基于無線圖傳技術的多旋翼無人機在口岸水尺鑒重中的應用研究

劉進濤 張祥龍 李雁寧

（連云港出入境檢驗檢疫局，連云港 222042）

無人駕駛飛機簡稱無人機，無人機除在軍事領域應用外，基于無線圖傳技術的多旋翼民用無人機還能夠為口岸水尺鑒重提供低成本、高機動性的水尺數據觀測手段。把無人機想象成一個“會飛的傳感器”，無人機就成了口岸水尺觀測的一個空中數據端口，從船舶狀況到水尺數據的快速讀取與記錄，無人機將為口岸水尺鑒重工作提供一種便捷的支撐手段[1]。本文利用無線圖傳技術，建立了一套基于“互聯網+”平臺的無人機應用方案，將無人機和互聯網深度融合到進出口貨物的數重量檢驗監管工作之中，以互聯網思維重新構建進出口貨物的數重量檢驗監管方式和方法，即：充分發揮互聯網和無人機在水尺觀測中的集成和優化作用，將互聯網的創新成果深度融合于大宗商品檢驗、監管之中，全面提升全檢驗條線的創新力和生產力，形成更廣泛的以無人機為載體，以互聯網為基礎設施和工具的檢驗檢疫新模式，更好地服務對外貿易發展。

1 無線圖像傳輸的原理及多旋翼無人機控制技術

無人機圖像傳輸系統就是將空中處于飛行狀態的無人機所拍攝的畫面實時、穩定地發射給地面的無線圖傳遙控接收設備。圖傳系統作為民用無人機的重要子系統之一，是無人機與控制端進行人機交互的最重要手段，也是無人機最主要的應用之一。目前，消費級無人機最常用的無線圖像傳輸有模擬傳輸和數字傳輸兩種。模擬圖傳的功耗較高，解析度較低，不適合水尺觀測應用。無線數字傳輸技術應用較多的主要有Lightbridge與Wi-Fi。水尺觀測采用無人機的圖像傳輸系統來實現遠程觀測。圖像傳輸的解析度、流暢性和穩定性對水尺觀測的準確度有很大的影響。通過研究，選取出合適的圖像傳輸系統也是本文研究的目標之一。無人機常用的圖傳方案如圖1所示。

1.1 Wi-Fi圖像傳輸技術

Wi-Fi圖像傳輸技術是一種利用無線信號傳輸圖像的數字通信方式，遵循TCP/IP協議，圖像傳輸需要發送端與接收端首先建立起通訊握手機制，再傳輸每個大小為512B的數據包。每個數據包的傳輸必須完整無誤，丟失其中的一個字節都會導致整個數據包重新發送，確認完整接收一個數據包之后，才開始傳輸下一個數據包。這種基于TCP/IP協議的雙向握手機制很容易導致Wi-Fi圖傳無法實時傳輸航拍畫面。在無人機FPV飛行對實時性要求很高的大前提下，重新發送數據包會導致操控者無法看到實時畫面。

1.2 Lightbridge圖傳技術簡介

Lightbridge是DJI開發的數字圖像傳輸系統。根據目前的公開資料顯示，Lightbridge圖傳技術最高可傳輸1080p的全高清圖像數據，實測有效傳輸距離高達1.7km，同時內置2.4GHz遙控器鏈路和OSD飛行數據疊加系統。Lightbridge是一種基于2.4GHz或5.8GHz頻段的單向圖像數據傳輸技術，類似位于電視廣播塔的數據傳輸形式。得益于Lightbridge圖傳技術的單向傳輸性，DJI無人機使用的距離是一般使用普通Wi-Fi圖傳無人機的2～3倍。因此，其更適合在電磁環境復雜的大型船舶水尺觀測工作中使用。

1.3 多旋翼

多旋翼無人機是一種新型的可垂直起降的小型無人機，其中，四旋翼無人機通過改變4個對稱分布的旋翼的轉速來調整姿態與位置，具有可懸停、機動性好、結構簡單等多種優點，應用前景廣闊，其結構示意圖如圖2所示[2]。

