無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)技術(shù)集成方略

1、無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)技術(shù)集成方略航空攝影測量技術(shù)作為空間信息技術(shù)體系的兩大分支之一，得到了各國的重視。我國在該領(lǐng)域也取得了一系列重大的進(jìn)展，研制出許多航空攝影測量設(shè)備。微型無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、執(zhí)行任務(wù)靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為航空攝影測量系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，是空間數(shù)據(jù)獲得的重要工具之一。 然而，傳統(tǒng)的無人機(jī)并不是專門為攝影測量目的而設(shè)計(jì)的，同樣，許多通用傳感器、導(dǎo)航儀等設(shè)備也不是專門為無人機(jī)設(shè)計(jì)的，其結(jié)果是導(dǎo)致了它們之間的集成很困難。本公司歷經(jīng)數(shù)年的科研，集成了一套的完整的微型無人機(jī)大比例尺航空攝影測量系統(tǒng)，其無人機(jī)的研制充分考慮了攝影測量飛行的特殊性，較其采用無人機(jī)改裝的攝影測量

2、系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。無人駕駛飛行器攝影測量系統(tǒng)以獲取高分辨率空間數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中的集成應(yīng)用，達(dá)到實(shí)時(shí)對地觀測能力和空間數(shù)據(jù)快速處理能力。要使其成為理想的遙感平臺(tái)，有多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要解決：1)傳感器技術(shù)根據(jù)不同類型的遙感任務(wù)，需要開發(fā)相應(yīng)的機(jī)載遙感設(shè)備，如高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)、多光譜成像儀、激光掃描儀、磁測儀、合成孔徑雷達(dá)等，選用的遙感傳感器應(yīng)具備數(shù)字化、體積小、重量輕、精度高、存儲(chǔ)量大、性能優(yōu)異等特點(diǎn)。2)傳感器及其姿態(tài)控制技術(shù)傳感器的控制系統(tǒng)要能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的航攝點(diǎn)、攝影比例尺、重疊度等參數(shù)以及飛行控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供的飛行高度、飛行速度等數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算并自動(dòng)控

3、制遙感傳感器的工作，使獲取的空間數(shù)據(jù)在精度、比例尺、重疊度等方面滿足遙感的技術(shù)要求。對于抗風(fēng)能力弱、飛行穩(wěn)定性差的無人駕駛飛行器（如飛艇），應(yīng)給攝影測量設(shè)備加裝三軸穩(wěn)定平臺(tái)，以保證獲取穩(wěn)定的、清晰的高質(zhì)量影像，傳感器的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)最好能夠?qū)崟r(shí)記錄并存儲(chǔ)，以便用于影像數(shù)據(jù)的處理，提高工作效率。3)傳感器定標(biāo)及數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)技術(shù)無人駕駛飛行器搭載的主要攝影測量傳感器為面陣CCD數(shù)字相機(jī)，而目前國內(nèi)市場上的小型專業(yè)級(jí)數(shù)字相機(jī)還不能達(dá)到量測相機(jī)的要求，所以，為使獲取的影像能夠滿足大比例尺測圖的精度，應(yīng)根據(jù)相機(jī)的幾何成像模型，作相關(guān)的檢校工作，得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，必要時(shí)需要采用特殊的檢測手段，測定每

4、個(gè)像元的畸變量。另外，大面陣CCD數(shù)字相機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)量較大，需開發(fā)專用的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)。飛行器的測控?cái)?shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)傳輸時(shí)還可以通過衛(wèi)星通訊來實(shí)現(xiàn)。4)影像數(shù)據(jù)的后處理技術(shù)      目前的無人駕駛飛行器攝影測量系統(tǒng)多使用小型數(shù)字相機(jī)作為機(jī)載數(shù)據(jù)采集設(shè)備，與傳統(tǒng)的航片相比，存在像幅較小、影像數(shù)量多等問題，所以應(yīng)針對其影像的特點(diǎn)以及相機(jī)定標(biāo)參數(shù)、拍攝時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和有關(guān)幾何模型對圖像進(jìn)行幾何和輻射校正，開發(fā)出相應(yīng)的軟件進(jìn)行交互式的處理。同時(shí)還應(yīng)開發(fā)影像自動(dòng)識(shí)別和快速拼接軟件，實(shí)現(xiàn)影像質(zhì)量、飛行質(zhì)量的快速檢查和數(shù)據(jù)的快速處理，以滿足整套系統(tǒng)實(shí)時(shí)、

