無人飛艇氣囊體積監測系統設計

譚金，杜超，李彤

(中國航天科工集團七八〇一研究所，湖南長沙410205)

0 引言

目前，以系留氣球和自控飛艇為代表的飛艇以其耗能少、滯空時間長、載重量大等優點廣泛用于軍用、民用等領域。近年來，以具有3 km滯空高度能力的系留氣球和平流層自控飛艇浮空平臺為代表的大型無人飛艇項目更是成為研究的熱點，具有廣闊和良好的應用前景。大型無人飛艇實際可升空高度和滯空時間與飛艇氣囊的充氣量大小密切相關，因此，為保證飛艇的升空與回收安全，必須對氣囊的充氣量大小進行監測，為放飛決策提供可靠的數據支撐。傳統的監測手段都是以氣囊飽滿度定性估計，具有很大的主觀性和不確定性，所以對大型無人飛艇氣囊的體積定量測量就顯得非常迫切。

以激光掃描為代表的光學三維大尺寸測量技術與傳統的激光點對點的測距技術不同，激光掃描測量技術的發展為空間信息的獲取提供了全新的技術手段，由傳統的人工單點數據獲取轉變為連續自動數據獲取，提高了觀測的速度和準確度，由于其融合了激光反射強度和物體色彩等光譜信息，可以真實描述目標的整體結構、形態特性以及光譜特征，具有測量范圍大、準確度高、通用性強等特點，已成為大型飛行器、地形地貌、城市建筑三維重建等大尺寸物體幾何量測量的主要手段之一?；谌S激光測量的大型無人飛艇氣囊體積監測系統，是通過激光掃描獲得氣囊曲面點到激光掃描儀的距離，而后通過一系列的坐標轉換、數據處理最終構建氣囊的三維幾何模型，從而定量計算出氣囊的體積［1］。由于激光掃描獲取點云的速度較快，可以滿足對飛艇氣囊體積進行即時監控的要求。

1 系統設計

在飛艇氣囊底腹部中心位置安裝一個轉動能力不小于180°的云臺，具有180°扇區跨度掃描能力的二維激光陣列掃描儀裝在云臺上，實現對充氣后氣囊外形特征點的快速掃描，激光掃描系統結構如圖1所示。設計總體路線是:艇載計算機對激光掃描原始數據包進行解算，轉化為三維坐標體系，隨后通過內插值、濾波技術重構氣囊外形輪廓，最后通過積分獲得氣囊的體積。

如圖2所示，以掃描儀為原點O，囊體的平行切平面XbOYb為基準面。云臺0時刻從零位線起，在設定的角速度ω下勻速轉動，考慮云臺零位線與掃描基準線相差一個角度ψ0，則通過掃描基準線的時刻為tb=ψ0/ω。從tb時刻開始采集數據，每隔Δt(即每隔ωΔt的間隔角)對氣囊基準面以上的斷面進行掃描，掃描儀按均分原理保留每個掃描斷面特征點到掃描原點的距離數據，當云臺工作時間達到tb+180/ω時，完成對基準面XOZ以上的氣囊特征點的掃描，采集工作停止，云臺復位，等待下一個掃描采集指令。

圖2 掃描系統安裝位置與掃描方式

對于掃描斷面上的任意點Ai，假設云臺轉過掃描基準線的角度為ψi，Ai所對應的掃描斷面方位角為θi，到掃描原點的距離為di，則Ai點相對于坐標系OXbYbZb的坐標可以表示為

通過公式(1)即可把氣囊掃描斷面上的任意點的距離特征進行轉換，獲得基準面以上的氣囊空間特征坐標。若已知云臺安裝初始誤差角，則掃描點Ai的空間坐標可按攝影測量原理中的共線方程計算:

式中:

式(2)中的矩陣分量均與坐標系安裝初始誤差角有關，通過式(2)變換可以消除系統安裝時引入的初始誤差角［2］。

2 關鍵技術

2.1 內插值法

無人飛艇氣囊體積監測系統涉及的關鍵技術之一是掃描儀采集到氣囊外形特征點后，如何將已有特征點通過網格插值，重構出氣囊的三維外形輪廓。本設計采用雙線性插值算法構建三角網格結構，然后構建計算網格，對每個計算網格點在三角網格結構中進行搜尋插值，通過查找均分點位于哪個三角形中來構建其高程差值，獲得網格點整齊均分的計算網格坐標，最終構建氣囊的三維特征外形。圖3為計算網格點在三角網格中的位置。為了確保計算網格點高程插值的一一對應屬性，在對氣囊外形進行三維重建時采用了區域分塊技術，把氣囊分為多個部分分別進行計算，最后通過面拼接將各部分體積累加即為總體積。

