基于北斗的无人机编队地貌监测系统

李卓楠

【摘 要】随着我国经济与科技不断蓬勃发展，地貌地形监测需求与要求也越来越高，如何在人工成本高，技术尚未完全成熟的情况下对未知地域地形地貌进行精准、高质量的监测成为当下地质研究人员研究的一大重要问题。本项目针对这一问题，提出了基于北斗导航系统研究研发无人机编队地貌监测系统，利用其成本低廉，行动灵活快速，覆盖面积广等优点来满足当前对地貌监测的较高要求。该系统创新性的将北斗导航技术与嵌入式无人机技术结合起来，充分利用两者的优势，对未知领域的地貌情况进行采集评估，迅速掌握未知地貌的大量基本信息，方便人们进一步生产生活的进行。

【关键词】北斗导航;无人机编队;地貌监测;嵌入式系统

一、引言

认识自然，进而利用自然与改造自然是人类为建成更好、更美、更优家园的必经过程，认识自然作为首要步骤，是充分利用自然资源的必经之路。中国地大物博，未知领域地貌监测工作的实施必然需要先进的技术的支持。当今时代，科技发展迅速，信息技术对生产发展的影响越来越大，北斗定位系统以及无人机的出现在很大程度上解决了地貌监测行业发展需求，尤其是一些仅仅通过人力无法或很难实行的任务，例如：大型沙漠及高山森林的地貌监测。其监测过程所需成本高，精度要求高，而无人机与北斗定位系统的有機结合则充分地利用其两者的优点，解决地质工作者所遇到的问题，因此此系统的研究十分有必要。

二、地貌监测系统的设计

2.1 单个无人机飞控系统的设计

2.1.1 飞控系统主要构架

飞控系统作为一个嵌入式系统，主控采用STM32作为中心控制器，传感器有：加速度计陀螺仪MPU6050、磁力计IST8310、气压计SPL06、摄像头模块、北斗导航定位模块等，飞控算法主要有：传感器滤波、传感器校准、姿态解算、惯性导航、控制算法、视觉处理等，飞控功能主要为：一键起飞、一键降落、北斗定位定点、北斗定速巡航、拍照录像、自动返航降落、自动追踪移动模式等。

2.1.2 飞控系统硬件设计

飞控系统的硬件方面为我们自主设计的pcb板，其充分发挥了自主设计的优势，相较于当前市场上的成品飞控系统，我们可以做到舍弃无必要的功能，仅设置所需功能，能够节省体积，节省制作生产成本，提高工作效率。传感器放置于封闭空间，使用发泡海绵填充，给气压计气提供稳定的气流环境。减震方式采用斜拉式减震方案，业界公认最优秀的外部物理减震方案，不同硬度的斜拉球可选，为飞控提供稳定的温床。

2.1.3 飞控主要控制算法设计

滤波器设计：在我们的设计中，对传感器采集时并没有设置内部低通，通过比较原始信号在悬停油门附近与静止时的频谱图，确定由于机体震动而产生的传感器噪声的截止频率，设计二阶巴特沃斯滤波器对噪声信号进行处理。同时针对姿态解算与惯性导航所应用到的主导传感器不同，同一量在我们的研究项目中在不同使用条件下的截止频率也会不一样。

惯性导航：本项目前期对APM以及PIX飞控采用的三阶互补方案原理进行了学习以及验证，接着采用单观测量的卡尔曼滤波对当无人机的竖直位置、速度进行惯导融合，然后针对气压计观测传感器具有一定的滞后性，所引起的快速运动时惯导收敛慢问题，提出了一种可以延时修正的新型惯性融合算法。目前对于水平方向惯导融合我们团队采用的是双观测量带延时修正的卡尔曼滤波惯导算法。

自适应补偿系数算法：由于加速度计在高速且带有旋转的运动中的输出会出现一定的时滞，并且陀螺仪在低速旋转运动中的精度有限，为了有效的补偿由于上述因素所造成的误差，本文使用了一种自适应补偿系数算法。