5、快速的技術(shù)要求。5)系統(tǒng)集成技術(shù)無人駕駛飛行器攝影測量系統(tǒng)屬于特殊的航空測繪平臺(tái)，技術(shù)含量高，涉及航空、自動(dòng)化控制、微電子、材料學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、無線電、遙感、地理信息等多個(gè)領(lǐng)域，組成比較復(fù)雜，加工材料、動(dòng)力裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、姿態(tài)傳感器、航向和高度傳感器、導(dǎo)航定位設(shè)備、通訊裝置以及遙感傳感器均需要精心選型和研制開發(fā)。應(yīng)根據(jù)測繪的技術(shù)要求和無人駕駛的特點(diǎn)，在系統(tǒng)的集成上重點(diǎn)攻關(guān)，達(dá)到工程化、實(shí)用化。二、國內(nèi)外現(xiàn)狀分析微型無人機(jī)航空攝影是以獲取低空高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，集成了無人駕駛飛行器、遙感及GPS-導(dǎo)航定位等高科技產(chǎn)品和技術(shù)，建立起來的一種高機(jī)動(dòng)性、低成本和小型化，專用化的遙感系統(tǒng)。無

6、人機(jī)遙感具有機(jī)動(dòng)靈活、經(jīng)濟(jì)便捷的技術(shù)優(yōu)勢，它以高分辨率輕型數(shù)字遙感設(shè)備為機(jī)載傳感器、以數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)為技術(shù)支撐，具有對地快速實(shí)時(shí)調(diào)查監(jiān)測能力，可廣泛用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測、礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害勘查、海洋資源與環(huán)境監(jiān)測、地形圖更新、林業(yè)草場監(jiān)測以及農(nóng)業(yè)、水利、電力、交通、公安、軍事等領(lǐng)域。(1)無人機(jī)飛行器無人駕駛飛行器是通過無線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器。無人駕駛飛行器結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低，不但能完成有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的任務(wù)，更適用于有人飛機(jī)不宜執(zhí)行的任務(wù)，如危險(xiǎn)區(qū)域的偵察、空中救援指揮和遙感監(jiān)測。無人駕駛飛行器出現(xiàn)在1917年，早期的無人駕駛飛行器的研制和應(yīng)用

7、主要用作靶機(jī)，應(yīng)用范圍主要是在軍事上，后來逐漸用于作戰(zhàn)、偵察及民用遙感飛行平臺(tái)。20世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測精度高的新型傳感器的不斷面世，無人駕駛飛行器系統(tǒng)的性能不斷提高，應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展。世界范圍內(nèi)的各種用途、各種性能指標(biāo)的無人駕駛飛行器的類型已達(dá)數(shù)百種之多。續(xù)航時(shí)間從一小時(shí)延長到幾十個(gè)小時(shí)，任務(wù)載荷從幾公斤到幾百公斤，這為長時(shí)間、大范圍的遙感監(jiān)測提供了保障，也為搭載多種傳感器和執(zhí)行多種任務(wù)創(chuàng)造了有利條件。按照系統(tǒng)組成和飛行特點(diǎn)，無人駕駛飛行器可分為固定翼型無人機(jī)、無人駕駛直升機(jī)和無人駕駛飛艇等種類。固定翼型無人機(jī)通過

