無人機(jī)任務(wù)載荷配置與應(yīng)用策略研究

孫輝，郭忠誠，吉彩妮，寧娟

1.貴州貴飛飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院有限公司

2.中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司

任務(wù)載荷作為無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，在滿足特定場景的應(yīng)用需求中發(fā)揮了決定性作用。多元化任務(wù)載荷配置與合理的應(yīng)用策略共同決定了無人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的效能。

任務(wù)載荷由無人機(jī)搭載，在飛行任務(wù)過程中可獲取數(shù)據(jù)信息。針對特定的任務(wù)需求，操作人員應(yīng)結(jié)合應(yīng)用場景以及影響無人機(jī)飛行的因素，合理科學(xué)地選用多元化任務(wù)載荷，僅以單架次飛行，便能獲取多源目標(biāo)信息。而多元化任務(wù)載荷形成的組合體，通過統(tǒng)一的應(yīng)用策略部署，提高了無人機(jī)的作業(yè)效率，對連續(xù)、快速獲取精確數(shù)據(jù)具有重要意義。

典型任務(wù)載荷的技術(shù)特性

可見光攝像機(jī)的技術(shù)特性

可見光攝像機(jī)以光電耦合器件或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體為核心部件，在預(yù)定的目標(biāo)區(qū)域上空搜索目標(biāo)，獲取目標(biāo)反射的能量。攝像機(jī)的變焦距鏡頭將目標(biāo)成像于探測器靶面上，通過光電轉(zhuǎn)換，目標(biāo)亮度信號轉(zhuǎn)化為與自身成比例的光電信號，光電信號經(jīng)過掃描處理后，可見光攝像機(jī)最終輸出模擬視頻信號或數(shù)字視頻信號。攝像機(jī)采用自動/手動方式搜索目標(biāo)，自動跟蹤和標(biāo)定目標(biāo)坐標(biāo)，實(shí)時(shí)輸出視頻，可完成廣角偵察、監(jiān)視、現(xiàn)場作業(yè)效果評估等任務(wù)。

紅外熱成像儀的技術(shù)特性

紅外熱成像儀利用紅外探測器件，接收被測目標(biāo)的紅外輻射能量，并將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)放大處理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號。由于發(fā)熱物體輻射紅外線，無須可見光照射，就能被紅外熱成像儀探測。因此，紅外熱成像儀以無源方式工作，屬被動偵察設(shè)備，隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)，能較好地透過戰(zhàn)場硝煙或薄霧，揭示偽裝，探測到熱泄露或出現(xiàn)熱異常的地下目標(biāo)，可全天時(shí)工作，承擔(dān)遠(yuǎn)縱深目標(biāo)偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、目標(biāo)定位、毀傷評估等任務(wù)，在森林防火、應(yīng)急救援及電力線巡檢等民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

面陣數(shù)碼相機(jī)的技術(shù)特性

面陣數(shù)碼相機(jī)使用光電耦合器件或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體來記載圖像信息。作為傳統(tǒng)光學(xué)照相機(jī)的升級設(shè)備，面陣數(shù)碼相機(jī)解決了光學(xué)照相機(jī)實(shí)時(shí)性差、信息回收處理周期長等問題，能夠在晝間無雨條件下，采用單拍、連拍、定點(diǎn)起拍、等距/等時(shí)曝光等工作模式，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行臨空垂直拍照和傾斜拍照，實(shí)時(shí)生成目標(biāo)圖像，具有覆蓋面積廣、分辨率高、情報(bào)信息處理周期短、測量及目標(biāo)定位精度高、情報(bào)信息分發(fā)快等優(yōu)點(diǎn)，在軍事偵察和測繪任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

