一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無人機(jī)云臺(tái)控制方法

宮世杰 郭喬進(jìn) 梁中巖 劉蔚棣

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京210014）

1 概述

無人機(jī)作為一種新興現(xiàn)代軍事裝備，以其得天獨(dú)厚的“無人”優(yōu)勢(shì)，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(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(jī)偵察系統(tǒng)通常僅能夠通過鼠標(biāo)或搖桿控制無人機(jī)偵察區(qū)域，或者在目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)后開始檢測(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)，操作人員無法快速控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向目標(biāo)所在區(qū)域。針對(duì)該問題，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無人機(jī)云臺(tái)控制方法，允許用戶在無人機(jī)航拍過程中根據(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。該方法有效簡化了無人機(jī)云臺(tái)的控制策略，使無人機(jī)操作人員能夠?qū)Ｗ⒂诓僮鳠o人機(jī)，根據(jù)無人機(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人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，主要模塊包括無人機(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Jetson TX2，通過MavLink 協(xié)議[8-9]與控制平臺(tái)實(shí)時(shí)交互，處理無人機(jī)飛行元數(shù)據(jù)信息。元數(shù)據(jù)信息類型包括無人機(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。

3.2 DEM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，將分塊的DEM[10]數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地心坐標(biāo)系，根據(jù)無人機(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。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(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V軑t=<（0，0，0），（0，0，-300）>，計(jì)算根據(jù)無人機(jī)參數(shù)旋轉(zhuǎn)后的直線V軑tr0=V軑t*Rβ*Rlon*Rα；

（5）計(jì)算直線與直線V軑tr0 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人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)主要包括6 旋翼無人機(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，并支持在無人機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)過程中不斷修正云臺(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（無人機(jī)飛行高度小于200m）。

5 結(jié)論

無人機(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價(jià)值。本文提出了一種基于飛行元數(shù)據(jù)的無人機(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。