8、動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)翼的滑行實(shí)現(xiàn)起降和飛行，遙控飛行和程控飛行均容易實(shí)現(xiàn)，抗風(fēng)能力也比較強(qiáng)，是類型最多、應(yīng)用最廣泛的無人駕駛飛行器。其發(fā)展趨勢是微型化和長航時(shí)，目前微型化的無人機(jī)只有手掌大小，長航時(shí)無人機(jī)的體積一般比較大，續(xù)航時(shí)間在10小時(shí)以上，能同時(shí)搭載多種遙感傳感器。起飛方式有滑行、彈射、車載、火箭助推和飛機(jī)投放等；降落方式有滑行、傘降和撞網(wǎng)等。固定翼型無人機(jī)的起降需要比較空曠的場地，比較適合林業(yè)和草場監(jiān)測、礦山資源監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測、城鄉(xiāng)結(jié)合部的土地利用監(jiān)測以及水利、電力等領(lǐng)域的應(yīng)用。無人駕駛直升機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢是能夠定點(diǎn)起飛、降落，對起降場地的條件要求不高，其飛行也是通過無線電遙控或通過機(jī)載計(jì)算機(jī)

9、實(shí)現(xiàn)程控。但無人駕駛直升機(jī)的結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，操控難度也較大，所以種類不多，實(shí)際應(yīng)用也比較少。飛艇是通過艇囊中填充的氦氣或氫氣所產(chǎn)生的浮力以及發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)飛行。它的出現(xiàn)和應(yīng)用比飛機(jī)還要早，1884年世界上最早的實(shí)用飛艇試飛成功。飛艇的飛行因?yàn)槭艽箫L(fēng)和雷雨的氣候條件影響比較大，到20世紀(jì)30年代，隨著飛機(jī)的逐漸完善化和實(shí)用化，飛艇被飛機(jī)取代。大型飛艇可以搭載1000公斤以上的載荷飛到20000米的高空，留空時(shí)間可以達(dá)一個(gè)月以上；小型飛艇可以實(shí)現(xiàn)低空、低速飛行，作為一種獨(dú)特的飛行平臺(tái)能夠獲取高分辨率遙感影像，同時(shí)，無人駕駛飛艇系統(tǒng)操控比較容易，安全性好，可以使用運(yùn)動(dòng)場或城市廣場等作為

10、起降場地，特別適合在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)應(yīng)用，如城市地形圖的修測、補(bǔ)測，數(shù)字城市建立時(shí)的建筑物精細(xì)紋理的采集、城市交通監(jiān)測、通訊中繼等領(lǐng)域。當(dāng)前固定翼、旋翼（直升機(jī)）和飛艇技術(shù)，簡單比較如下表：固定翼機(jī)旋翼機(jī)飛艇經(jīng)濟(jì)性一般較貴節(jié)省體積較小，一般2m內(nèi)較小，一般2m內(nèi)較大，35m以上，不適宜攜帶，升空有管制問題應(yīng)該沒有管制問題。操縱性適宜低速運(yùn)動(dòng)拍攝，遙控設(shè)備要求比較高，活動(dòng)范圍大拍攝方式靈活，一般遙控范圍在25公里，適宜完成區(qū)域拍攝可以定點(diǎn)及低速運(yùn)動(dòng)，適宜監(jiān)測拍攝載重性一般較小很大，一般可以達(dá)到30公斤以上凈載荷安全性需要自動(dòng)駕駛設(shè)備輔助，汽油機(jī)安全性一般，因始終在運(yùn)動(dòng)，出問題后

11、毀傷概率較大需要自動(dòng)駕駛設(shè)備輔助，汽油機(jī)安全性一般比較好，即使出問題，也不容易造成大的損壞(2)自動(dòng)駕駛儀當(dāng)前國內(nèi)各種無人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大多采用工控機(jī)或訂制的工控板，中央處理器大多為Intel的386、486嵌入式處理器，主頻一般在100MHZ以下，MIPS隨之也低，也有少數(shù)采用高性能586處理器，主頻在200MHZ左右。Intel系統(tǒng)一個(gè)機(jī)器周期是4個(gè)時(shí)鐘周期，以后的系統(tǒng)用流水線有所提高。系統(tǒng)一般是ISA接口，擴(kuò)展不方便，只能基于ISA總線來擴(kuò)展硬件系統(tǒng)，而作為嵌入式處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量很大，ISA總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線為16位，時(shí)鐘最快為8兆，傳一次數(shù)據(jù)需要4個(gè)時(shí)鐘。另外國內(nèi)的飛行控制計(jì)算機(jī)采