圖3 平面三角網與待插值點

2.2 數據濾波

由于無人飛艇氣囊為柔性囊體，飛艇氣囊體積監測裝置使用時無法進行剛性固定，掃描儀在掃描時的晃動振動將形成散亂點或者空洞等雜波或噪聲，需要通過對點云數據進行去噪濾波，以保證原始數據點的平滑特性［3-4］。

假設某一斷面采集了n個數據點，當對點Si((nj)＞i＞j)進行濾波時，先根據不同的測量環境選定參數值j(j的取值一般為2到5之間)，求出Si及兩邊相鄰的各j個點Si-j，…，Si，Si+1，…，Si+j到激光器S0的距離Di-j，…，Di，Di+1，…，Di+j;而后對距離設定權值，對Di其權值設定為2j，余下的Dk(i-j≤k≤i+j)權值設為1，根據激光測量的環境不同，濾波閾值fd應滿足

當距離信號低于閾值時，將距離信號值濾除;利用中值濾波，剔除奇異點;利用曲面擬合去除前端遮擋物。通過上述處理方法，可以剔除原始點云數據中的錯誤點和含有粗大誤差的點。

2.3 控制及采集方案

控制及采集系統由激光掃描儀、小型云臺、串口/以太網信號轉換器、艇載以太網交換機、光纖收發器和地面測控計算機組成，為避免定位誤差的累積，每個掃描周期后云臺都將復位至原始位置，小型云臺在水平面從0°轉動至200°再復位至0°的時間為一個掃描周期，掃描周期T0的值隨著云臺的水平轉速的大小而變化，云臺的水平轉速可通過地面測控計算機上的云臺控制軟件來設定?？紤]到測量誤差，舍棄云臺(0°，10°)和(190°，200°)兩個不勻速運動的區間，只選取掃描周期中云臺轉速均勻的中間段(10°，190°)進行采集，采集角度范圍依然保持為180°。地面測控計算機的采集頻率根據采集周期和最小采樣角度來確定，本方案中采樣角度為1°～5°，采集頻率f與掃描周期T0之間的關系為

式中:α為采樣角度范圍;β為最小采樣角度。

3 試驗結果

采用某型飛艇氣囊對無人飛艇氣囊體積監測裝置進行測試驗證，無人飛艇氣囊體積監測裝置對氣囊進行激光掃描后，通過坐標轉換、數據處理重構出氣囊的三維特征外形如圖4所示。

經與結構設計工程師確認，氣囊充氣飽和后的體積設計理論值為234 m3，對氣囊連續進行6次測量，測試結果如表1所示，6次測量均值為235.08 m3，重復性為0.47 m3，實測均值與設計理論值相對誤差為0.46%，相對誤差控制在±1%以內，單次測量時間小于10 s，無人飛艇氣囊體積監測裝置可以滿足對囊體體積即時測量的要求。

圖4 軟件重構測量結果界面

表1 氣囊即時檢測值 m3

4 結束語

本文將三維激光掃描技術引入無人飛艇氣囊體積測量，通過激光掃描獲取氣囊點云數據，采用雙線性插值算法構建三角網格，最終重構氣囊的三維幾何模型，實現了對無人飛艇氣囊體積即時監測，實驗結果表明，體積測量相對誤差在±1%以內。另外，針對現場實際使用情況還可以做以下幾方面的改進:①對于采樣點擬合表面與真實表面的誤差，以及測量過程中氣囊外形由于外界干擾所產生的形變誤差，可采用k-最近鄰方法構造氣囊表面的三角形網絡，結合設計外形以及制造過程中引入的常見外形偏差及分布的分析，獲得每個三角形的先驗曲面形式，最終重建三維表面;②對于氣囊飽和度較小時產生的掃描盲區所引入的擬合處理誤差，可配合艇內攝像機來綜合評定特征外形;③通過優化軟件算法進一步縮短單次測量的時間，提高系統測量準確性。

［1］李欣，周佳瑋.三維激光掃描技術在船體外形測量中的試驗性研究［J］.測繪信息與工程，2006(31):36-37.

［2］王昌翰，向澤君，劉潔.三維激光掃描技術在文物三維重建中的應用研究［J］.城市勘測，2010(6):67-70.

［3］嚴劍鋒，鄧喀中，邢正全.基于最小二乘擬合的三維激光掃描點云濾波［J］.測繪通報，2013(5):43-46.

［4］胡向紅，陳康寧.激光掃描數據的脈沖噪聲過濾［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2003(9):1056-1059.