來(lái)源：《測(cè)繪科學(xué)技術(shù)》2017年7月
作者：王正祥，劉琴，孫東
摘 要：利用無(wú)人機(jī)與GPS相結(jié)合的手段，通過(guò)航線(xiàn)理論的設(shè)定，修正航跡按規(guī)劃航線(xiàn)飛行，形成了一套完整的無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航測(cè)繪大比例尺地形圖技術(shù)，圓滿(mǎn)完成烏東德水電站移民安置規(guī)劃區(qū)1∶2000航空攝影測(cè)量項(xiàng)目，成果質(zhì)量滿(mǎn)足規(guī)范要求，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)劃目的。
關(guān)鍵詞 :大比例尺地形圖，自主導(dǎo)航無(wú)人機(jī)
1. 引言
無(wú)人機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡(jiǎn)稱(chēng)，英文常用Unmanned Aerial Vehicle表示，縮寫(xiě)為UAV。隨著無(wú)人機(jī)運(yùn)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大和需求量的提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展成熟，全球定位系統(tǒng)——GPS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，其具有實(shí)時(shí)定位快，精度高、實(shí)時(shí)效果佳、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。自主導(dǎo)航作為無(wú)人機(jī)的重要需求功能之一，得到了充分的重視和快速發(fā)展，逐漸發(fā)展出了一個(gè)嶄新的獨(dú)立模塊——航跡系統(tǒng)[1]。本文介紹了一種小型無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航測(cè)繪大比例尺地形圖的方法，其被成功地運(yùn)用于烏東德水電站移民安置規(guī)劃區(qū)1: 2000航空攝影測(cè)量項(xiàng)目。
2. 自主導(dǎo)航的基本理論方法
2.1. GPS RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量
常規(guī)的GPS測(cè)量方法，一般都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，其定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real-time kinematic)方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率[2]。
2.2. 航線(xiàn)規(guī)劃設(shè)定
無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃是指根據(jù)無(wú)人機(jī)需要完成的任務(wù)、無(wú)人機(jī)的數(shù)量以及攜帶任務(wù)載荷的類(lèi)型，對(duì)無(wú)人機(jī)制定飛行路線(xiàn)并進(jìn)行任務(wù)分配。
任務(wù)規(guī)劃的主要目標(biāo)是依據(jù)地形信息和執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境條件信息，綜合考慮無(wú)人機(jī)的性能、到達(dá)時(shí)間、耗能、威脅以及飛行區(qū)域等約束條件，為無(wú)人機(jī)規(guī)劃處一條或多條自出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)或次優(yōu)航跡，保證無(wú)人機(jī)高效、圓滿(mǎn)地完成飛行任務(wù)[3]。
無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃需要實(shí)現(xiàn)以下功能：
1) 任務(wù)分配功能
充分考慮無(wú)人機(jī)自身性能和攜帶載荷的類(lèi)型，可在多任務(wù)、多目標(biāo)情況下協(xié)調(diào)無(wú)人機(jī)及其載荷資源之間的配合，以最短時(shí)間以及最小代價(jià)完成既定任務(wù)。
2) 航線(xiàn)規(guī)劃功能
在無(wú)人機(jī)避開(kāi)限制風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域以及油耗最小的原則上，制定無(wú)人機(jī)的起飛、著陸、接近監(jiān)測(cè)點(diǎn)、離開(kāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、返航及應(yīng)急飛行等任務(wù)過(guò)程的飛行航跡。
3) 仿真演示功能
能夠?qū)崿F(xiàn)飛行仿真演示、環(huán)境威脅演示、監(jiān)測(cè)效果顯示?？蛇M(jìn)行基于數(shù)字地圖的合成圖像計(jì)算，顯示不同坐標(biāo)與海拔位置上的地景圖像，以便地面操作人員為執(zhí)行任務(wù)選取最佳方案。
2.3. 航線(xiàn)信息設(shè)定
航線(xiàn)信息規(guī)劃由地面控制站預(yù)先計(jì)算和設(shè)定,通過(guò)程序?qū)懭腼w控計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。航點(diǎn)通過(guò)直線(xiàn)或圓弧線(xiàn)連接為航路，多條航路組成航線(xiàn)。每過(guò)一航點(diǎn)，飛控計(jì)算機(jī)會(huì)在其內(nèi)存中讀出該航點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息和控制信息，為該航路自主導(dǎo)航控制服務(wù)。同時(shí)讀出下一航點(diǎn)信息，為下一航路的導(dǎo)航控制做準(zhǔn)備。
2.4. 航跡系統(tǒng)的工作形態(tài)
