基于北斗的無人機編隊地貌監測系統

李卓楠

【摘 要】隨著我國經濟與科技不斷蓬勃發展，地貌地形監測需求與要求也越來越高，如何在人工成本高，技術尚未完全成熟的情況下對未知地域地形地貌進行精準、高質量的監測成為當下地質研究人員研究的一大重要問題。本項目針對這一問題，提出了基于北斗導航系統研究研發無人機編隊地貌監測系統，利用其成本低廉，行動靈活快速，覆蓋面積廣等優點來滿足當前對地貌監測的較高要求。該系統創新性的將北斗導航技術與嵌入式無人機技術結合起來，充分利用兩者的優勢，對未知領域的地貌情況進行采集評估，迅速掌握未知地貌的大量基本信息，方便人們進一步生產生活的進行。

【關鍵詞】北斗導航;無人機編隊;地貌監測;嵌入式系統

一、引言

認識自然，進而利用自然與改造自然是人類為建成更好、更美、更優家園的必經過程，認識自然作為首要步驟，是充分利用自然資源的必經之路。中國地大物博，未知領域地貌監測工作的實施必然需要先進的技術的支持。當今時代，科技發展迅速，信息技術對生產發展的影響越來越大，北斗定位系統以及無人機的出現在很大程度上解決了地貌監測行業發展需求，尤其是一些僅僅通過人力無法或很難實行的任務，例如：大型沙漠及高山森林的地貌監測。其監測過程所需成本高，精度要求高，而無人機與北斗定位系統的有機結合則充分地利用其兩者的優點，解決地質工作者所遇到的問題，因此此系統的研究十分有必要。

二、地貌監測系統的設計

2.1 單個無人機飛控系統的設計

2.1.1 飛控系統主要構架

飛控系統作為一個嵌入式系統，主控采用STM32作為中心控制器，傳感器有：加速度計陀螺儀MPU6050、磁力計IST8310、氣壓計SPL06、攝像頭模塊、北斗導航定位模塊等，飛控算法主要有：傳感器濾波、傳感器校準、姿態解算、慣性導航、控制算法、視覺處理等，飛控功能主要為：一鍵起飛、一鍵降落、北斗定位定點、北斗定速巡航、拍照錄像、自動返航降落、自動追蹤移動模式等。

2.1.2 飛控系統硬件設計

飛控系統的硬件方面為我們自主設計的pcb板，其充分發揮了自主設計的優勢，相較于當前市場上的成品飛控系統，我們可以做到舍棄無必要的功能，僅設置所需功能，能夠節省體積，節省制作生產成本，提高工作效率。傳感器放置于封閉空間，使用發泡海綿填充，給氣壓計氣提供穩定的氣流環境。減震方式采用斜拉式減震方案，業界公認最優秀的外部物理減震方案，不同硬度的斜拉球可選，為飛控提供穩定的溫床。

2.1.3 飛控主要控制算法設計

濾波器設計：在我們的設計中，對傳感器采集時并沒有設置內部低通，通過比較原始信號在懸停油門附近與靜止時的頻譜圖，確定由于機體震動而產生的傳感器噪聲的截止頻率，設計二階巴特沃斯濾波器對噪聲信號進行處理。同時針對姿態解算與慣性導航所應用到的主導傳感器不同，同一量在我們的研究項目中在不同使用條件下的截止頻率也會不一樣。

慣性導航：本項目前期對APM以及PIX飛控采用的三階互補方案原理進行了學習以及驗證，接著采用單觀測量的卡爾曼濾波對當無人機的豎直位置、速度進行慣導融合，然后針對氣壓計觀測傳感器具有一定的滯后性，所引起的快速運動時慣導收斂慢問題，提出了一種可以延時修正的新型慣性融合算法。目前對于水平方向慣導融合我們團隊采用的是雙觀測量帶延時修正的卡爾曼濾波慣導算法。

自適應補償系數算法：由于加速度計在高速且帶有旋轉的運動中的輸出會出現一定的時滯，并且陀螺儀在低速旋轉運動中的精度有限，為了有效的補償由于上述因素所造成的誤差，本文使用了一種自適應補償系數算法。