12、用的工控機(jī)系統(tǒng)體積、功耗普遍較大，價(jià)格偏高，不適合用于小型、微型無人機(jī)。國外已有多種小型化、處理能力強(qiáng)的飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如美國的AP40自動(dòng)駕駛儀，集成了所有傳感器和GPS接收機(jī)的完整裝置，主板尺寸75×40×25mm，全重僅30克；加拿大MicroPilot公司的MP2028，全重僅28克，應(yīng)用于美國太空總署（NASA）眾多分支機(jī)構(gòu)的無人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)、以色列的“藍(lán)鳥”計(jì)劃的飛行控制等。(3)航空影像處理軟件航空影像處理經(jīng)歷了從模擬攝影測量、解析攝影測量到全數(shù)字?jǐn)z影測量3個(gè)階段的發(fā)展。每個(gè)階段的發(fā)展都是技術(shù)的一次飛躍與革新，也是生產(chǎn)力提升的重要體現(xiàn)。由于目前模擬攝影測量手

13、段落后，儀器設(shè)備也都已經(jīng)淘汰，基本采用的都是數(shù)字?jǐn)z影測量的手段，主要方法包括解析攝影測量、全數(shù)字?jǐn)z影測量、單片微分糾正、數(shù)字影像幾何精糾正等幾種，市場上主要的處理軟件包括ImageStation；法國的Pixel Factory，以及國產(chǎn)的DPGrid等。無人機(jī)、飛艇等飛行器都易受氣流和風(fēng)向影響，航片為非常規(guī)航攝，偏角和滾角大（其中以飛艇的攝影質(zhì)量最差），后續(xù)處理比較困難。同時(shí)，由非量測相機(jī)拍攝的低空照片因像幅很小，低空照片數(shù)量非常大。目前針對無人機(jī)的航片處理軟件主要在全自動(dòng)化攝影測量處理上進(jìn)行提升，以中國測繪科學(xué)院為主研制的MAP-AT軟件在全自動(dòng)化空中三角測量、自動(dòng)DEM采集、自動(dòng)DOM制

14、作上取得了很多的技術(shù)突破。(4)無人機(jī)航攝應(yīng)用國內(nèi)外對于無人機(jī)遙感系統(tǒng)的應(yīng)用已進(jìn)行了廣泛研究。美國農(nóng)業(yè)部已開始應(yīng)用無人機(jī)裝載數(shù)碼可見近紅外相機(jī)采集田間作物信息，并在作物長勢和氮素營養(yǎng)監(jiān)測上作了應(yīng)用嘗試，取得了較好的結(jié)果，認(rèn)為這是一個(gè)進(jìn)一步研究和發(fā)展的方向。HUNT等(2005)應(yīng)用遙控航模為平臺(tái)的遙感系統(tǒng)，獲得了大豆、苜蓿和玉米的干生物量與所獲圖像數(shù)據(jù)之間呈線性相關(guān)的結(jié)果；日本的Jryo Sugiura(2004)利用無人直升機(jī)攝影系統(tǒng)對小面積農(nóng)田進(jìn)行低空拍攝，根據(jù)飛機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)對影像進(jìn)行糾正后計(jì)算研究區(qū)域的葉面積指數(shù)(LAI)，從而分析作物長勢；Sugiura等(2006)利用裝載熱紅外傳感