當(dāng)航線(xiàn)設(shè)定完畢后,可以利用航跡數(shù)據(jù)裝訂功能，迅速地將航線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送到無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)中。實(shí)際的操作過(guò)程是，航跡系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將航線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送到地面控制系統(tǒng)，然后由地面控制系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路將數(shù)據(jù)傳送給無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。
根據(jù)航線(xiàn)形態(tài)，一般分為直線(xiàn)航線(xiàn)和圓弧航線(xiàn)，無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航的目標(biāo)通過(guò)控制率改變無(wú)人機(jī)姿態(tài)，使它能按照這兩種航線(xiàn)自主飛行[4]。
1) 直線(xiàn)航線(xiàn)
自主導(dǎo)航依靠橫向滾轉(zhuǎn)角的變化來(lái)改變其橫向姿態(tài)，當(dāng)無(wú)人機(jī)按直線(xiàn)航線(xiàn)飛行時(shí)，橫向姿態(tài)給定滾轉(zhuǎn)角為：
其中，為飛機(jī)地速、為偏航角、為側(cè)偏距。
自主導(dǎo)航中，無(wú)人機(jī)需要對(duì)何時(shí)執(zhí)行完本條航線(xiàn)的飛行，進(jìn)入下一條航線(xiàn)進(jìn)行判斷，這里采取計(jì)算無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)點(diǎn)到末端垂線(xiàn)間的待飛距離來(lái)做過(guò)點(diǎn)判斷，如圖1。
2) 圓弧航線(xiàn)
圓弧航線(xiàn)橫向姿態(tài)給定滾轉(zhuǎn)角為：
其中，為飛機(jī)地速、為轉(zhuǎn)彎半徑。、求法與直航線(xiàn)相同。
圖1. 無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)角判斷控制
2.5. 導(dǎo)航軟件及流程
導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)及流程[5]：
1) 初始化模塊，實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)初始化;
2) 集成數(shù)據(jù)模塊，接收GPS數(shù)據(jù);
3) 終端分析平臺(tái)模塊，實(shí)現(xiàn)GPS有效數(shù)據(jù)的提取與轉(zhuǎn)換;
4) 導(dǎo)航預(yù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)航線(xiàn)裝訂、提取航點(diǎn)信息，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等功能;
5) 航跡監(jiān)測(cè)器，用于計(jì)算線(xiàn)路重合率;
6) 輸出模塊，輸出舵機(jī)控制量實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。通過(guò)GPS獲得無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)定位信息，修正無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài);同時(shí)進(jìn)行過(guò)點(diǎn)判斷，使無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃航路自主飛行。
3. 應(yīng)用案例
3.1. 項(xiàng)目概況
金沙江烏東德水電站移民安置規(guī)劃會(huì)理、會(huì)東、元謀測(cè)區(qū)1:2000航空攝影測(cè)量工作，此項(xiàng)目位于四川省會(huì)理縣、會(huì)東縣和云南省元謀縣境內(nèi)。測(cè)區(qū)范圍62 km2，概略坐標(biāo)：北緯25?26 50 N~27?07 25 ，
東經(jīng)101?49 21 E~102?32 54 ，南北跨度達(dá)189公里[6]。
3.2. 作業(yè)方案
鑒于測(cè)區(qū)面積較大，時(shí)間要求緊，本項(xiàng)目采用無(wú)人機(jī)航攝獲取測(cè)區(qū)地面分辨率優(yōu)于20cm的數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，并采用航帶布點(diǎn)方式測(cè)設(shè)像控點(diǎn)，內(nèi)業(yè)空三加密后，采用全數(shù)字航空攝影測(cè)量工作站生產(chǎn)工藝制作測(cè)區(qū)1:2000數(shù)字地形圖[7]?？傮w實(shí)施技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖2。
圖2. 實(shí)施技術(shù)路線(xiàn)圖
3.3. 采用的儀器設(shè)備
1) GPS接收機(jī)，中海達(dá)，精度指標(biāo)5 mm + 1 ppm，利用“差分GPS定位技術(shù)”RTK精度可以達(dá)到0.02米。
2) 無(wú)人機(jī)
此次作業(yè)采用KC1600型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試飛行及測(cè)區(qū)實(shí)驗(yàn)成圖均滿(mǎn)足精度要求。該無(wú)人機(jī)具有可靠性高、飛行場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、飛行姿態(tài)平穩(wěn)、航片質(zhì)量高、維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)。KC1600型無(wú)人機(jī)外觀(見(jiàn)圖3)。
