基于北斗的低成本無人機傾斜攝影系統的設計與實現

徐申遠,張云，洪中華，楊樹瑚，韓彥嶺

(上海海洋大學 信息學院,上海 200136)

基于北斗的低成本無人機傾斜攝影系統的設計與實現

徐申遠,張云，洪中華，楊樹瑚，韓彥嶺

(上海海洋大學 信息學院,上海 200136)

微小型的低成本無人機具有起降場地限制小、運輸方便、及成本相對低廉的特點,在小范圍及分散的區域攝影測量工作中得到廣泛應用,但低成本無人機在定位精度、續航航程、成像載荷選擇等諸多方面需要進行取舍與妥協。因此需要提升低成本無人機的拍攝作業效率,構建一種低成本固定翼無人機,利用北斗/GPS組合定位增加高仰角衛星數,減少姿態角變化導致的定位精度下降;采用兩個運動攝像頭同步拍攝作為成像載荷;整套系統成本控制在一萬以內。根據試驗航程時間及試驗后電池剩余電量的估算,機體作業飛行時間約1小時30 min,作業航程約70 km.

低成本無人機;北斗定位;航拍;傾斜攝影

0 引 言

微小型無人機由于其靈活、成本低廉等優勢在各行各業得到廣泛應用[1],如國土資源規劃[2],松木病害監測[3],災情評估等方面[4-6]。

無人機攝影測量隨著低成本的微小型無人機的逐漸普及,以及相關軟件的成熟逐漸興起,其中一個主要需求就是傾斜攝影三維重建[7]。傾斜攝影通過利用相機獲取的建筑物/地物的頂面、四個側面的紋理信息,進行特征匹配并建模,最終獲得地物的三維建模[8-9],但載人飛行器攜帶傳統的傾斜攝影設備雖然精度較高[10],但成本高昂,應急能力較差,而且受天氣影響較大[11]。無人機傾斜攝影的優勢在于體積小、重量輕以及相比有人機作業成本低廉,但是也存在諸多劣勢:多旋翼無人機雖然能夠垂直起降,但能量利用效率低,繼而續航時間與航程都有限[12];直升機能量利用效率有提升,但機械結構復雜采購及維護成本較高[13];固定翼無人機可以在運載能力與航程上獲得優勢,但需要起降條件[14],并且在切換航線過程中需要進行劇烈動作,導致GPS天線傾斜,影響定位精度[15]。

本文設計并實現了低成本的無人機硬件、軟件系統;通過部分改造航模的泡沫機身并進行結構補強,達到運載相機以及飛控系統的運載能力以及續航要求;利用ArduPilot開源飛控及配套的開源地面站,較好的解決了航線優化配置問題;并利用北斗/GPS組合定位,獲取更可靠的定位星座,確保較大姿態角時的定位精度。

1 低成本無人機設計與實現

1.1 低成本無人機系統框架

本文整體技術框架如圖1所示,主要包含硬件控制模塊、通信模塊和軟件模塊三個部分。硬件模塊包括相機快門控制、飛行控制、油門控制和舵面控制。通信模塊采用無線自組網XBee模塊,通過無線通訊,地面終端實時獲取當前無人機的位置坐標與姿態、速度、航向等等數據,亦可通過上行鏈路設置、更改航測路徑點。通過選用兼容北斗的接收機模塊,并修改配置,同時接受北斗及GPS的衛星數據并解算,得出在中國地區更好的定位效果。

圖1 系統總體框圖

1.2 飛行控制系統設計

飛行控制系統采用了開源飛控項目ArduPilot,主體硬件為Pixhawk飛控,安裝了兼容北斗定位系統的GPS接收機,空速計、外置電子羅盤以及電池傳感器;同時輸出給無人機上的執行器飛控解算出飛機的當前位姿,并控制無人機沿預設路徑點執行自動任務,如圖2所示。

圖2 飛行控制系統核心框圖

本系統采用了Ublox-M8N接收機模塊,利用單頻北斗/GPS組合定位[16-17],獲取當前的坐標,為無人機提供導航信息,由于能夠同時獲取北斗與GPS的定位服務,高仰角可視衛星數提升,圖3為上海海洋大學信息學院樓頂天線的天頂圖(UTC2017/03/23 07:44:24),最外環為0°仰角,內環為45°仰角,可以看到GPS衛星在高仰角區域衛星數較少,當機身在做較大幅度的轉彎導致機身傾斜時,由于低仰角位置的衛星信噪比降低(廉價的微帶天線在垂直方向上的增益最大,而0°方向上增益為0),從而導致的定位精度降低;通過加入北斗衛星星座進行組合定位,確保高仰角區域衛星數目,使得在天線傾斜時產生的定位精度下降得到一定程度的抑制;盡管如此由于本系統目前為單點定位,結果誤差較大,從圖4可看出,圖中為兩小時的定位結果誤差,每一環較內環半徑增加1 m,圓心為天線實際坐標,15 min的定位誤差大于1 m,因此該定位結果僅用于對位置進行粗略估計。

