低空無人飛艇航測相機穩定平臺控制方法

楊 應，劉鳳珠，翟 曦

(1. 國家基礎地理信息中心，北京 100830； 2. 北京市測繪設計研究院，北京 100038)

無人航測系統作為一種靈活的航空攝影平臺已經被廣泛應用于國家經濟和建設的各個方面，如農業、水利、軍事、物探、測繪、救災等[1-2]。無人飛艇作為一種能在城市上空進行大比例尺測繪任務的飛行平臺，有很多優勢[3]。首先，飛行速度低，可以有效地降低由于高速運動而導致的像移問題，提高影像清晰度；其次，載重較高，可以搭載10～70 kg的設備；再次，續航時間較長，可達到3～5 h甚至更長。不過，無人飛艇也有缺點，最為突出的問題是平臺飛行穩定性較差，更容易受到氣流的影響，直接影響相機獲取數據的質量及后續數據生產的難度與精度[4-7]。

飛行平臺的擾動是影響光學成像系統成像質量的一個重要因素，特別是對于攝影測量相機系統而言，相機成像方式和影像姿態對于圖像獲取的質量和后續數據處理的精度有直接影響[8-10]。飛行平臺的擾動可分為高頻和低頻兩個部分，高頻部分一般采用減震裝置(如減震墊片)即可達到效果[11-14]。但是對于低頻擾動而言則比較復雜，例如飛行控制系統、天氣狀況等原因。傳統航空攝影平臺上，穩定平臺可以很好地隔離由于飛行平臺的擾動對相機系統造成的干擾，保障成像系統平穩工作，進而保證相機系統工作的可靠性和數據質量[15-18]。傳統的穩定平臺如德國的SSM150、瑞士的PAV30等國際品牌穩定平臺，重量一般為幾十千克，需要搭載高精度的POS系統，如高精度的光纖陀螺儀等，功耗也超過上百瓦，且價格昂貴；在控制角度范圍上俯仰和翻滾一般只能達到10°左右。這些特點都限制了其在無人飛行器上的應用。因此，研發可以用于低空航空攝影平臺的輕小型化穩定平臺顯得非常迫切。結合無人飛艇的特點和設備安裝的可行性，本文提出基于低精度輕小型雙GPS輔助的GNSS/IMU組合慣性導航系統，采用有別于現有的姿態測量系統和相機系統剛性連接的安裝方式，隔離安裝相機和GNSS/IMU系統，結合數字PID(proportion integration and differentiation)控制算法，利用STM32控制芯片對輕小型三軸穩定平臺進行控制，實現無人飛艇平臺相機系統三軸穩定成像。

1 輕小型三軸穩定平臺控制系統結構

1.1 傳統航測系統穩定平臺及控制方法

傳統的航空相機穩定平臺如Leica的PAV30、PAV80和PAV100等，這些穩定平臺多是專門針對航空載人飛機平臺設計，用于搭載大型的航空相機，如RC30、DMC、UCD等大型面陣相機，其需要配套高精度的GNSS/IMU組合慣性姿態測量系統(加拿大的POS AV 510的俯仰和翻滾角動態精度為0.005°，航向角為0.03°)才能工作。在控制方式上，采用二叉控制回路設計，即高精度陀螺儀姿態測量系統按照固定的角度和相機系統剛性連接，直接測量相機系統的實時姿態，信號直接輸送如穩定平臺進行控制，穩定平臺控制指令對相機姿態進行修正和補償，進而修正姿態測量系統，整個系統形成一個閉合的回路，穩定平臺的控制目標即保證相機系統的姿態在目標值左右，從而實現穩定成像。

傳統的穩定平臺在大型航空攝影平臺上被廣泛應用并取得很好效果，但是其設計尺寸和設備運行要求很難應用低空輕小型化低空平臺。因此需要將設備進行輕小型化設計，降低設備的功耗、體積、重量等，使得其能夠符合飛艇平臺的要求。本文結合輕小型雙GPS輔助的GNSS/IMU組合慣性導航系統，采用基于數字PID控制算法來實現輕小型三軸穩定平臺控制方法[12,17]，在無人飛艇平臺上以低精度姿態測量系統實現航空攝影平臺相機系統的穩定成像，對于提高無人航空攝影平臺航空影像質量和攝影測量后期數據處理及影像的幾何測量精度非常有意義。

1.2 輕小型三軸穩定平臺系統及控制流程

本文針對無人飛艇平臺進行穩定平臺研發測試，飛艇平臺系統主要由艇囊、動力艙、方向控制舵、飛行控制系統、相機掛載艙、三軸穩定平臺、組合寬角相機系統、雙GPS天線組成。設備安裝上，雙GPS組合GNSS/IMU慣性導航姿態測量系統安裝在飛艇前端的相機掛載艙內，保持和飛艇固連；雙GPS天線分別安裝在飛艇的兩端，基線長度滿足設備工作要求與GNSS/IMU慣性導航姿態測量系統保持固定連接；三軸穩定平臺與掛載艙用專用的連接接口進行固定連接，保持剛性；組合寬角相機模塊安裝在三軸穩定平臺的內環托架上進行固定。

