多旋翼无人机脱靶量测量技术研究

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1、多旋翼无人机脱靶量测量技术研究李晓冰1，李振宇2(1.中国人民解放军92941部队,辽宁葫芦岛125000；2.深圳市科卫泰实业发展有限公司,广东深圳518000)摘要：针对近年来靶场对飞行器脱靶量准实时、高精度测量的迫切需求，采用系留式多旋翼无人机测量脱靶量。依据脱靶量测量的具体要求，提供了镜头、传感器等关键器件测量参数选取方法，对大视场镜头畸变误差进行了修正，提出了标志点重定位、倾角修正、高度修正等措施。在100m高空完成了脱靶量测试。测试结果表明：在80m内的测量误差为2m的精度。关键词：旋翼无人机；脱靶量；测量图像;精度;畸变;

2、标志点飞行器的脱靶量测量一直是一个较难解决的问题，传统方式是采用经纬仪进行双站定位，这种方式对于空中拦截目标是非常合适的。但是，对于海面靶船目标非常困难，由于经纬仪设置在地面，而中靶点一般距离经纬仪比较远，且经纬仪站点高度一般在一、两百米以内，其测量俯仰角一般为零度左右，对于靶船几乎是平视，导致测量精度很差。尤其是当弹着点在船的另一侧，而经纬仪一般在沿海岸一侧布站，此时，脱靶量的精确测量很难实现。虽然发展了一些水声、无线电等测量手段，但是，如考虑精度、成本等因素，测量效果并不理想。随着MEMS、无刷电机、微处理等技术的发展，多旋翼无人机

3、成为研究开发的热点[1-2]，将其用在脱靶量测量具有得天独厚的优势。由于具有垂直起降和定点盘旋的优点，可实现脱靶量的近距离拍摄和测量，大大提高了中靶图像的清晰度和脱靶量的测量精度；由于它采用无刷电机作为动力，无尾桨装置，结构简单、安全性高、成本低。对于一旦命中靶船，靶船及船载脱靶量测量设备有何能沉没的情况，采用多旋翼无人机可大大降低试验消耗，相比目前常用的价值几百万元的无线电脱靶量测量设备，其成本因素也是无可比拟[3-4]。同时，由于多旋翼无人机在距靶船100～200m的高空进行测量，相比直接放置在靶船上的无线电脱靶量测量设备，其被敌方

4、命中导致损毁的概率也大大降低了。本文根据系留式多旋翼无人机的成本低、悬停时间长、操控简单等特点，提出一种无人机脱靶量测量系统。1脱靶量测量原理1.1设计思想采用六旋翼或八旋翼无人机进行脱靶量测量。目前，系留无人机的载重基本在5kg左右，由于无人机系留线缆重量的限制，悬停高度限制到200m以下。为了尽可能增大测量范围，只能采用大于90°视场的广角镜头。由于负载重量的限制，不能采用等角测量镜头，基本上都采用普通等距镜头。由于试验时间较长及不可控性，且无人机电池供电时间有限，所以，采用系留式供电，油机电源设置于靶船上，利用系留电缆进行长时间持

5、续供电。试验开始，无人机自靶船起飞，在垂直靶船一定高度上空悬停，对靶船进行垂直拍摄。由于实际情况的限制，电源、图像存储和无线通信系统不可能恰好位于靶船中心，必须进行船体倾角修正。拍摄的高清图像经过系留线缆传输到靶船进行存储。图像经过压缩成标准视频格式后，通过无线信号实时传输到地面站。再经网络传输到控制中心，控制中心对试验情况实时监控，发现命中后，对靶船存储系统发出指令，将命中时刻前后数帧高清图像传输到控制中心。控制中心对拍摄的高清图像进行准实时判读，得到脱靶量，其测量原理如图1所示。图1系留式旋翼无人机脱靶量测量原理示意图1.2目标提取

6、能力估算的两个主要参数为了保证脱靶量测量精度，在系统设计时，必须估算传感器分辨率及摄影频率。1)传感器分辨率目标成像面积是以目标成像的像素数决定，一般目标弹着点的定位以提取目标中轴线为判断标准，按经验认为能够分辨目标中轴线，至少需要10个以上的像素。如果弹着点在水面，受到浪花影响，目标成像至少需要30个像素，才可提取出中轴线。当目标接近水面时，采用目标成像面积计算传感器的分辨率d为：(1)其中，θ为目标着水点的倾角(°);l为目标的长度(m)，测量范围为D*D(m2);n为目标投影到图像上的像素数。2)摄影频率在标准目标成像条件下，目标

7、成像能力主要取决于传感器的摄影频率，设目标速度为v(m/s)，积分时间为t(s)，目标长度为l(m)，则如果目标能够成像，应满足以下条件：(2)摄影频率f(c/s)为：(3)由于一个成像周期内包括传感器像元积分时间和数据传输时间等，因此，实际选择摄影频率应当大于积分时间的倒数。2脱靶量计算脱靶量计算的方法主要包括：大视场广角镜头的修正方法、标志点的快速选取及重定位方法、船体倾角补偿方法和高度补偿方法几个部分。2.1镜头畸变修正方法目前，比较可行的镜头畸变标定方法有四种[4-5]，即自标定法、单模板标定法、多模板标定法和光学仪器标定法。其

8、中，自标定法可直接从影像序列中求解标定参数，无需标定板。标定操作简单，但运算量大，方程解不稳定；单模板标定法是对单张棋盘格标定板不同视角的图像进行处理，对角点提取并提纯，然后联立方程组求解，并对求得的解进行