合成孔徑雷達(dá)的技術(shù)特性

合成孔徑雷達(dá)由無人機(jī)搭載。在飛行任務(wù)過程中，處于不同位置的小口徑雷達(dá)單元接收雷達(dá)回波信號，并對回波信號進(jìn)行合成處理。通過陣列組合，小口徑雷達(dá)單元能夠等效為大口徑天線，有效提高方位向分辨率。合成孔徑雷達(dá)具有全天時(shí)全天候工作能力，能夠穿透云霧、植被和樹葉，同時(shí)具有一定的移動目標(biāo)探測能力，通常采用普查、詳查及聚束模式等多種模式執(zhí)行任務(wù)，廣泛應(yīng)用于地形測繪、地質(zhì)研究、海洋研究和監(jiān)測、軍事偵察、減災(zāi)防災(zāi)等領(lǐng)域。

多光譜/高光譜相機(jī)的技術(shù)特性

多光譜/高光譜相機(jī)運(yùn)用的光譜成像技術(shù)是指，相機(jī)內(nèi)部的分光裝置將地物目標(biāo)反射或輻射的全波段或?qū)挷ǘ蔚墓庑盘柗纸獬扇舾蓚€(gè)特定窄帶波段光束，特定窄帶波段光束分別在相應(yīng)探測器上成像，最終形成不同光譜波段的圖像。由于不同地物的反射光譜特性及輻射特性存在差異，多光譜/高光譜相機(jī)從而可獲取目標(biāo)偵察與識別圖像。

激光雷達(dá)的技術(shù)特性

激光雷達(dá)以激光作為主動探測源，接收目標(biāo)對激光信號的反射及散射回波來測量目標(biāo)的方位、距離及目標(biāo)表面特性，從而得到多層次、高精度的目標(biāo)原始掃描數(shù)據(jù)。原始掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼分類、數(shù)據(jù)檢查、灰度映射、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及坐標(biāo)解算后，用戶可以實(shí)時(shí)獲取各種格式、含有世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC時(shí)間）、坐標(biāo)信息、回波層次信息和反射強(qiáng)度信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。在后續(xù)處理中，綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件與其他影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到更精確的目標(biāo)測量信息。由于激光雷達(dá)采用激光進(jìn)行主動式、非接觸測量，具有單色性好、方向性強(qiáng)、能量高、光束窄等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高精度測量。

典型任務(wù)載荷的用途

在不同場景中，典型任務(wù)載荷的主要用途如表1所述。

表1 典型任務(wù)載荷的主要用途。

適用于典型應(yīng)用場景的任務(wù)載荷配置

用于電力線巡檢的無人機(jī)任務(wù)載荷

巡檢無人機(jī)在第一時(shí)間為電網(wǎng)調(diào)度、防災(zāi)減災(zāi)和設(shè)備狀態(tài)巡檢提供真實(shí)且全面的現(xiàn)場資料。無人機(jī)搭載合適的任務(wù)載荷對輸電線路進(jìn)行高精度巡檢，以檢查導(dǎo)線和避雷線的斷股故障，鐵塔和金具的狀態(tài)，輸電線路下面的樹木生長狀況，導(dǎo)線覆冰情況，低零值絕緣子故障等，解決人員巡線班組在地面巡檢面臨的巡檢距離遠(yuǎn)和視場小的難題，以及有人直升機(jī)巡檢費(fèi)用高、安全性差等問題。

目前，用于電力線巡檢的無人機(jī)任務(wù)載荷主要有可見光攝像機(jī)、紅外熱成像儀、數(shù)碼相機(jī)、全光譜攝像機(jī)及激光雷達(dá)等設(shè)備。這些任務(wù)載荷的主要用途、可檢查的缺陷類型及使用時(shí)機(jī)如表2所述。