控制系統由以下幾個設備構成：輕小型雙GPS輔助的GNSS/IMU組合慣性導航系統、穩定平臺數字舵機控制機械結構和基于數字PID算法控制PSD系統。系統控制流程如圖1所示。

2 基于PID控制算法的輕小型三軸穩定平臺控制方法

2.1 PID控制算法技術特點

PID即比例、微分和積分的控制算法。比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系；在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系；在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩，原因是存在較大慣性組件或滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。

PID算法的連續形式如下[14]

(1)

式中，Kp為比例常數；Ti為積分常數；Td為微分常數；e(t)為PID控制器的輸入；u(t)為PID控制器的輸出。其離散公式為

Kd·(e(k)-e(k-1))

(2)

式中，Kp為比例常數；Ki為微分常數；Kd為積分常數；e(k)為控制器輸入；u(k)為控制器輸出。姿態測量系統測量數據總是相較于實時數據存在一定的滯后性，利用PID控制算法的這一特性來改善系統在調節過程中的動態特性，保證舵機控制的平穩和相機姿態的穩定，可以避免由于高頻變化而造成系統的不穩定和抖動現象。

2.2 輕小型三軸穩定平臺結構設計

相較于傳統的大航空攝影平臺而言，飛艇平臺姿態穩定性更差一些，受到氣流影響很大。本文采用掛軸式設計，實現了更大的角度控制自由度，滿足了無人飛艇航測系統俯仰角-35°～+35°，翻滾角-35°～+35°及航偏角-45°～+45°的要求。穩定平臺包括3個旋轉控制框架，相機系統搭載在內環控制平臺上，用數字控制舵機與中控制環相連，中環控制軸在垂直軸向通過數字舵機與外環相連，外掛框架則通過主軸與平臺掛件剛性連接。各個轉軸之間可以進行并行控制，提高控制的效率。平臺采用碳纖維材料加工制造，既滿足硬件的剛性要求又可以保證平臺重量不會影響飛行平臺安全。三軸穩定平臺的機械設計如圖2所示。

定義繞X軸旋轉角為ω，繞Y旋轉角為φ，繞Z軸旋轉角為κ。根據穩定平臺的轉動特性，可以得到3個方向形成的旋轉矩陣為

Tωφκ=Tκ·Tφ·Tω

(3)

其中

(4)

2.3 雙GPS輕小型姿態測量儀介紹

姿態測量系統是整個控制系統的核心部件，本文采用由我國自主研發的XW-GI5631雙GPS輔助的GNSS/IMU組合慣性導航系統。該系統由2個GPS和1個低精度三軸陀螺儀的GNSS/IMU組合導航數據解算系統控制板組成,雙GPS的定向結合陀螺儀組合解算，提高陀螺儀的測角精度，特別是航偏角的精度。其航偏角測量精度為0.2°，姿態角為1.0°。該系統導航數據輸出定義為：X軸方向與飛行方向一致，Y軸垂直于X軸向右，Z軸垂直向上，組合慣性導航輸出的3個角度pitch，roll，head，分別對應俯仰角、翻滾角、航向角，其定義如圖3所示。

姿態測量的角度pitch、roll、head是3個相對獨立的旋轉角度，這有別于上面穩定平臺的角度特點，其旋轉矩陣為

R=Rroll·Rpitch·Rhead

(5)

其中

(6)

2.4 輕小型三軸穩定平臺控制方法

穩定平臺控制目標是當飛艇在飛行擺動狀態下，組合慣性導航姿態系統測量飛艇的實時姿態數據并發送給穩定平臺控制電路，控制芯片解算飛艇的姿態和穩定平臺三軸舵機的當前狀態，解算舵機轉動量，結合PID控制系統進行旋轉控制，進而抵消或減少飛艇擺動對相機的影響，保持相機與設計航線保持一致并垂直向下攝影。

根據穩定平臺結構，建立穩定平臺的姿態測量系統和相機系統的坐標系統關系。系統初始化時，相機平臺和組合慣性姿態測量系統安裝保持一致，慣性導航坐標系統O-RPH、相機平臺坐標系統O-UVW及大地坐標系O-XYZ一致；初始化時記錄慣性導航數據為(roll0，pitch0，head0)，這里head0為飛行航線配置的航帶角；初始化數字舵機中立位記錄為(Pa0，Pb0，Pc0)，舵機刻度與角度轉換的常數為γ。