15、器的無人直升機(jī)對農(nóng)田土壤和水分的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；Shinichi Okuyama等(2005)也在無人直升機(jī)上設(shè)計(jì)了輻射監(jiān)測系統(tǒng)對受核污染影響的高輻射區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測；Martinez Dios等(2006)分別用無人直升機(jī)和飛艇裝載可見光、近紅外以及火災(zāi)探測傳感器來探測和監(jiān)測森林火災(zāi)情況：Ollero等(2006)也指出不同的無入機(jī)系統(tǒng)可以用來探測、確認(rèn)、定位和監(jiān)視森林火災(zāi)。在沒有火災(zāi)的時(shí)候可以用無人機(jī)來監(jiān)測植被情況，估算含氫量和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；在火災(zāi)過后也可以來評(píng)價(jià)火災(zāi)的影響；日本第一規(guī)劃測量土木設(shè)計(jì)公司開發(fā)出的裝有紫外線照相機(jī)的無人直升機(jī)可從200300米的低空對稻田的各個(gè)角落進(jìn)行拍攝，獲取高精

16、度的水稻生長信息，在對紫外線拍攝的圖片在經(jīng)過蛋白質(zhì)含量分類后，可將信息提供給當(dāng)?shù)剞r(nóng)協(xié)組織和農(nóng)民或通過因特網(wǎng)發(fā)布(華華，2003)。國內(nèi)無人機(jī)的應(yīng)用主要是利用固定翼無人機(jī)系統(tǒng)獲得遙感信息，用于資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、氣象災(zāi)害評(píng)估等。白由路等(2004)研究了低空遙感技術(shù)在精確農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，使用遙控固定翼無人機(jī)系統(tǒng)獲取農(nóng)田信息，如地塊邊界的數(shù)字化、地塊面積量算、作物種類識(shí)別、作物長勢分析等；馬輪基等(2005)闡述了無人機(jī)在土地利用遙感調(diào)查、水色遙感調(diào)查、洪澇遙感調(diào)查等方面的應(yīng)用前景；李字昊(2006)利用無人機(jī)獲得影像，從中測算造林地面積、計(jì)算成活率、辨認(rèn)樹種、計(jì)算造林密度、確定林齡，以及定位造林地

17、；呂書強(qiáng)等(2007)介紹了無人機(jī)遙感的系統(tǒng)集成，并對所獲取的遙感影像和飛行輔助數(shù)據(jù)對飛行試驗(yàn)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)；陳信華(2007)將SIFT(Scak Invariant Feature Transform)特征應(yīng)用于影像的自動(dòng)相對定向，結(jié)合最小二乘法實(shí)現(xiàn)了影像的自動(dòng)匹配；韓杰等(2008)分析無人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢，闡述無人機(jī)遙感技術(shù)的主要研究目標(biāo)和研究內(nèi)容，探討我國使用無人機(jī)遙感技術(shù)的國土資源快速監(jiān)察機(jī)制。三、集成方略微型無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)所采用的無人機(jī)是按照國際上通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并且其研制的目的主要是作為遙感平臺(tái)。在進(jìn)行航空立體成像時(shí)，飛機(jī)攜帶相機(jī)沿飛行線（或條帶）獲取垂直航空像片。由于實(shí)際應(yīng)

18、用中多選用航空像片的立體像對。因而成功的飛行，航向重疊應(yīng)為55%-65%，至少50%，一般為60%，旁向重疊大致30%。像片重疊意味著，在相隔一定距離的不同位置拍攝同一目標(biāo)。存在視差可以構(gòu)成立體像對，并可進(jìn)一步獲得立體模型。下面是微型無人機(jī)低空攝影測量的平臺(tái)框圖和運(yùn)營系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1、微型無人機(jī)平臺(tái)(1)設(shè)計(jì)要求基于小型無人機(jī)的攝影測量遙感平臺(tái)還處于起步階段，還沒有一套完整的作業(yè)規(guī)范?，F(xiàn)行的航測規(guī)范主要是參照大多數(shù)測繪單位現(xiàn)有的技術(shù)條件和儀器設(shè)備制定的，而小型無人機(jī)作為一種新型的低空對地觀測平臺(tái)，主要在1000m以下的高度進(jìn)行航拍，且其采用的是高分辨率的數(shù)碼相機(jī)作為成像設(shè)備，與傳統(tǒng)的航空