3) 航空攝影采用NikonD800碼相機(jī)進(jìn)行拍攝，相機(jī)參數(shù)：焦距：35.98 mm;感光器件：7360 × 4912像素，35.9 × 24.0 mm，像元大小4.88 μm (見(jiàn)圖4)[8]。
3.4. 影像數(shù)據(jù)采集范圍與飛行航跡
本次飛行共選取了4個(gè)起降場(chǎng)，分別位于元謀縣啟憲、元謀老城鄉(xiāng)、會(huì)理縣瓦窯塘、會(huì)理縣甸沙關(guān)。無(wú)人機(jī)飛行航跡線(xiàn)見(jiàn)圖5。
圖3. 技術(shù)參數(shù)
圖4. NikonD800 camera
圖5-1. 無(wú)人機(jī)飛行航跡線(xiàn)圖--會(huì)理縣甸沙關(guān)測(cè)區(qū)
圖5-2. 無(wú)人機(jī)飛行航跡線(xiàn)圖--會(huì)東縣坪山測(cè)區(qū)
圖5-3. 無(wú)人機(jī)飛行航跡線(xiàn)圖--會(huì)理縣富樂(lè)測(cè)區(qū)
圖5-4. 無(wú)人機(jī)飛行航跡線(xiàn)圖--元謀縣啟憲測(cè)區(qū)
圖5-5. 無(wú)人機(jī)飛行航跡線(xiàn)圖--元謀縣東山大溝測(cè)區(qū)
3.5. 航空攝影
3.5.1. 航拍要求
1) 按照檢查單進(jìn)行起飛前的檢查作業(yè)，確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)正常;系統(tǒng)按要求完成GPS和IMU的初始化;
2) 確定首選作業(yè)區(qū)氣象狀況是否適合作業(yè)，是否需要轉(zhuǎn)向備用作業(yè)分區(qū);
3) 落地后按要求時(shí)間做完GPS和IMU的觀測(cè);
4) 從設(shè)備中下載POS和影像數(shù)據(jù);
5) 回到駐地盡快將數(shù)據(jù)做好雙備份;
6) 在隨機(jī)軟件CaptureOne中預(yù)覽相機(jī)采集的原始未解壓數(shù)據(jù)，查看影像有無(wú)黑片、掉片現(xiàn)象，檢查有無(wú)影像拉花、云量過(guò)多等問(wèn)題;
7) 發(fā)現(xiàn)影像存在質(zhì)量問(wèn)題，必須盡早安排補(bǔ)飛[9]。
3.5.2. 飛行情況和影像質(zhì)量檢查
此次航飛工作開(kāi)展的時(shí)間正值夏季，雷陣雨很多，起降場(chǎng)相隔較遠(yuǎn)，適合飛行作業(yè)的時(shí)間稍縱即逝。為了保證飛行安全和獲取高質(zhì)量的數(shù)碼影像，只能選擇能見(jiàn)度高、風(fēng)速較小的時(shí)間段開(kāi)展航攝工作?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)航片的完整性進(jìn)行了檢查，主要檢查項(xiàng)有：
1) 重疊度檢查：航向重疊達(dá)到了75%，最小不小于65%，旁向重疊達(dá)到了45%，最小不小于35%，整個(gè)測(cè)區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)相對(duì)漏洞和絕對(duì)漏洞。
2) 俯仰角檢查：航片俯仰角一般小于3?，個(gè)別最大不超過(guò)11?。
3) 滾轉(zhuǎn)角檢查：航片滾轉(zhuǎn)角一般小于3?，個(gè)別最大不超過(guò)11?。
4) 旋偏角檢查：航片旋偏角一般小于6?，最大不超過(guò)8?。
5) 航線(xiàn)彎曲不大于3%。
6) 同一航線(xiàn)上相鄰像片的航高差無(wú)大于30 m的情況出現(xiàn)，最大和最小航高之差不大于50 m。
3.5.3. 空三加密
1) 在獲取影像和像控點(diǎn)成果后，本項(xiàng)目選用了PixelGrid_VZ攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行空三加密。地形點(diǎn)最弱點(diǎn)中誤差為：
X：0.365 m
Y：0.332 m
H：0.527 m
2) 空三加密像控點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[10]。
表1. 空三加密像控點(diǎn)殘差統(tǒng)計(jì)一覽表
按《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》空三加密允許最大值：平面1.6 m;高程：1.8 m。
3) 空三加密整體平差后中誤差為：
Sigma naught: 2.7 [micron] = 0.6 [像素]
4. 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)烏東德水電站移民安置規(guī)劃區(qū)1:2000航空攝影測(cè)量項(xiàng)目的試驗(yàn)性生產(chǎn)，各項(xiàng)成果資料均滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明無(wú)人機(jī)自主導(dǎo)航測(cè)繪大比例尺地形圖技術(shù)能廣泛運(yùn)用于測(cè)繪大比例尺地形測(cè)繪工作。但是，實(shí)際測(cè)繪工作中，發(fā)現(xiàn)GPS用于飛機(jī)姿態(tài)測(cè)量時(shí)還存在兩個(gè)方面的不足[11]：
1) 在飛機(jī)高速飛行時(shí)，飛機(jī)在一秒之內(nèi)完成好幾個(gè)動(dòng)作，而GPS大部分是在一秒左右測(cè)量到一次飛機(jī)姿態(tài)，一秒以?xún)?nèi)的姿態(tài)數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)據(jù)內(nèi)插完成的，在飛機(jī)姿態(tài)變化比較大的情況下，這種方法的可信度受到限制。
2) 當(dāng)在飛行過(guò)程中GPS天線(xiàn)背離衛(wèi)星方向時(shí)無(wú)法接收到有效信號(hào)，導(dǎo)致一些關(guān)鍵飛行動(dòng)作姿態(tài)測(cè)量失敗。特別是飛機(jī)在做俯沖、背飛等特定測(cè)試動(dòng)作時(shí)，更不容易得到有效的信號(hào)，容易導(dǎo)致測(cè)量失敗。
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