中繼、目標定位、戰(zhàn)斗評估、精確打擊等任務(wù)。無人機在民用上也大有可為，它可應(yīng)用于場區(qū)監(jiān)控、航空攝影[1,2]、公路巡視[3]、氣象探測[4]、勘探測繪[5]、偵察監(jiān)視[6,7]等多個領(lǐng)域。

　　當前的軍用無人機傳感器載荷非常豐富，包括機載照相機，攝像機，SAR雷達，多光譜相機等等。其中可見光視頻偵察是最常見、最有效，也是最直觀的偵察方式。然而，目前常見的無人機偵察系統(tǒng)通常僅能夠通過鼠標或搖桿控制無人機偵察區(qū)域，或者在目標進入視場后開始檢測跟蹤程序，對于已知坐標的移動或運動目標，操作人員無法快速控制云臺轉(zhuǎn)向目標所在區(qū)域。針對該問題，本文實現(xiàn)了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無人機云臺控制方法，允許用戶在無人機航拍過程中根據(jù)待觀測目標的位置信息，結(jié)合飛行元數(shù)據(jù)信息，實時控制云臺轉(zhuǎn)向，從而使相機始終跟隨地面目標，提高了無人機對地視頻偵察的便捷性。

　　2、實驗平臺介紹

　　本文所述方法支持在GIS上點選目標，將坐標信息發(fā)送至機載計算平臺，并輔助控制云臺轉(zhuǎn)向目標區(qū)域，使目標出現(xiàn)在視頻圖像中心。該方法有效簡化了無人機云臺的控制策略，使無人機操作人員能夠?qū)Ｗ⒂诓僮鳠o人機，根據(jù)無人機的實時飛行參數(shù)自動控制云臺進行旋轉(zhuǎn)，提高了偵察地面目標的工作效率。

　　本文所述方法采用定制化無人機平臺進行驗證，主要模塊包括無人機平臺、云臺、機載計算模塊、數(shù)傳模塊、圖傳模塊、地面控制計算機組成。

　　其中機載計算模塊采用JetsonTX2，通過MavLink協(xié)議[8,9]與控制平臺實時交互，處理無人機飛行元數(shù)據(jù)信息。元數(shù)據(jù)信息類型包括無人機元數(shù)據(jù)、云臺元數(shù)據(jù)、相機元數(shù)據(jù)，無人機元數(shù)據(jù)包括：經(jīng)度、緯度、高度、方位角、俯仰角、側(cè)滾角;云臺元數(shù)據(jù)包括：相對方位角、相對俯仰角;相機元數(shù)據(jù)包括：分辨率、水平視場角、垂直視場角。

　　3、基于高程數(shù)據(jù)的無人機視頻實時定位方法

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

　　3.1元數(shù)據(jù)處理

　　機載計算模塊接收元數(shù)據(jù)信息，包括無人機的系統(tǒng)平臺參數(shù)、云臺參數(shù)及傳感器參數(shù)等元信息，根據(jù)時間戳進行同步，同時，對于接收到的元數(shù)據(jù)需要根據(jù)視頻幀的對應(yīng)時間戳進行插值，得到對應(yīng)的元信息。計算模塊利用REDIS[11]緩存接收到的元數(shù)據(jù)信息，緩存失效時間設(shè)置為20秒。

　　3.2DEM管理

　　高程數(shù)據(jù)管理模塊負責對大區(qū)域的高程數(shù)據(jù)的分塊存儲及訪問，將分塊的DEM[10]數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標系，根據(jù)無人機的飛行軌跡動態(tài)加載并緩存目標及其周邊區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)高程數(shù)據(jù)的快速訪問。本文所使用的SRTM高程數(shù)據(jù)[12]的原始數(shù)據(jù)超過90G，由于TX2存儲容量有限，同時為了快速實時獲取指定經(jīng)緯度的高程信息，本方法設(shè)計了一種高程數(shù)據(jù)動態(tài)加載機制，即根據(jù)飛行方向和飛行速度，預加載下一分片的DEM數(shù)據(jù)，最多同時加載4個分片的DEM數(shù)據(jù)，并卸載歷史分片數(shù)據(jù)。

　　3.3云臺控制

　　首先根據(jù)GIS框選目標的經(jīng)緯度，結(jié)合高程數(shù)據(jù)獲取目標高程，再根據(jù)無人機實時元數(shù)據(jù)信息進行解算，獲取云臺期望方位角和俯仰角與當前云臺位置的偏差，進而根據(jù)計算結(jié)果控制云臺轉(zhuǎn)動。具體步驟如下：

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

　　(2)將無人機經(jīng)緯度及高度轉(zhuǎn)換為地心坐標系坐標βz=(βx，βy，βz)，另計算β0=(βx，βy，βz-1000)，從而獲取地心坐標系中，將無人機從初始點旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)經(jīng)緯高的旋轉(zhuǎn)矩陣Rα=R(<(0,0,0),(0,0,1)>，<β0，βz>)，同時根據(jù)經(jīng)度進行旋轉(zhuǎn)，使無人機在地心坐標系中與水平面平行，其旋轉(zhuǎn)矩陣記為Rlon;

　　(3)根據(jù)無人機的方位角、俯仰角及側(cè)滾角云臺參數(shù)(βy，βp，βr)，計算旋轉(zhuǎn)矩陣Rβ=f(βy，βp，βr);

　　(4)定義地心坐標系中的直線計算根據(jù)無人機參數(shù)旋轉(zhuǎn)后的直線

　　(5)計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。

　　4、實驗結(jié)果

　　為驗證本文所述方法的有效性，我們使用六旋翼偵察無人機系統(tǒng)進行測試，系統(tǒng)主要包括6旋翼無人機一套、云臺(含攝像機)一套、機載計算平臺(TX2)一套、數(shù)傳一套、圖傳一套及地面控制計算機一套。本文所述軟件所使用衛(wèi)星地圖為無偏移Google衛(wèi)星影像地圖;所使用SRTM高程數(shù)據(jù)，精度為90m;云臺控制響應(yīng)時間小于40ms。

　　圖1試驗硬件平臺和軟件平臺

　　用戶可在GIS衛(wèi)星地圖上框選待觀測目標，本文所述方法將實時解算出云臺方位和俯仰角信息，并支持在無人機飛行運動過程中不斷修正云臺方位，從而使待觀測目標始終出現(xiàn)在視頻觀測區(qū)域中。試驗效果如圖2所示，其中，a為GIS標注圖像，其中紅色區(qū)域為人工框選的目標區(qū)域，b為無人機實時視頻圖像。

　　圖2云臺控制效果展示(依次為a,b,c圖)

　　為驗證云臺控制精度，本文共進行了實驗20次試驗，并對目標中心坐標和視頻目標坐標進行誤差統(tǒng)計，實測誤差如上圖中c所示，其中橫坐標為精度誤差，縱坐標為維度誤差，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轉(zhuǎn)向待觀測區(qū)域，實測定位誤差小于20m(無人機飛行高度小于200m)。

　　5、結(jié)論

　　無人機云臺控制方法對戰(zhàn)場監(jiān)控、地面靜態(tài)目標監(jiān)視、地面動態(tài)目標隨動跟蹤等應(yīng)用方向具有重要的研究價值。本文提出了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無人機云臺控制方法，該方法支持基于輸入地面目標坐標信息，結(jié)合飛行器實時飛行元數(shù)據(jù)信息，通過機載運算平臺，實時控制云臺轉(zhuǎn)向，從而控制云臺始終跟隨地面目標，對地面目標進行連續(xù)不間斷監(jiān)視。

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