19、攝影測量有較大的不同。因此，已有的攝影測量規(guī)范在這種新型攝影平臺(tái)上并不一定能適用。按照傳統(tǒng)的航測作業(yè)準(zhǔn)則，有以下幾點(diǎn)參考指標(biāo)：1)飛行速度宜在5O100kmh之內(nèi)；2) 發(fā)動(dòng)機(jī)宜在飛機(jī)前進(jìn)方向的后部(以避免湍流的影響)；3) 在發(fā)動(dòng)機(jī)出故障時(shí)，飛機(jī)應(yīng)可以安全滑翔降落；4) 相對地面的飛行高度的變化應(yīng)小于5；5) 相鄰攝站飛行高度的變化應(yīng)小于5；6) 航攝平臺(tái)在作業(yè)時(shí)其水平誤差不得大于3。；7) 測量飛行速度的誤差不大于5；8) 偏離航線的絕對誤差不得大于相片旁向覆蓋域的5；(2)微型無人機(jī)遙感設(shè)備集成與接口微型無人機(jī)平臺(tái)可采

20、用的候選遙感設(shè)備包括4種高空間分辨率(<1 m×1 m)輕型(<6O kg)機(jī)載合成孔徑雷達(dá)(SAR)和兩種輕型光學(xué)成像設(shè)備。選擇適合于具體應(yīng)用和無人機(jī)特點(diǎn)的遙感設(shè)備，建立標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，縮短安裝調(diào)試周期是集成應(yīng)用型無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)的關(guān)鍵。具體內(nèi)容包括：1)針對不同應(yīng)用要求，通過性能價(jià)格比較，選擇遙感設(shè)備；2)完成遙感數(shù)據(jù)獲取設(shè)備與無人機(jī)平臺(tái)之間的統(tǒng)一接口設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)SAR、紅外攝像儀和可見光CCD等設(shè)備的快速更換；3) 無人機(jī)遙感設(shè)備的安裝調(diào)試。2、微型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)NCG-1型無人機(jī)飛控系統(tǒng)是我公司技術(shù)人員自主研發(fā)的一套微型無人機(jī)控制系統(tǒng)。該系

21、統(tǒng)包含：機(jī)載飛控、地面站、通訊設(shè)備。可以控制各種布局的無人駕駛飛機(jī)，使用簡單方便，控制精度高，GPS導(dǎo)航自動(dòng)飛行功能強(qiáng)，并且有各種任務(wù)接口，方便用戶使用各種任務(wù)設(shè)備。起飛后即可立即關(guān)閉遙控器進(jìn)入自動(dòng)導(dǎo)航方式，在地面站上可以隨意設(shè)置飛行路線和航點(diǎn)，支持飛行中實(shí)時(shí)修改飛行航點(diǎn)和更改飛行目標(biāo)點(diǎn)。單一地面站控制多架飛機(jī)的能力和自動(dòng)起降的功能也正在開發(fā)中。作為無人機(jī)的飛行控制核心設(shè)備，系統(tǒng)的主要任務(wù)是利用GPS等導(dǎo)航定位信號(hào)，并采集加速度計(jì)、陀螺等飛行器平臺(tái)的動(dòng)態(tài)信息，通過INS/GPS組合導(dǎo)航算法解算無人機(jī)在飛行中的俯仰、橫滾、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收處理地面發(fā)射的測控信息，用體積

22、小巧的嵌入式中央處理器形成以機(jī)載控制計(jì)算機(jī)為核心的電子導(dǎo)航設(shè)備，對無人機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，根據(jù)所選軌道來設(shè)計(jì)舵面偏轉(zhuǎn)規(guī)律，控制無人機(jī)按照預(yù)定的航跡飛行，使其具有自主智能超視距飛行的能力。（1）自穩(wěn)能力：在各種氣象條件及外界不可預(yù)測影響下，智能測算無人機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，自動(dòng)控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)的穩(wěn)定，確保無人機(jī)正常飛行；（2）自航能力：在保持無人機(jī)飛行穩(wěn)定的前提下，采用各種導(dǎo)航手段，控制無人機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的航跡飛行，執(zhí)行相應(yīng)航線任務(wù)；（3）狀態(tài)監(jiān)控與測控接口：作為整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的控制核心，飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)各模塊狀態(tài)，并通過高速接口與地面站實(shí)時(shí)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的交換。NCG-1型無人機(jī)

