多旋翼無人機脫靶量測量技術研究?

呂占偉 蘇里陽

（中國人民解放軍91550部隊 大連 116023）

1 引言

脫靶量的測量是測量任務的核心內容之一，不論是多普勒法、窄脈沖測量法還是光學距離交匯定位法，都存在一些缺陷。多旋翼無人機測量作為一種方便快捷、低成本的光學圖像測量方法，具有靈活機動、可抵近測量，同時準確度較高的優點。

2 無人機脫靶量測量基本原理

近年來，多旋翼無人機在很多領域已經成為研究和開發的主要方向，多旋翼無人機在拍攝距離和拍攝方向的角度控制方面具有極大優勢，有效提高了整體測量的效率和測量的精度控制。多旋翼無人機用于武器試驗時，在距離目標船100m～200m的高度進行測量，與直接放置在目標船上的無線電測距裝置相比，大大降低了被擊中和損壞的可能性，可以在目標船舶受撞擊，艦載脫靶量測量裝置受損情況下繼續工作，有效降低測試消耗，保障測量工作繼續完成，其成本是廣泛使用的價值高昂的無線電測距儀所無法比擬的［1］。在計算脫靶量的數學模型中，為了有效提高處理精度，應盡力消除測量誤差的影響，尤其是隨機誤差。為此可采用基于最小二乘的多項式擬合加密方法，該方法也有利于在有限同幀畫幅基礎上分析脫靶量矢量及相關參數。處理結果不僅能得出脫靶量標量，同時也可計算脫靶方向和其他參數，處理精度取決于數據處理方法的選擇、測量信息的選取和測量設備的精度［2］。

3 脫靶量測量方法

采用兩臺多旋翼無人機分別在垂直和平行于靶船方向對準目標點，鏡頭保持不動，等待導彈進入視場，其中垂直方向可以采用系留式無人機，水平方向可以用固定于靶船上的光學測量或攝像設備替代。通過導彈穿越目標的同幀畫幅，分別對其在各個方向投影進行分析，同幀畫幅的優勢在于可以有效消除多種誤差影響。脫靶測量的計算方式需要利用預先設置的標記點進行校準，利用多種技術控制手段進行補償。

3.1 坐標系的定義

靶船水平坐標系：以靶船上層甲板的中心為原點；以靶船艏艉線為x軸，船頭方向為正向；以甲板垂直線為y軸，向上為正向；以水平面內垂線為z軸，迎著x軸看向左為正向，x軸，y軸，z軸成直角右手坐標系。根據文獻［3］，假設靶船坐標系用（x'，y'，z'）表示，靶船水平坐標系用（x，y，z）表示，則有：

（x，y，z）′=靶船擺動帶來的影響：相機的拍攝速率為300fps，靶船的搖擺速度假設前后搖擺為0°，左右搖擺為5°∕s，則每兩幀間的搖擺角度為b=5×3600∕300=60"。

3.2 快速選擇點和重定位

3.2.1 水平面測量

在進行水平面標記點的重新選擇和標記點的數據測量過程中，要利用不同標記位置和坐標系的選擇進行控制，通過利用目標船體的有效分析和標記設計背景和標志圓圈的位置進行整體長度的辨別。在辨別的過程中要防止視覺重疊，所以對于整體寬度的了解和寬度的測量要保持在1∕3左右。

模擬測試船設置了5個標記，船頭和船尾各有一對標記。在船艏的兩個標記點的中心安裝一個標記作為船艏的標記。為了實現準實時目標捕捉，必須先進行5個標志點的布置和定位。事實上，改進算法只需要水平和垂直標記。然而，由于復雜的海面氣象條件，在測試船的邊緣放置了4個標記［4］。

圖1 旋翼無人機脫靶量測量原理示意圖

在中心軸上設置一個標記點來標記目標船的船艏。針對標記定位精度對算法性能影響較大的問題，文獻［4］提出了一種基于模板匹配的快速標記定位方法，標準模板圖像用于匹配整個圖像。