2.2 北斗導航在監測系統中的運用

北斗導航系統實現定位的主要方法有偽距觀測值測量和載波相位值測量。

偽距觀測值測量：當無人機上安裝的接收機與北斗導航系統有同步的時鐘時，信號在空間中的傳播時間就可以通過接收機接收到衛星發射過來的信號的時間計算出來，根據傳播速度與時間，可以求出衛星與無人機之間的距離。

載波相位測量：此種測量方式通過加載測距碼和導航信息的載波的相位數測量獲得，因此我們稱它為載波相位觀測量，其比偽距觀測值所測量結果擁有更高精度，在北斗導航的高精準度優點上起重大作用。

2.3 無人機編隊系統的設計

2.3.1 編隊的信息交互

編隊在執行任務時往往保持每架無人機在其隊伍中的相對位置的固定，其編隊要想保持幾何形態在飛行過程中的相對穩定，就需要在他們之間存在信息的交互。常見的信息交互控制方法基本上有三種：集中式控制、分布式控制、分散式控制。經研究，我們決定采用分布式控制，編隊中的每一架無人機都會將自己的位置、目標、速度與其他的無人機進行交互分享，雖然其控制性較差，信息的交互性不強，但可以大大減少計算量，系統和控制算法相對比較簡單，對機載控制核心要求比較低。

2.3.2 隊形控制算法

對于編隊隊形的控制算法，經過對許多學者的大量作品的研究，發現目前較為成熟的控制算法主要有：長機——僚機法、虛擬結構法、基于行為法、人工勢場法、PID法等。本系統擬采用經典的PID控制算法，該算法有利于消除部分干擾信號所引起的誤差，利用線性化原理，來得到需要使用的線性方程，但PID控制器的參數整定會影響著控制器的性能，我們可以利用相關軟件，例如Matlab來對PID參數進行配置。

2.3.3 無人機航線跟蹤控制系統的設計

對于一些復雜地貌的監測，我們需要制定相應的航線來對此地區有效的進行監測，因此無人機航線跟蹤系統的精準控制便顯得格外重要。使用偏側控制是常有的應對方案，在執行任務的無人機飛行前，將事先制定好的飛行航線導入中心控制器中，利用北斗導航定位系統測量無人機當前的位置，這樣就可以得到無人機當前偏離航線的偏側距和偏側速率，依據這些數據來調整無人機的航向角，最終消除當前航線與目標航線的誤差。

2.4 地貌監測方案的研究與設計

2.4.1 航測相機的需求與選取

為了獲取高精度，高分辨率的地貌攝影材料，航測相機的選取是一個關鍵，由于無人機的動力和體積有限，因此相機的體積與重量便顯得格外重要，非量測型數碼相機則為最佳選擇。

2.4.2 巡航速度的分析與使用

因為采用低成本非量測型數碼相機作為攝像機，所以除了縮短曝光時間外，合理的控制巡航速度也是提高航空影像清晰度的一個關鍵點。影像的位移X、曝光時間t、巡航速度v、飛行高度H、地物高度差、相機焦距f，它們之間擁有一個人關系式：

根據此式即可求得合理的巡航速度。

2.4.3 航測相片后期處理

由于使用無人機拍攝系統的自身的特點決定了其航測相片的獲取以及后期的處理都有其特殊的方式，過程主要分為兩步：提取數據和航片自動預處理。從飛控及相機中提取相片、POS參數、北斗導航數據;將各項提取出來的數據導入航測系統的后期處理軟件Postflight3D中，就可以開始自動的拼接、處理、圖像增強、DEM生成和DOM制作。

三、結論

本文描述了基于北斗的無人機編隊地貌監測系統，它專門設計適用于各種復雜不利于人工或單兵勘測的地形地貌上，以克服它們傳統勘測設備所出現的不足，且擁有更多新型功能。這些特性可以為沙漠，海洋，森林等特殊地貌勘測提供更多更加優質有效的數據，促進科研和經濟的發展。

參考文獻：

[1]許斌.淺談基于 ARM 的嵌入式系統設計[J].科技資訊，2017，15（28）：65-66.

[2]蔡明兵，基于北斗的無人機跟蹤目標定位技術研究[D].中國科學院大學，2016

（作者單位：沈陽航空航天大學自動化學院）