23、飛控系統(tǒng)采用了最先進(jìn)的FutabaPCM1024系列遙控，操作比一般的無人機(jī)控制系統(tǒng)更加靈活靈活，飛行姿態(tài)控制更加方便?？刂葡到y(tǒng)的舵機(jī)是我公司自主研發(fā)的，達(dá)到了50Hz更新率，13 位舵機(jī)分辨率，使我們的微型無人機(jī)能夠獲取更高精度的數(shù)據(jù)。主要特性如下：集成4Hz更新率GPS，可擴(kuò)展北斗、GLONASS組合導(dǎo)航；集成數(shù)字式空速、氣壓傳感器，0.1mba高精度，高度測量可擴(kuò)展無線電高度計(jì)；集成低成本低重量IMU，通過帶GPS修正的Kalman濾波計(jì)算最貼近真實(shí)情況的飛機(jī)姿態(tài)，動(dòng)態(tài)精度±2º，消除瞬時(shí)加速度、陀螺漂移對姿態(tài)計(jì)算的影響；使用跳頻遙控信道傳輸遙控指令，跳頻902930

24、MHz，擯棄普通無線遙控器，相當(dāng)于擴(kuò)展了跳頻抗干擾遙控增程器，遙控控制距離增強(qiáng)到電臺(tái)的控制距離(地對空1050km以上)，抗干擾性極強(qiáng)，在電磁環(huán)境復(fù)雜地區(qū)仍然能安全可靠的手動(dòng)遙控?zé)o人機(jī)；定位系統(tǒng)可擴(kuò)展差分GPS，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)航線控制與自動(dòng)滑降；可外接高精度慣性導(dǎo)航組件，各類AHRS、垂直陀螺，并可外接渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU）；可控制機(jī)載伺服云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，CCD變焦，算法可控制云臺(tái)鎖定地面固定目標(biāo)；定時(shí)、定距相機(jī)拍照控制，并在機(jī)上保存拍照時(shí)的飛機(jī)遙測參數(shù)；提供半自主控制，操作員僅僅進(jìn)行搖桿的左右操作，在定高狀態(tài)下自動(dòng)控制無人機(jī)飛行；實(shí)時(shí)修改、上傳航線，實(shí)時(shí)調(diào)整飛行控制參數(shù)；飛行操控手的所有操作動(dòng)

25、作均有數(shù)字記錄，可回放分析操控過程；實(shí)時(shí)顯示3軸加速度值、3軸陀螺值等IMU傳感器信息；720V寬電壓輸入，12位A/D采集電壓監(jiān)控；多種PID組合控制算法，2561024個(gè)任務(wù)航路點(diǎn)，12個(gè)制式航線，航段速度、高度、半徑和任務(wù)可單獨(dú)設(shè)置；“傻瓜式”操作，多種飛行控制方式：全自主彈射起飛、全自主手?jǐn)S起飛、全自主巡航飛行、全自主“一鍵式”回收、點(diǎn)哪飛哪、就地盤旋；完全夜航功能；用戶可設(shè)置的安全保護(hù)功能；電壓監(jiān)控、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控，發(fā)動(dòng)機(jī)滅車、意外安全保護(hù)；支持實(shí)驗(yàn)室模擬飛行功能，足不出戶預(yù)先判斷飛行效果；9通道舵機(jī)輸出，支持定時(shí)、定距控制拍照任務(wù)舵機(jī)動(dòng)作，支持開傘、切傘、開艙、拋撒等舵機(jī)動(dòng)作；支持

