一種基于飛行元數據的無人機云臺控制方法

宮世杰 郭喬進 梁中巖 劉蔚棣

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京210014）

1 概述

無人機作為一種新興現代軍事裝備，以其得天獨厚的“無人”優勢，完全符合“不見面”和“零傷亡”的現代戰爭理念。攜帶不同設備的無人機，可以執行偵察監視、激光制導、電子干擾、通信中繼、目標定位、戰斗評估、精確打擊等任務。無人機在民用上也大有可為，它可應用于場區監控、航空攝影[1-2]、公路巡視[3]、氣象探測[4]、勘探測繪[5]、偵察監視[6-7]等多個領域。

當前的軍用無人機傳感器載荷非常豐富，包括機載照相機，攝像機，SAR 雷達，多光譜相機等等。其中可見光視頻偵察是最常見、最有效，也是最直觀的偵察方式。然而，目前常見的無人機偵察系統通常僅能夠通過鼠標或搖桿控制無人機偵察區域，或者在目標進入視場后開始檢測跟蹤程序，對于已知坐標的移動或運動目標，操作人員無法快速控制云臺轉向目標所在區域。針對該問題，本文實現了一種基于飛行元數據的無人機云臺控制方法，允許用戶在無人機航拍過程中根據待觀測目標的位置信息，結合飛行元數據信息，實時控制云臺轉向，從而使相機始終跟隨地面目標，提高了無人機對地視頻偵察的便捷性。

2 實驗平臺介紹

本文所述方法支持在GIS 上點選目標，將坐標信息發送至機載計算平臺，并輔助控制云臺轉向目標區域，使目標出現在視頻圖像中心。該方法有效簡化了無人機云臺的控制策略，使無人機操作人員能夠專注于操作無人機，根據無人機的實時飛行參數自動控制云臺進行旋轉，提高了偵察地面目標的工作效率。

本文所述方法采用定制化無人機平臺進行驗證，主要模塊包括無人機平臺、云臺、機載計算模塊、數傳模塊、圖傳模塊、地面控制計算機組成。

其中機載計算模塊采用Jetson TX2，通過MavLink 協議[8-9]與控制平臺實時交互，處理無人機飛行元數據信息。元數據信息類型包括無人機元數據、云臺元數據、相機元數據，無人機元數據包括：經度、緯度、高度、方位角、俯仰角、側滾角；云臺元數據包括：相對方位角、相對俯仰角；相機元數據包括：分辨率、水平視場角、垂直視場角。

3 基于高程數據的無人機視頻實時定位方法

本方法包括元數據處理模塊、高程數據管理模塊、云臺控制模塊。

3.1 元數據處理

機載計算模塊接收元數據信息，包括無人機的系統平臺參數、云臺參數及傳感器參數等元信息，根據時間戳進行同步，同時，對于接收到的元數據需要根據視頻幀的對應時間戳進行插值，得到對應的元信息。計算模塊利用REDIS[11]緩存接收到的元數據信息，緩存失效時間設置為20 秒。

3.2 DEM管理

高程數據管理模塊負責對大區域的高程數據的分塊存儲及訪問，將分塊的DEM[10]數據轉換到地心坐標系，根據無人機的飛行軌跡動態加載并緩存目標及其周邊區域的高程數據，從而實現高程數據的快速訪問。本文所使用的SRTM高程數據[12]的原始數據超過90G，由于TX2 存儲容量有限，同時為了快速實時獲取指定經緯度的高程信息，本方法設計了一種高程數據動態加載機制，即根據飛行方向和飛行速度，預加載下一分片的DEM 數據，最多同時加載4 個分片的DEM 數據，并卸載歷史分片數據。

3.3 云臺控制

首先根據GIS 框選目標的經緯度，結合高程數據獲取目標高程，再根據無人機實時元數據信息進行解算，獲取云臺期望方位角和俯仰角與當前云臺位置的偏差，進而根據計算結果控制云臺轉動。具體步驟如下：

（1）在GIS 上獲取目標經緯度（plon，plat），利用高程數據，獲取高度plat；

（2）將無人機經緯度及高度轉換為地心坐標系坐標βz=（βx，βy，βz），另計算β0=（βx，βy，βz-1000），從而獲取地心坐標系中，將無人機從初始點旋轉到對應經緯高的旋轉矩陣Rα=R（<（0，0，0），（0，0，1）>，<β0，βz>），同時根據經度進行旋轉，使無人機在地心坐標系中與水平面平行，其旋轉矩陣記為Rlon；

（3）根據無人機的方位角、俯仰角及側滾角云臺參數（βy，βp，βr），計算旋轉矩陣Rβ=f（βy，βp，βr）；

（4）定義地心坐標系中的直線V軑t=<（0，0，0），（0，0，-300）>，計算根據無人機參數旋轉后的直線V軑tr0=V軑t*Rβ*Rlon*Rα；

（5）計算直線與直線V軑tr0 的方位角偏差κy和俯仰角偏差κp；

（6）根據方位角偏差κy和俯仰角偏差κp旋轉云臺。

4 實驗結果

為驗證本文所述方法的有效性，我們使用六旋翼偵察無人機系統進行測試，系統主要包括6 旋翼無人機一套、云臺（含攝像機）一套、機載計算平臺（TX2）一套、數傳一套、圖傳一套及地面控制計算機一套。本文所述軟件所使用衛星地圖為無偏移Google 衛星影像地圖；所使用SRTM 高程數據，精度為90m；云臺控制響應時間小于40ms。

圖1 試驗硬件平臺和軟件平臺

用戶可在GIS 衛星地圖上框選待觀測目標，本文所述方法將實時解算出云臺方位和俯仰角信息，并支持在無人機飛行運動過程中不斷修正云臺方位，從而使待觀測目標始終出現在視頻觀測區域中。試驗效果如圖2 所示，其中，a 為GIS 標注圖像，其中紅色區域為人工框選的目標區域，b 為無人機實時視頻圖像。

圖2 云臺控制效果展示（依次為a，b，c 圖）

為驗證云臺控制精度，本文共進行了實驗20 次試驗，并對目標中心坐標和視頻目標坐標進行誤差統計，實測誤差如上圖中c 所示，其中橫坐標為精度誤差，縱坐標為維度誤差，單位為米。從圖中可以看出，本文所述方法能夠幫助用戶快速控制云臺轉向待觀測區域，實測定位誤差小于20m（無人機飛行高度小于200m）。

5 結論

無人機云臺控制方法對戰場監控、地面靜態目標監視、地面動態目標隨動跟蹤等應用方向具有重要的研究價值。本文提出了一種基于飛行元數據的無人機云臺控制方法，該方法支持基于輸入地面目標坐標信息，結合飛行器實時飛行元數據信息，通過機載運算平臺，實時控制云臺轉向，從而控制云臺始終跟隨地面目標，對地面目標進行連續不間斷監視。