表2 用于電力線巡檢的無人機(jī)任務(wù)載荷類型、用途、可檢查的缺陷類型和使用時(shí)機(jī)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，任務(wù)規(guī)劃人員應(yīng)全面綜合考慮無人機(jī)的特性、空間環(huán)境、任務(wù)設(shè)備的性能指標(biāo)、任務(wù)設(shè)備的用電特性、現(xiàn)有巡檢手段等因素，才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)。例如，紅外熱成像儀具有探測靈敏度高、非接觸等優(yōu)勢，但易受目標(biāo)輻射率、外界光線等干擾。無人機(jī)配置具有高靈敏度的紫外成像儀，能夠在飛行任務(wù)過程中檢測高壓設(shè)備的電暈、電弧和局部放電現(xiàn)象，從而評估電力設(shè)備的絕緣狀況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣設(shè)備的缺陷。紫外成像儀抗干擾能力強(qiáng)，不易受日光的影響和檢測時(shí)間的限制，可彌補(bǔ)紅外技術(shù)的不足。

中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司根據(jù)中國南方電網(wǎng)貴州電網(wǎng)公司的需求，提出了固定翼無人機(jī)與多旋翼無人機(jī)組合的電力線巡檢模式。其中，固定翼無人機(jī)配置有可見光攝像機(jī)、紅外熱成像儀、激光雷達(dá)及數(shù)碼相機(jī)等任務(wù)載荷，實(shí)現(xiàn)了輸電線路及電力線路走廊的快速巡檢；多旋翼無人機(jī)配置了紫外成像儀和攝照一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)了特定輸電線路區(qū)間的故障檢測。

用于應(yīng)急測繪的無人機(jī)任務(wù)載荷系統(tǒng)

應(yīng)急測繪無人機(jī)具有響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、機(jī)動靈活等特點(diǎn)。作為應(yīng)急測繪無人機(jī)的核心組成部分，任務(wù)載荷可高效獲取突發(fā)事件現(xiàn)場的高分辨率、高精度信息，能夠滿足“第一時(shí)間”獲取現(xiàn)場信息的需求，在應(yīng)急測繪任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

目前，應(yīng)急測繪無人機(jī)的任務(wù)載荷系統(tǒng)包括航測面陣數(shù)碼相機(jī)、輕小型合成孔徑雷達(dá)、光電/紅外吊艙、激光雷達(dá)、測姿定位系統(tǒng)和三軸穩(wěn)定平臺等設(shè)備。

1.航測面陣數(shù)碼相機(jī)的用途

航測面陣數(shù)碼相機(jī)適用于白天、能見度良好的環(huán)境，可快速獲取突發(fā)事件現(xiàn)場的遙感圖像，是應(yīng)急測繪無人機(jī)系統(tǒng)的主力傳感器。

2.輕小型合成孔徑雷達(dá)的用途

輕小型合成孔徑雷達(dá)可以對突發(fā)事件重點(diǎn)區(qū)域的現(xiàn)場進(jìn)行二維高分辨率多極化實(shí)時(shí)成像，獲取目標(biāo)的后向散射系數(shù)和極化特性信息。該型雷達(dá)不受能見度和天氣條件的限制，擁有全天時(shí)、全天候作業(yè)能力，能在夜間或低能見度的環(huán)境中獲取遙感信息，可穿透植被獲取地表信息。輕小型合成孔徑雷達(dá)具備單極化、全極化和極化干涉等多種模式。其中，單極化模式可獲取灰度影像，全極化模式可獲取RGB偽彩色影像，極化干涉模式可獲取地面高程信息。

3.光電/紅外吊艙的用途

無人機(jī)機(jī)載光電/紅外吊艙可全天時(shí)、全天候工作，獲取突發(fā)事件現(xiàn)場的信息。無人機(jī)獲取的視頻信息由視距鏈路或超視距鏈路實(shí)時(shí)傳輸給地面應(yīng)急測繪調(diào)度系統(tǒng)，滿足應(yīng)急指揮決策的需求。