26、完全副翼轉(zhuǎn)彎、壓坡度橫滾轉(zhuǎn)彎，支持常規(guī)、V尾、H尾、三角翼等各種布局；搭載在系留平臺(tái)高空懸浮7天考核，經(jīng)過軍品裝備驗(yàn)收程序嚴(yán)格考核，高低溫、振動(dòng)、沖擊、電磁兼容等各項(xiàng)指標(biāo)符合國軍標(biāo)。3、嵌入式控制軟件計(jì)算機(jī)上運(yùn)行嵌入式控制軟件作為系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，飛行控制采用PID控制方法，飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)用旋轉(zhuǎn)四元數(shù)表示。采用基于修正雙子樣的等效旋轉(zhuǎn)矢量算法進(jìn)行姿態(tài)捷聯(lián)解算。機(jī)載嵌入式軟件除飛行航跡監(jiān)測與控制外，還包含飛行姿態(tài)穩(wěn)定、測控?cái)?shù)據(jù)協(xié)議接口、數(shù)碼相機(jī)控制、飛行數(shù)據(jù)記錄、各模塊狀態(tài)監(jiān)控、意外情況處理等六個(gè)方面的功能，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)故障或發(fā)生緊急情況時(shí)，可自動(dòng)開傘進(jìn)行緊急降落。A飛行姿態(tài)解算與穩(wěn)定：飛控軟件要實(shí)時(shí)讀取

27、無人機(jī)平臺(tái)的加速度信息、角速度信息，通過積分及融合GPS的定位信息，利用INS/GPS組合導(dǎo)航算法，Calman Filter來解算無人機(jī)的飛行姿態(tài)，并計(jì)算組合導(dǎo)航的經(jīng)緯度、速度、方位等。B航跡偏差校正：任務(wù)航線的編制，是根據(jù)無人機(jī)所要飛行的路線、高度、速度以及所要執(zhí)行的任務(wù)，制訂一個(gè)航路點(diǎn)列表。無人機(jī)在抵達(dá)這些航路點(diǎn)時(shí)，可以執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)，比如飛循環(huán)制式航線、任務(wù)舵機(jī)和數(shù)字信號(hào)控制機(jī)載設(shè)備工作、著陸等。無人機(jī)飛行時(shí)，將按照航路點(diǎn)列表確定的順序、速度和高度飛行，在指定的航路點(diǎn)上完成規(guī)定的任務(wù)事件后，繼續(xù)按順序飛行，直至抵達(dá)航線的終點(diǎn)。中控軟件根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)與預(yù)定航跡的偏差，根據(jù)自動(dòng)控制理論，采用

28、通用控制算法PIDA方程計(jì)算校正量。到達(dá)預(yù)定航跡點(diǎn)附近后，以智能算法判斷是否已達(dá)航跡點(diǎn)，并視情將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)為下一預(yù)定航跡點(diǎn)。校正量=Kp×偏差 +（偏差和）/Ki + Kd×（偏差變量）Kp是比例系數(shù)，Ki是積分系數(shù)，Kd是微分系數(shù)。比例系數(shù)直接影響舵機(jī)偏轉(zhuǎn)量的大小。增大比例系數(shù)可以減小被控量的偏差，但如果增加的太多，將導(dǎo)致控制回路不穩(wěn)定。積分系數(shù)是影響系統(tǒng)控制精度的時(shí)間條件，它的作用時(shí)消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。系數(shù)大，積分過程長，控制精度提高的慢。反之，積分過程短，控制精度提高的快。減小積分系數(shù)可以消除控制靜差，快速提高控制精度，同樣，如果積分系數(shù)減小過多將導(dǎo)致控制回路不穩(wěn)定和震蕩。微分系數(shù)是控制偏差的阻尼條件，它與偏差的變化率成正比。偏差的變化率越大，阻尼作用越強(qiáng)。微分系數(shù)可以增加系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。增大微分系數(shù)可以提前抑制被控量偏差的快速變化，增加控制作用的穩(wěn)定性。但如果增加的太多，將會(huì)使舵機(jī)頻繁動(dòng)作且對傳感器噪聲過度敏感，最終也將使系統(tǒng)變的不穩(wěn)定。比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)由飛行試驗(yàn)確定，調(diào)整至合適數(shù)值，使無人機(jī)按航跡飛行誤差最小，當(dāng)偏差產(chǎn)生時(shí)飛