設相機坐標系統中的一點P(U,V,W)，初始狀態下該點在坐標系O-XYZ和O-UVW中坐標是一致的，當飛行姿態變化時，姿態測量系統測量數據發生變化，在t時刻姿態儀測量的角度記錄為(rollt，pitcht，headt)，假設舵機不發生旋轉，則穩定平臺和相機平臺隨姿態儀一起旋轉，P點在大地坐標中的新坐標為P(U′,V′,W′)，如果控制穩定平臺舵機旋轉，使得P點在大地坐標中的坐標重新恢復至P(U,V,W)則就實現相機平臺重新穩定的目標，視準軸恢復垂直向下。

結合姿態儀和穩定平臺控制系統的旋轉特性，設姿態儀從狀態(roll0，pitch0，head0)變換為(rollt，pitcht，headt)，中間的變換矩陣為R′，則有

Rt=R′·R0

(7)

其中

(8)

則P(U,V,W)至P(U′,V′,W′)的變換公式為

(9)

可以得到，逆變換的過程可以根據姿態儀的變化求解，逆變換矩陣為R′的逆矩陣Tk，則可求得

Tk=(Rt·R0)T

(10)

根據穩定平臺的旋轉特征，即

Tk=Tκ·Tφ·Tω

(11)

求解得到3個軸的旋轉角度為(初始化定義中立位(ω,φ,κ)角度(0,0,0))

(12)

換算得到3個舵機的目標刻度為(Pat,Pbt,Pct)

(13)

e(k-1))+P0

(14)

3 試驗和效果分析

3.1 測試平臺情況介紹

本次試驗飛行和相機系統都是我國自主研制的無人飛艇航測平臺和輕小型特寬角組合四拼相機系統。飛行區域面積大約為10 km2，飛行高度為250 m，影像地面分辨率約為5 cm，總共飛行2個架次，獲取影像共1969組。航線規劃為南北向，即航線角為0°，現場風力為三級，飛艇飛行狀態基本正常，存在“點頭”現象，即飛行過程中高度存在周期性的緩慢下降然后爬升。

3.2 輕小型三軸穩定平臺試驗數據分析

本文采用對比試驗方法，對在有穩定平臺和沒有穩定平臺的情況進行同平臺同相機和近似天氣狀況下的兩次獨立飛行試驗。在數據分析方式上，本文采用空三加密定向后的外方位元素分析穩定平臺的工作狀態，3個軸向獨立進行分析比較。圖4、圖5、圖6展示了沒有穩定平臺狀態下姿態數據情況。

試驗結果顯示，沒有穩定平臺狀態下，由于相機系統和飛艇系統剛性連接，飛艇的飛行姿態對于相機的工作影響顯著。表1中數據顯示，受到飛艇平臺影響，俯仰、翻滾和航偏角3個角度變化主要分布在10°左右。其中俯仰角受到飛艇姿態的角度非常有規律，這與飛艇平臺逆風和順風飛行的姿態特點非常一致(飛行現場風向和飛行方向一致)。

表1 無穩定平臺飛行試驗姿態角統計 (%)

圖7、圖8、圖9給出了有穩定平臺情況下試驗得到的結果數據偏差分布。

試驗結果顯示，所有影像的角元素偏差范圍(航偏角的偏差本文統計為與設計航線角度的偏差)都小于3°，其中3個軸向控制角度的偏移誤差95%以上在小于2°的范圍，并且超過60%的分布在1°內，特別是航偏角誤差其65%都分布在0.5°以內，航偏角控制的精度優于翻滾和俯仰角，和POS系統標稱的精度一致，驗證了控制的有效性和POS精度對于控制精度的影響。試驗數據中存在個別樣本大于2°的情況，初步分析可能與穩定平臺過沖現象和飛行平臺的轉向有關，飛艇平臺轉向過程比較快速且轉彎半徑較小，可能造成角度變化過快而造成舵機速度跟不上。總體分析看來，本文提出的控制思路和方法試驗效果良好，控制精度達到了研究目標，可以很好地隔離飛艇平臺飛行擺動對成像系統的影響，提高影像質量。

表2 穩定平臺控制角度偏離分布統計 (%)

4 結 語

本文通過對當前無人飛艇航測系統的特點和數據獲取中存在的困難，特別是針對穩定平臺方面的問題，在分析和介紹現有航空大相機穩定平臺的基礎上，提出了一種基于雙GPS天線慣性姿態測量系統和PID控制算法的輕小型三軸穩定平臺控制方法，其具有重量小、功耗低、成本低、修正角度大及結構簡單的特點，實現了以低精度POS系統結合PID算法實現三軸穩定平臺的高精度控制。結合無人飛艇平臺的試驗結果說明，該方法可以很好地控制相機進行穩定的成像，對于提高無人飛艇航測系統的影像質量、數據處理精度及成圖精度很有意義。