4.激光雷達(dá)的用途

激光雷達(dá)可在空中多個(gè)不同位置對突發(fā)事件重點(diǎn)區(qū)域的現(xiàn)場進(jìn)行掃描，獲取目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，特別適合在無云霧天氣條件下，獲取震后建筑物倒塌、泥石流滑坡和塌方等災(zāi)害現(xiàn)場的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。測繪內(nèi)業(yè)人員利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠快速生成災(zāi)害現(xiàn)場的三維空間模型，計(jì)算土方工程量，為減災(zāi)防災(zāi)決策提供量化數(shù)字依據(jù)。

圖1 航測面陣數(shù)碼相機(jī)。

5.測姿定位系統(tǒng)的主要功能

測姿定位系統(tǒng)（POS）集成了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢。

6.三軸穩(wěn)定平臺的主要功能

三軸穩(wěn)定平臺為航測面陣數(shù)碼相機(jī)、輕小型合成孔徑雷達(dá)等任務(wù)載荷提供安裝基準(zhǔn)平臺。偏流補(bǔ)償能改善圖像的旋角偏差，規(guī)避天氣變化和無人機(jī)振動對任務(wù)載荷造成的位移影響。三軸穩(wěn)定平臺能提高任務(wù)載荷的換裝效率，加強(qiáng)任務(wù)載荷的環(huán)境適應(yīng)性，提升航測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。

圖2 三軸穩(wěn)定平臺。

任務(wù)載荷組合系統(tǒng)的應(yīng)用策略

主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)的應(yīng)用策略

中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司與其他單位聯(lián)合研制的APCAI-100型主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)配裝在“鷂鷹”無人機(jī)上，是一種多功能測繪任務(wù)載荷系統(tǒng)，由CKAC-200型組合寬角航攝儀、光電/紅外吊艙、激光雷達(dá)和測姿定位系統(tǒng)等設(shè)備組成。

1.應(yīng)用策略的特點(diǎn)

該系統(tǒng)采用多元化任務(wù)載荷配置，可全天時(shí)、全天候工作獲取高分辨率影像，以測姿定位系統(tǒng)提供的位置信息作為測量基準(zhǔn)，采集三維地理坐標(biāo)。一架次飛行便能獲取高分辨率圖像、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高清影像、紅外視頻影像等應(yīng)急測繪原始數(shù)據(jù)，有效提升了系統(tǒng)應(yīng)對地震、地質(zhì)災(zāi)害、洪水、森林草地火災(zāi)等災(zāi)情的能力。

2.應(yīng)急測繪任務(wù)的流程

無人機(jī)搭載主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)執(zhí)行應(yīng)急測繪任務(wù)包括應(yīng)急測繪任務(wù)接受，任務(wù)準(zhǔn)備、任務(wù)區(qū)域航攝作業(yè)和返航，數(shù)據(jù)信息拷貝三個(gè)階段，詳見圖3。

圖3 無人機(jī)搭載主被動多傳感器組合寬角成像系統(tǒng)執(zhí)行應(yīng)急測繪任務(wù)的流程圖。

第1步：操作人員接到應(yīng)急測繪任務(wù)后，收集突發(fā)事件所在地區(qū)的地形、天氣條件和任務(wù)作業(yè)時(shí)間等信息，制訂包括航線規(guī)劃、作業(yè)區(qū)域規(guī)劃、航攝作業(yè)參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容在內(nèi)的航攝作業(yè)計(jì)劃。

第2步：根據(jù)航攝作業(yè)計(jì)劃，操作人員對所有任務(wù)載荷設(shè)備進(jìn)行飛行前動態(tài)、靜態(tài)檢測，并完成航攝作業(yè)參數(shù)裝訂。

第3步：無人機(jī)飛抵突發(fā)事件現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場天氣條件及任務(wù)時(shí)間窗口，選擇合適的傳感器采集重點(diǎn)區(qū)域的現(xiàn)場信息，并通過數(shù)據(jù)鏈路將獲取的信息實(shí)時(shí)傳輸給后方指揮中心。