雖然最后單點定位誤差較大,但北斗/GPS定位模塊的解算結果的變化量與實際的位移量相關,可以得出當前地速,地速與空速比對后對于判斷當前高度的風向起到一定作用,有助于規劃航測路徑,減少由于大氣擾動導致的無人機擺動影響攝影測量成像質量。同時地速在一定程度上校正了空速值,實現冗余備份,降低了由空速管堵塞導致失速墜機的風險。因此通過北斗/GPS組合定位獲取更多高仰角可視衛星,提高轉彎過程中得到更穩定的定位解,可以獲得更高的穩定度與安全性。

圖3 上海海洋大學的信息學院樓天頂圖(UTC2017/03/23 07:44:24)

圖4 定位誤差圖(UTC2017/03/2307:29:40-07:44:24)

1.3 飛控軟件結構

本套無人機系統的軟件部分分為飛控軟件(機載)與地面站軟件,兩者間通過串口透傳實現數據通信,如圖5所示。

飛控軟件運行于飛控處理器上,采集傳感器信息并控制無人機,同時利用無線數傳模塊與地面站通訊,獲取新的路徑點任務及發回當前飛行狀態數據。飛控軟件包含姿態解算、導航、控制、對地數據通信四個部分。

圖5 無人機軟件組件圖

姿態解算部分通過傳感器數據計算出姿態估計,以此為參考實現機身姿態控制,由于采用了廉價微機電傳感器構成(MEMS)的慣性測量單元(IMU),其傳感器精度較差[18],只使用慣性傳感信息的話姿態解算結果誤差隨時間增長而增長,因此姿態解算方法采用航姿航向參考系統(AHRS),與專業無人機不同,不僅獲取IMU的慣性傳感信息,同時加入電子羅盤的三軸磁場方向信息,以此來確保在運動狀態下獲得較為可靠的機身姿態,但也由此導致了航姿航向系統依賴周圍磁場,磁場與重力場成正交則航姿測量效果較好;如果趨于平行,如在高緯度地區,航線角就誤差就會增大,越靠近地磁極誤差越大,最后無法測出[19-20]。因此安裝飛控過程中需要考慮機身內部電路和設備磁場對飛控的影響。

導航部分管理無人機的高度、航向與速度。通過解析北斗/GPS定位模塊給出的定位與導航結果,獲得大地坐標系下的位置、高度、地速;接收機高度與加速度及氣壓計融合,獲得更精確的機體高度估計;地速與空速計結果融合,估算出空速管的誤差,在一定程度上進行修正;定位坐標與經過融合的高度,與當前目標航點進行比對,給出飛機下一個控制周期的航向[21]。航跡導航算法默認配置為垂直航向(Cross-track)與比例-積分-微分控制器(PID),經過配置,可以使能L1自適應算法[22],以獲得更好的航線控制精度,但需要在基本參數調整結束后開啟,并繼續手動調整L1相關參數來使整體效果達到可用狀態。

控制部分負責機身各單元的實際控制,如:機身主翼上的副翼、水平尾翼上的升降舵、垂直尾翼上的方向舵、無刷電機電子調速器等;并且管理各個功能單元的狀態,如是否使導航模塊進入起飛模式或自動模式,并獲取其他功能單元更新的數據,如:姿態、航向角及速度結果,以此決定對機身的操作舵面以及油門動力控制,并在極限狀態下糾正操作、確保飛行安全,如:在速度過低時,根據配置參數比率采取壓低機頭及提升油門的策略來維持速度,避免失速;在電池傳感器測量后報警電量過低時,強行將自動模式切換為返航模式。

控制部分在開機后即開始對各個受控組件發送零信號,阻止機體執行機構執行任何動作,確保地面的人員及設備安全,之后進行狀態檢查,在所有功能如姿態解算、導航等程序及相關傳感器的檢查標識位進入正常值后解除安全鎖定,進入普通狀態;飛控系統的狀態管理也直接反映在控制部分上,在自動駕駛模式時,控制系統接管整個無人機的控制,地面站無法操作舵面及油門,飛控系統根據導航程序當前指向的路徑點執行作業,并在航點列表執行完畢或電池傳感器電量過低時自動切回返航模式,在輔助駕駛模式時,根據設置,地面站能夠獲取限定條件下的機身操作,如限定的俯仰與側傾角度,限定的最大升降速度以及預設的最低平飛速度以上的油門控制;飛控系統軟件在默認配置下采用PID控制機身姿態;成像載荷控制在作業過程中每次傳感器數據融合后查詢導航部分反饋的位置及姿態信息,在達到成像要求位置與姿態情況下驅動成像載荷的相機的開關機與快門控制,并對拍攝位置、高度及AHRS參數記錄;通過脈沖寬度調制(PWM)、控制局域網(CAN)等信號/總線實現對各個設備通信控制,監測飛行電量在電壓過低時進入返航狀態。