四旋翼無人機的結構決定了其既可以沿x軸前后運動，也可沿y軸左右運動。四旋翼無人機由于具有可懸停、可以側向飛行和后退飛行的特點，所以非常適用于口岸水尺數據的觀測。

1.4 多旋翼無人機的飛行控制

無人機的飛行控制是無人機研究領域的主要問題之一。在飛行過程中無人機會受到各種因素干擾，如傳感器的噪音與漂移、強風與亂氣流、載重量變化及傾角過大引起的模型變動等，這些因素都會嚴重影響飛行器的飛行品質。因此，無人機的控制技術便顯得尤為重要。傳統的控制方法主要集中于姿態和高度的控制，除此之外，還有一些用來控制速度、位置、航向、3D軌跡跟蹤等。目前主要的無人機飛行控制方法包括線性飛行控制方法、基于學習的飛行控制方法、基于模型的非線性控制方法和智能控制方法等[3]。

2 水尺計重的原理和一般方法

水尺計重是依據“阿基米德定律”，對承運船舶裝載或卸載前、后的吃水進行觀測，并依據船舶的準確圖表，經必要之校正，查算船舶排水量，結合船舶壓載水、淡水、燃油、船用物料及非貨物的重量測算，以確定裝載或卸載貨物重量的一種計重方法[4]。

在實踐中，一般通過觀測船艏、船舯和船艉左右兩側共6處吃水標記來進行排水量的計算。由于貨輪停泊一般只有一側靠岸邊，另外一側的水尺標記讀取非常困難。有時貨輪停泊在錨地等開闊水域，兩側均不靠近岸邊，水尺觀測就更加困難。因此，利用基于無人圖像傳輸技術的多旋翼無人機進行航拍來讀取水尺數據是一項安全、高效的水尺觀測方式。船艏、船舯、船艉吃水修正及相應垂線位置示意圖如圖3所示。

2.1 多旋翼無人機在口岸水尺計重中的應用

水尺鑒重作為水運大宗散裝貨物的主要計重方式，廣泛應用于鐵礦、煤炭、大豆、化肥等散裝貨物的重量鑒定。將多旋翼無人機技術與水尺鑒重工作相結合，鑒定人員可站在船舶甲板上或大副辦公室內，通過遠程操縱，控制無人機懸停在水尺標記上方，利用無人機攜帶的高清攝像頭錄制水尺標記附近水線畫面，同時通過無線圖傳系統將畫面實時傳回接收設備上，方便觀測。

2.2 水尺數據的觀測方式

利用無人機可以方便地懸停在大型貨輪的水尺標記上方，通過視頻信號接收裝置觀測水尺標記處的吃水狀態。利用地面站可以超視距操控無人機對水尺進行觀測，但由于大型船舶復雜的安全環境和電磁環境，一般不推薦超視距飛行。無人機起飛前應檢查機身、槳葉、電池是否卡緊，開機自檢查看GPS信號和指南針信號是否正常，電池電量是否充足，檢查無誤后可以起飛。

2.2.1 船舶一側靠岸停泊狀態下的水尺觀測

操控無人機從船舯視野開闊處起飛，將無人機拉升到適當高度后按照船舯到船艏再到船艉的飛行路線依次檢視水尺標志。為保證在緊急情況下有足夠的應急反應時間，無人機飛行時需保持一定飛行高度并與船舷間距至少3m。水尺檢視時將無人機控制切換到GPS模式或視覺定位模式，使其自動懸停在水尺標記上方；同時，控制無人機攝像頭瞄準水尺標志拍攝水尺畫面，圖傳模塊將水尺畫面實時傳輸到地面站供檢驗人員讀取水尺讀數；每個水尺標志處懸停時間不得小于1min～2min。

2.2.2 船舶在空曠水域停泊狀態下的水尺觀測方式

空曠水域的水尺觀測和靠泊水尺觀測類似，不同的是要觀測6面水尺并更多地考慮風浪的影響。操控無人機起飛后按照繞船一周的飛行路線檢視水尺標志。由于空曠水域的風浪較大，無人機穩定性受到影響，應適當加大安全距離，延長懸停觀測時間，避免超視距飛行。在無人機飛行過程中時刻關注其飛行動態，包括無人機飛行狀態列表，無人機電量、姿態、高度和方向，信號強度，空域內是否有其它飛行器或危險情況，如有異常情況立即就近降落。