2.2 北斗导航在监测系统中的运用

北斗导航系统实现定位的主要方法有伪距观测值测量和载波相位值测量。

伪距观测值测量：当无人机上安装的接收机与北斗导航系统有同步的时钟时，信号在空间中的传播时间就可以通过接收机接收到卫星发射过来的信号的时间计算出来，根据传播速度与时间，可以求出卫星与无人机之间的距离。

载波相位测量：此种测量方式通过加载测距码和导航信息的载波的相位数测量获得，因此我们称它为载波相位观测量，其比伪距观测值所测量结果拥有更高精度，在北斗导航的高精准度优点上起重大作用。

2.3 无人机编队系统的设计

2.3.1 编队的信息交互

编队在执行任务时往往保持每架无人机在其队伍中的相对位置的固定，其编队要想保持几何形态在飞行过程中的相对稳定，就需要在他们之间存在信息的交互。常见的信息交互控制方法基本上有三种：集中式控制、分布式控制、分散式控制。经研究，我们决定采用分布式控制，编队中的每一架无人机都会将自己的位置、目标、速度与其他的无人机进行交互分享，虽然其控制性较差，信息的交互性不强，但可以大大减少计算量，系统和控制算法相对比较简单，对机载控制核心要求比较低。

2.3.2 队形控制算法

对于编队队形的控制算法，经过对许多学者的大量作品的研究，发现目前较为成熟的控制算法主要有：长机——僚机法、虚拟结构法、基于行为法、人工势场法、PID法等。本系统拟采用经典的PID控制算法，该算法有利于消除部分干扰信号所引起的误差，利用线性化原理，来得到需要使用的线性方程，但PID控制器的参数整定会影响着控制器的性能，我们可以利用相关软件，例如Matlab来对PID参数进行配置。

2.3.3 无人机航线跟踪控制系统的设计

对于一些复杂地貌的监测，我们需要制定相应的航线来对此地区有效的进行监测，因此无人机航线跟踪系统的精准控制便显得格外重要。使用偏侧控制是常有的应对方案，在执行任务的无人机飞行前，将事先制定好的飞行航线导入中心控制器中，利用北斗导航定位系统测量无人机当前的位置，这样就可以得到无人机当前偏离航线的偏侧距和偏侧速率，依据这些数据来调整无人机的航向角，最终消除当前航线与目标航线的误差。

2.4 地貌监测方案的研究与设计

2.4.1 航测相机的需求与选取

为了获取高精度，高分辨率的地貌摄影材料，航测相机的选取是一个关键，由于无人机的动力和体积有限，因此相机的体积与重量便显得格外重要，非量测型数码相机则为最佳选择。

2.4.2 巡航速度的分析与使用

因为采用低成本非量测型数码相机作为摄像机，所以除了缩短曝光时间外，合理的控制巡航速度也是提高航空影像清晰度的一个关键点。影像的位移X、曝光时间t、巡航速度v、飞行高度H、地物高度差、相机焦距f，它们之间拥有一个人关系式：

根据此式即可求得合理的巡航速度。

2.4.3 航测相片后期处理

由于使用无人机拍摄系统的自身的特点决定了其航测相片的获取以及后期的处理都有其特殊的方式，过程主要分为两步：提取数据和航片自动预处理。从飞控及相机中提取相片、POS参数、北斗导航数据;将各项提取出来的数据导入航测系统的后期处理软件Postflight3D中，就可以开始自动的拼接、处理、图像增强、DEM生成和DOM制作。

三、结论

本文描述了基于北斗的无人机编队地貌监测系统，它专门设计适用于各种复杂不利于人工或单兵勘测的地形地貌上，以克服它们传统勘测设备所出现的不足，且拥有更多新型功能。这些特性可以为沙漠，海洋，森林等特殊地貌勘测提供更多更加优质有效的数据，促进科研和经济的发展。

参考文献：

[1]许斌.浅谈基于 ARM 的嵌入式系统设计[J].科技资讯，2017，15（28）：65-66.

[2]蔡明兵，基于北斗的无人机跟踪目标定位技术研究[D].中国科学院大学，2016

（作者单位：沈阳航空航天大学自动化学院）