對地數據通信采用開源的MAVLink協議實現數據包校驗以及各種標準功能通訊:反饋飛行器當前飛行狀態、參數調整、路徑航點列表更新及飛行狀態變更。MAVLink兼容不同的數據傳輸介質,如串口及網絡套接字等,在本套系統中我們采用無線串口模塊實現,MAVLink數據包校驗方式為CRC16,在數據包末尾兩個字節存放校驗信息。

1.4 地面站軟件

地面站軟件部分主要功能為三大塊,分別是飛行狀態顯示、航線規劃及飛控參數調整,如圖6所示。

圖6 地面站軟件組件圖

飛行狀態顯示包含了當前無人機的姿態球,一個可配置顯示六個可選參數的面板,一個可選服務商的在線地圖,地圖上可以映射飛行航跡以及飛控中預路徑點軌跡;航線規劃可以設置作業區并自動生成路徑點軌跡,并根據飛行高度與相機視場角、相機像素和目標地物分辨率等參數設定航線間隔及拍照密度;飛控參數調整涵蓋了飛控的所有參數,包括各種傳感器的功能使能及外設相關參數設置,其中GPS相關設置可以預設安裝的GPS協議類型、使用的衛星系統以及波特率等參數,并在初始化過程中對GPS模塊進行配置,本系統目前采用的是u-blox LEA-M8P定位模塊,可以同時接收北斗/GPS衛星信號,并且可以通過外部輸入u-blox、RTCM等格式的基準站測量數據并進行差分定位,另外通過配置為存儲原始數據,可以使飛控保存接收機輸出的原始觀測數據到存儲卡中,進行后處理定位,獲得更精確的后處理航跡。

2 實驗場景及準備

正式的航測實驗總共執行兩次,實驗場地位分航測區與測試/起降區,第一次實驗的航測區為學校某幢樓為中心,在其周圍長8 000 m寬900 m的區域,如圖7所示,設計航程為61 km(長于預計航程極限,用于測試最大航程);第二次航測區為學校附近的人工湖岸邊以及附近的海岸,設計航程38 km,如圖8所示;測試/起降區為學校外的一片草地,整個草地尺寸為一個三邊為400 m、600 m、700 m的三角形,實驗開始前在該處起飛,完成狀態檢查后進入自動航線模式進行實驗。表1示出了兩次實驗的天氣情況。

圖7 第一次實驗航跡

圖8 第二次實驗航跡

表1 實驗天氣參數

第一次實驗:由于在實驗前僅進行了草地上空的簡單自動航線飛行,本次實驗是第一次測試長距離航測,因此自動航線先在草地繞一圈用于檢查狀態,之后以15 m/s速度穿過航測區域測試通信狀況,接下來繞航測區域某幢樓進行繞圈飛行。之后返回起始點上空,切換到25 m/s速度,并開始航測路線與拍攝,由于拍攝航線密度較高,選用前后兩個往返航線間隔四個航線的規劃策略,因為如果一條航線完成后迅速切入相鄰的往返航線(平行,方向轉向180°),會出現飛機不在預定航線上,由于無法對準航線還處于轉彎或修正航向狀態,導致航測成像受到影響,航線規劃時需要較大的回轉空間,增加了額外的回轉距離,造成額外動力消耗,減少了航程。

第二次實驗:航線設置為從起飛點飛往人工湖沿岸飛行一圈并拍攝,再前往附近海岸進行海岸拍攝,機身設置參考第一次實驗及后續測試數據分析后進行調整,調整機身重心與并且調整飛控的姿態控制以及巡航速度等參數,增加穩定性,并提升飛行效率。

3 實驗結果分析

主要分析航跡與預設航線重合度精度、機身姿態穩定情況以及航程。

第一次實驗在自動航線上的飛行距離為21.5 km,在原本的預設航線61.2 km完成前電壓低于預設保護值觸發了返航,測量落地后的剩余電量約為55%[23],以此推算最大航程約45 km.

