無人飛艇監測系統設計論文

無人飛艇監測系統設計論文

　　0引言

　　目前，以繫留氣球和自控飛艇為代表的飛艇以其耗能少、滯空時間長、載重量大等優點廣泛用於軍用、民用等領域。近年來，以具有3km滯空高度能力的繫留氣球和平流層自控飛艇浮空平臺為代表的大型無人飛艇專案更是成為研究的熱點，具有廣闊和良好的應用前景。大型無人飛艇實際可升空高度和滯空時間與飛艇氣囊的充氣量大小密切相關，因此，為保證飛艇的升空與回收安全，必須對氣囊的充氣量大小進行監測，為放飛決策提供可靠的資料支撐。

　　傳統的監測手段都是以氣囊飽滿度定性估計，具有很大的主觀性和不確定性，所以對大型無人飛艇氣囊的體積定量測量就顯得非常迫切。以鐳射掃描為代表的光學三維大尺寸測量技術與傳統的鐳射點對點的測距技術不同，鐳射掃描測量技術的發展為空間資訊的獲取提供了全新的技術手段，由傳統的人工單點資料獲取轉變為連續自動資料獲取，提高了觀測的速度和準確度，由於其融合了鐳射反射強度和物體色彩等光譜資訊，可以真實描述目標的整體結構、形態特性以及光譜特徵，具有測量範圍大、準確度高、通用性強等特點，已成為大型飛行器、地形地貌、城市建築三維重建等大尺寸物體幾何量測量的主要手段之一。

　　基於三維鐳射測量的大型無人飛艇氣囊體積監測系統，是透過鐳射掃描獲得氣囊曲面點到鐳射掃描器的距離，而後透過一系列的座標轉換、資料處理最終構建氣囊的.三維幾何模型，從而定量計算出氣囊的體積［1］。由於鐳射掃描獲取點雲的速度較快，可以滿足對飛艇氣囊體積進行即時監控的要求。

　　1系統設計

　　在飛艇氣囊底腹部中心位置安裝一個轉動能力不小於180°的雲臺，具有180°扇區跨度掃描能力的二維鐳射陣列掃描器裝在雲臺上，實現對充氣後氣囊外形特徵點的快速掃描。設計總體路線是:艇載計算機對鐳射掃描原始資料包進行解算，轉化為三維座標體系，隨後透過內插值、濾波技術重構氣囊外形輪廓，最後透過積分獲得氣囊的體積。

　　以掃描器為原點O，囊體的平行切平面XbOYb為基準面。雲臺0時刻從零位線起，在設定的角速度ω下勻速轉動，考慮雲臺零位線與掃描基準線相差一個角度ψ0，則透過掃描基準線的時刻為tb=ψ0/ω。從tb時刻開始採集資料，每隔Δt(即每隔ωΔt的間隔角)對氣囊基準面以上的斷面進行掃描，掃描器按均分原理保留每個掃描斷面特徵點到掃描原點的距離資料，當雲臺工作時間達到tb+180/ω時，完成對基準面XOZ以上的氣囊特徵點的掃描，採集工作停止，雲臺復位，等待下一個掃描採集指令。

　　2關鍵技術

　　2.1內插值法

　　無人飛艇氣囊體積監測系統涉及的關鍵技術之一是掃描器採集到氣囊外形特徵點後，如何將已有特徵點透過網格插值，重構出氣囊的三維外形輪廓。本設計採用雙線性插值演算法構建三角網格結構，然後構建計算網格，對每個計算網格點在三角網格結構中進行搜尋插值，透過查詢均分點位於哪個三角形中來構建其高程差值，獲得網格點整齊均分的計算網格座標，最終構建氣囊的三維特徵外形。為計算網格點在三角網格中的位置。為了確保計算網格點高程插值的一一對應屬性，在對氣囊外形進行三維重建時採用了區域分塊技術，把氣囊分為多個部分分別進行計算，最後透過面拼接將各部分體積累加即為總體積。

　　2.2資料濾波

　　由於無人飛艇氣囊為柔性囊體，飛艇氣囊體積監測裝置使用時無法進行剛性固定，掃描器在掃描時的晃動振動將形成散亂點或者空洞等雜波或噪聲，需要透過對點雲資料進行去噪濾波，以保證原始資料點的平滑特性。假設某一斷面採集了n個數據點，當對點Si((n－j)＞i＞j)進行濾波時，先根據不同的測量環境選定引數值j(j的取值一般為2到5之間)，求出Si及兩邊相鄰的各j個點Si－j，…，Si，Si+1，…，Si+j到鐳射器S0的距離Di－j，…，Di，Di+1，…，Di+j;而後對距離設定權值。

　　2.3控制及採集方案

　　控制及採集系統由鐳射掃描器、小型雲臺、串列埠/乙太網訊號轉換器、艇載乙太網交換機、光纖收發器和地面測控計算機組成，為避免定位誤差的累積，每個掃描週期後雲臺都將復位至原始位置，小型雲臺在水平面從0°轉動至200°再復位至0°的時間為一個掃描週期，掃描週期T0的值隨著雲臺的水平轉速的大小而變化，雲臺的水平轉速可透過地面測控計算機上的雲臺控制軟體來設定。考慮到測量誤差，捨棄雲臺(0°，10°)和(190°，200°)兩個不勻速運動的區間，只選取掃描週期中雲臺轉速均勻的中間段(10°，190°)進行採集，採集角度範圍依然保持為180°。地面測控計算機的採集頻率根據採集週期和最小取樣角度來確定，本方案中取樣角度為1°～5°，採集頻率f與掃描週期T0之間的關係。

　　3試驗結果

　　採用某型飛艇氣囊對無人飛艇氣囊體積監測裝置進行測試驗證，無人飛艇氣囊體積監測裝置對氣囊進行鐳射掃描後，透過座標轉換、資料處理重構出氣囊的三維特徵外形。經與結構設計工程師確認，氣囊充氣飽和後的體積設計理論值為234m3，對氣囊連續進行6次測量，測試結果如表1所示，6次測量均值為235.08m3，重複性為0.47m3，實測均值與設計理論值相對誤差為0.46%，相對誤差控制在±1%以內，單次測量時間小於10s，無人飛艇氣囊體積監測裝置可以滿足對囊體體積即時測量的要求。

　　4結束語

　　本文將三維鐳射掃描技術引入無人飛艇氣囊體積測量，透過鐳射掃描獲取氣囊點雲資料，採用雙線性插值演算法構建三角網格，最終重構氣囊的三維幾何模型，實現了對無人飛艇氣囊體積即時監測，實驗結果表明，體積測量相對誤差在±1%以內。另外，針對現場實際使用情況還可以做以下幾方面的改進:①對於取樣點擬合表面與真實表面的誤差，以及測量過程中氣囊外形由於外界干擾所產生的形變誤差，可採用k－最近鄰方法構造氣囊表面的三角形網路，結合設計外形以及製造過程中引入的常見外形偏差及分佈的分析，獲得每個三角形的先驗曲面形式，最終重建三維表面;②對於氣囊飽和度較小時產生的掃描盲區所引入的擬合處理誤差，可配合艇內攝像機來綜合評定特徵外形;③透過最佳化軟體演算法進一步縮短單次測量的時間，提高系統測量準確性。