3.2.2 垂直面測量

在垂直面的測量中，無人機攝像機呈水平拍攝狀態。視桅桿數量在桅桿明顯位置粘貼標志點進行校準，如圖3在一根桅桿上粘貼3個標志點。

圖2 水平分量及標志示意圖

圖3 垂直分量及標志示意圖

3.3 成像大小分析

根據采用的無人機參數，采用35mm鏡頭、焦距系數為1.6情況下，其視場角為36°×24°，鏡頭的成像靶面覆蓋為22.7mm×15.1mm，相機的像元尺寸為14μm，那么單個像素的視場覆蓋為

即單個像素對應的視場為0.02°×0.02°。則其在距離L處的視場覆蓋為

根據表1可知，在距離20m處2m×0.5m的成像大小達到了285.7×71.4個，在距離100m處，2m×0.5m的成像大小達到57.1×14.3個，在距離200m處，2m×0.5m 的成像大小仍達到28.6×7.1個［3］。

表1 目標成像大小分析

3.4 脫靶量測量精度計算

影響測角精度的誤差源主要包括：1）基準軸誤差；2）水平軸傾斜誤差；3）垂直軸傾斜誤差；4）測角單元誤差；5）定向誤差；6）零位誤差；7）大氣折射誤差；8）軸系晃動誤差；9）大氣抖動誤差；10）焦距誤差；11）CCD曝光時延誤差；12）判讀誤差等［5］。其中1）～7）項為系統誤差，可以利用拍星方法進行建模修正（采用單項差模型［7］或者球諧函數模型［6］）。對于同幀畫幅情況下的分析，這七項誤差可視為對無人機和靶的影響相同。對近距離拍攝測量的無人機而言，對脫靶量測量真正產生重要影響的誤差為判讀誤差和CCD曝光時延誤差。

3.4.1 判讀誤差

通過所得畫幀可判讀獲取的目標中心在X、Y、Z方向的脫靶量數據［8］。各分量判讀精度取決于無人機與靶標距離L，無人機單像素視場覆蓋ψ和判讀重復性誤差等要素。同畫幀靜態處理判讀精度一般在兩個像素以內，在焦距35mm時，方向對應角誤差為σx=0.04°。距離目標200m時，對應視場位移誤差為Δx=0.14m。

距離100m時，位移誤差Δψ可達到0.12m。

3.4.2 CCD曝光時延誤差［9，13］

在脫靶量測量過程中，一般情況下目標始終位于視場中心，曝光時延誤差對目標角度影響一般可予忽略。但在本方案中，無人機固定視角，進入視場的飛行目標會產生相對于CCD視場的運動角度，此時曝光時延會引入角度誤差。設曝光時延為τ（ms），視場內目標運動的速度為 ω（″∕s），則 CCD曝光時延引入的測角誤差為

當CCD曝光時延τ已知時，利用多項式擬合插值方法可進行修正，可采用文獻［10］提供的方法獲取CCD曝光時延τ。

4 模擬實驗結果

導彈高程測量精度、機載攝像機高程測量精度、機載攝像機測角精度和載機姿態角測量精度皆與導彈定位精度相關，且精度要求較高。除此之外，導彈定位精度還與無人機高程與導彈高程之差和與導彈斜距大小相關，斜距測量誤差隨高程差增大而減小，隨斜距值增大而增大［11］。脫靶量精度和無人機到目標距離成正比，并且主要受到距離的影響［12］。在實際實驗中，由于無人機高程較低，位置可以固定于靶船上空較近位置，因此斜距值較小，其對誤差的影響可以忽略不計。通過兩臺多旋翼無人機光學正交法進行脫靶量測量，可以通過GPS或BDS解決與靶標相對位置，其處理精度在厘米量級，之后對于脫靶量分量的測試可以提供很高的精度。

模擬實驗中，通過不同高程的測量（每個高程重復性測量10次，水平方向相同），測量結果如圖4，結果表明，100m內測量誤差大體在0.2m以內。

圖4 不同高程測量誤差

5 結語

綜上所述，為了更好地將旋翼無人機用到脫靶量測量，提出了雙無人機光學測量方法，結合衛星定位，進行了脫靶量測量模擬實驗。實驗結果表明，該方案是可行的，測量精度較高。同時，視角的變化極大地提高了測量圖像的質量，提供了頭對頭脫靶距離的測量圖像，該方法具有設備成本低、安全系數高等優點，可成為脫靶量測量的發展趨勢之一。