圖9 第一次實驗截取分析航線

圖10 第一次實驗機身姿態角

第一次實驗的其中一段航跡如圖9所示,圖中紅色條帶為實際航跡到地面的延長線組成航跡為從圖中右側向左側飛行,綠色直線為預設航線,可以看到航跡的高程和水平坐標上都與航線有偏差,在轉彎進入航線時,轉彎不足,越過了航線后修正回到航線上,但過沖后繼續小幅度震蕩,同時也導致了機體產生較大幅度的姿態變化,如圖10所示,去除起始位置開始轉向不足因而處于轉向狀態導致的大傾角,之后的近似直線航線中,俯仰角變化范圍從-10°至9°;橫滾角范圍從-11°至1°;偏航角范圍從320°至340°.從當天風向估計,該段航線實際上是逆風飛行,基本不受側風干擾,在側風干擾時的震蕩將更劇烈,從以上機體航跡以及姿態記錄顯示機身姿態不穩,在此狀態下進行航空拍攝,需要提升拍照頻率以確保圖像重疊度。

第二次實驗完成整個自動航線38 km,測量落地后的剩余電量約為45%[23],以此推算最大航程約為70 km.

在第二次實驗中某段航跡如圖11所示,圖中紅色條帶為實際航跡到地面的延長線組成航跡為從圖中右側向左側飛行,綠色直線為預設航線,可以看到航跡的高程和水平坐標上都與航線基本重疊,進在部分區域有小幅度波動。機體軌跡的小幅度波動也反映在機身姿態上,如圖12所示,轉向完成后航跡最之后的近似直線航線中,俯仰角變化范圍從2°至5°;橫滾角范圍從-3°至-1°;偏航角范圍從161°至163°.從當天的天氣記錄看,該段航線為逆風飛行,并且有側風分量,但側風擾動導致的姿態震蕩得到了有效抑制,并且航跡偏移也得到了有效控制。

圖11 第二次實驗截取分析航線

圖12 第二次實驗機身姿態角

4 結束語

本文設計并實現的無人機傾斜攝影系統,利用北斗/GPS定位獲取更可靠的定位星座,減少了由于機身動作產生頻繁姿變化引起低仰角衛星信號增益降低,失去有效衛星,進而導致的定位精度下降;并利用如今消費級無人機/航模器相關材普及后的廉價優勢將航模改造為航測用飛行平臺,降低了航測成本;并且通過測試調整,提升了平臺的穩定性與續航能力,使得飛行平臺能夠滿足基本的航測需求,在較大范圍采集航拍圖像的情況下,相比于直接使用商品化的多旋翼飛行器進行數據采集,有效減少野外作業架次,降低外業人員工作量。

在未來的工作中,將進一步利用現有的接收機模塊,將北斗/GPS的RTK算法移植到單片機/嵌入式運算平臺進行機載測試。同時,利用傾斜攝影序列圖像的處理后能反推得到圖像的外參(相對地物位置),對比RTK定位結果以及飛機當前姿態數據后,在無控制點狀況下,能夠獲取地物的較精確位置/高程數據,同時有助于提升對地物進行三維重建的運算速度。以及考慮利用視覺—慣性里程計獲得更好的低空飛行定位精度以及相對地速,提升航線精度[24-25],并且研究在不同地形狀態及BD/GPS接收機定位狀態下,下切換采用視覺—慣性里程計或者GPS定位,達到更高的定位可靠性。

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Design and Realization of Low Cost UAV Oblique Photography System Based on BeiDou

XU Shenyuan,ZHANG Yun,HONG Zhonghua,YANG Shuhu,HAN Yanling

(CollegeofInformationTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai200136,China)

Micro low-cost unmanned aerial vehicle (UAV) has the advantages of less restrictions for landing and takeoff, convenient transportation and relatively low cost. It is widely used in small-scale and decentralized regional photogrammetry, but the design of low-cost UAV have to trade-offs and compromise between positioning accuracy, voyage, payload and many other aspects. Therefore, it is necessary to improve the efficiency of the low-cost UAV photography, build a low-cost fixed-wing unmanned aerial vehicle, using Beidou/GPS combination positioning to increase the number of high-elevation satellites to avoid the reduce of the positioning accuracy caused by the attitude changes; Two synchronized sport camera as the photography payload; the entire system cost control in less than ten thousand. According to the test flight time and the remaining power of the battery, this UAV have an operating time of about 1 hour and 30 minutes, and operating range about 70 km.

Low cost UAV; BeiDou positioning; aerial imaging; oblique photography

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.011

2017-04-26

國家自然科學基金(批準號:41376178;41401489;41506213)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0054-07

徐申遠 (1992-),男,碩士研究生,主要從事無人機遙感技術研究。

張云 (1974-),男,教授,主要從事GNSS定位導航、GNSS-R技術研究。

聯系人: 徐申遠E-mail: 740954119@qq.com