3 飛行安全與注意事項

飛行環境和安全在無人機的應用中非常重要。目前對于民用無人機飛行安全的研究主要集中在禁飛區和限飛區，以及飛行器本身的電量、信號燈方面。本文結合無人機中口岸水尺鑒重中的應用提出了3項新的安全要求。

3.1 與水面保持安全高度

無人機在飛行時會與水平面成一定的俯仰角，在飛行過程中受力矩的影響，高度會略微降低，因此，要與水面保持一定的安全距離。測試發現，在水面波浪30cm的微風環境安全高度至少要在1m，懸停時可以略微降低。為保證飛行器安全，無人機飛行前應先升高至距離水面1.5m以上的距離再開始飛行。

3.2 與船體和大型機械保持安全距離

鋼制船體和大型機械會對磁場、GPS信號和無線控制信號產生干擾，因此，無人機在飛行過程中應與船體保持適當的安全距離。在懸停時，無人機應與船體保持2.5m以上的安全距離，在飛行時，應保持5m以上的安全距離，在距離船體較近的飛行過程中，無人機應在操作人員的視線范圍之內。

在船舶甲板上方或周圍飛行時，無人機就進入了碼頭機械和船上吊機的工作范圍。特別是港口門機在開始裝卸貨物前，往往會試車以驗證機械運轉正常，以及保證裝卸工作正常開展。試車時吊機抓斗運行速度較快，且無人機在空中時駕駛員缺乏參照物，難以把握遠近距離，碰撞風險較大。所以，在飛行時要關注正在作業的機械設備，與之保持安全距離或選擇繞行，保證安全。

3.3 遠離作業人員

總體來說，泊位船舶沒有進行裝卸作業時，港口工作人員相對較少，且大部分在控制室或駕駛艙內工作，但在無人機飛行前仍需注意觀察是否有人員聚集的區域，甲板上或碼頭面是否有作業人員。普通無人機水平飛行速度可達30m/s，電機轉速通常在8000rpm～10000rpm，可對人員造成巨大傷害，飛行時應注意遠離人群。對于配備空中緊急停機的無人機可以在遇到意外情況時使無人機在空中停止電機運轉，避免對人群造成更嚴重的傷害。

4 結束語

基于無線圖傳技術的多旋翼無人機是一種新型民用無人機，具有結構簡單，成本低，安全性好等優點，應用前景廣闊。本文研究了基于無線圖傳技術的多旋翼無人機在口岸水尺鑒重中的應用，并得出以下主要結論：

（1）分析了無線圖傳的原理，對比了幾種無線圖傳方式，篩選出了適合口岸水尺鑒重的圖傳方式。

（2）分析了多旋翼無人機的飛行特點，并根據多旋翼無人機的飛行特點和口岸水尺鑒重工作環境設計了無人機的安全飛行標準。

（3）設計了使用無人機進行水尺觀測的方法并進行了驗證。

本文對基于無線圖像傳輸技術的多旋翼無人機在口岸水尺鑒重中的應用進行了研究，無人機可用于檢驗檢疫工作中危險系數高、人工操作執行困難、勞動強度大的水尺觀測工作，并縮短水尺觀測的工作時長，提升水尺觀測的工作質量，但是，民用多旋翼無人機還有許多需要改進的地方，如：完善防水功能和夜視功能，實現雨天作業和夜間圖像采集功能，提高無人機的適用范圍。

1 梁瑞彪. 淺析多旋翼無人機在水域環境監測中的應用[J].中小企業管理與科技（上旬刊）, 2016, (11): 146～147

2 鐘佳朋. 四旋翼無人機的導航與控制[D]. 哈爾濱工業大學,2010

3 曾慶華, 張為華. 無人機飛行控制系統實驗教程[M]. 北京:國防工業出版社, 2011

4 中華人民共和國出入境檢驗檢疫行業標準. SN/T 2389.2—2012進出口商品重量鑒定規程[S]. 北京: 中國標準出版社, 2013