第4步：指揮人員根據(jù)無人機(jī)提供的信息，判斷是否調(diào)整航攝作業(yè)計(jì)劃。無人機(jī)依據(jù)最終確定的航攝作業(yè)計(jì)劃，利用傳感器獲取目標(biāo)區(qū)域的信息。在作業(yè)過程中，無人機(jī)隨時(shí)根據(jù)任務(wù)需求切換傳感器，來獲取和回傳數(shù)據(jù)。

第5步：無人機(jī)完成應(yīng)急測繪任務(wù)后返航。當(dāng)無人機(jī)著陸后，操作人員將無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)信息拷貝至綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)并處理數(shù)據(jù)，為后續(xù)應(yīng)急救援工作提供決策依據(jù)。

光電吊艙的應(yīng)用策略

目前，多數(shù)巡檢無人機(jī)系統(tǒng)都配置了光電吊艙。光電吊艙集成了紅外熱成像儀、CCD攝像機(jī)、激光測距儀和數(shù)碼相機(jī)等多種設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)多模式作業(yè)，獲取多源傳感器信息。光電吊艙采用陀螺增穩(wěn)結(jié)構(gòu)，有效提高了影像質(zhì)量。

1.應(yīng)用策略的特點(diǎn)

圖4 光電吊艙。

光電吊艙集成了數(shù)碼相機(jī)和CCD攝像機(jī)，可有效解決寬覆蓋探測與高分辨率成像之間的矛盾，極大提升無人機(jī)的巡檢效率和細(xì)節(jié)檢查能力。部分巡檢無人機(jī)系統(tǒng)除配備光電吊艙外，還配置了獨(dú)立的數(shù)碼相機(jī)，不僅可以使用光電吊艙集成的數(shù)碼相機(jī)傾斜拍攝目標(biāo)，還能使用獨(dú)立的數(shù)碼相機(jī)臨空垂直拍攝目標(biāo)，巡檢效率大幅提升。同時(shí)，兩種數(shù)碼相機(jī)在一定程度上互為備份，若其中一者發(fā)生故障，另一者仍能獨(dú)立工作，降低了飛行架次失效的概率。

2.巡檢任務(wù)的流程

巡檢任務(wù)包括光電吊艙起飛前地面檢測、任務(wù)區(qū)域巡檢及無人機(jī)返航三個(gè)階段。

第1步：無人機(jī)起飛前，光電吊艙上電。操作人員通過地面控制站發(fā)送控制指令及參數(shù)信息，檢查光電吊艙中各型傳感器的工作狀態(tài)。操作人員確認(rèn)光電吊艙工作正常后，光電吊艙下電，等待無人機(jī)起飛。

第2步：無人機(jī)起飛，到達(dá)任務(wù)區(qū)域后，光電吊艙上電，操作人員通過數(shù)據(jù)鏈路向光電吊艙發(fā)送控制指令。根據(jù)天氣條件及任務(wù)時(shí)間窗口，操作人員選擇合適的任務(wù)傳感器，并控制光電吊艙的方位、俯仰軸運(yùn)動方向。光電吊艙快速對大范圍任務(wù)區(qū)域進(jìn)行拍攝。操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路傳回的影像及數(shù)碼照片，對目標(biāo)進(jìn)行檢查。同時(shí)，針對特定目標(biāo)，操作人員選用手動搜尋模式或自動跟隨模式，實(shí)現(xiàn)光電吊艙視場對目標(biāo)的跟隨，通過控制當(dāng)前所使用傳感器的鏡頭焦距，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)細(xì)節(jié)識別。

第3步：巡檢任務(wù)完成后，光電吊艙下電，無人機(jī)返航。

結(jié)束語

隨著制造、控制、通信、導(dǎo)航、傳感器和動力等共性技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)的安全性、操控性、可靠性等方面取得了長足進(jìn)步。在軍民融合戰(zhàn)略支撐下，無人機(jī)將在更多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。無人機(jī)制造商應(yīng)該深度挖掘場景應(yīng)用的高層次需求，提升無人機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)用場景中的適應(yīng)性。