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無(wú)人飛艇監測系統設計論文
0引言
目前，以系留氣球和自控飛艇為代表的飛艇以其耗能少、滯空時(shí)間長(cháng)、載重量大等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于軍用、民用等領(lǐng)域。近年來(lái)，以具有3km滯空高度能力的系留氣球和平流層自控飛艇浮空平臺為代表的大型無(wú)人飛艇項目更是成為研究的熱點(diǎn)，具有廣闊和良好的應用前景。大型無(wú)人飛艇實(shí)際可升空高度和滯空時(shí)間與飛艇氣囊的充氣量大小密切相關(guān)，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(jìn)行監測，為放飛決策提供可靠的數據支撐。
傳統的監測手段都是以氣囊飽滿(mǎn)度定性估計，具有很大的主觀(guān)性和不確定性，所以對大型無(wú)人飛艇氣囊的體積定量測量就顯得非常迫切。以激光掃描為代表的光學(xué)三維大尺寸測量技術(shù)與傳統的激光點(diǎn)對點(diǎn)的測距技術(shù)不同，激光掃描測量技術(shù)的發(fā)展為空間信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，由傳統的人工單點(diǎn)數據獲取轉變?yōu)檫B續自動(dòng)數據獲取，提高了觀(guān)測的速度和準確度，由于其融合了激光反射強度和物體色彩等光譜信息，可以真實(shí)描述目標的整體結構、形態(tài)特性以及光譜特征，具有測量范圍大、準確度高、通用性強等特點(diǎn)，已成為大型飛行器、地形地貌、城市建筑三維重建等大尺寸物體幾何量測量的主要手段之一。
基于三維激光測量的大型無(wú)人飛艇氣囊體積監測系統，是通過(guò)激光掃描獲得氣囊曲面點(diǎn)到激光掃描儀的距離，而后通過(guò)一系列的坐標轉換、數據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］。由于激光掃描獲取點(diǎn)云的速度較快，可以滿(mǎn)足對飛艇氣囊體積進(jìn)行即時(shí)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(gè)轉動(dòng)能力不小于180°的云臺，具有180°扇區跨度掃描能力的二維激光陣列掃描儀裝在云臺上，實(shí)現對充氣后氣囊外形特征點(diǎn)的快速掃描。設計總體路線(xiàn)是:艇載計算機對激光掃描原始數據包進(jìn)行解算，轉化為三維坐標體系，隨后通過(guò)內插值、濾波技術(shù)重構氣囊外形輪廓，最后通過(guò)積分獲得氣囊的體積。
以?huà)呙鑳x為原點(diǎn)O，囊體的平行切平面XbOYb為基準面。云臺0時(shí)刻從零位線(xiàn)起，在設定的角速度ω下勻速轉動(dòng)，考慮云臺零位線(xiàn)與掃描基準線(xiàn)相差一個(gè)角度ψ0，則通過(guò)掃描基準線(xiàn)的時(shí)刻為tb=ψ0/ω。從tb時(shí)刻開(kāi)始采集數據，每隔Δt(即每隔ωΔt的間隔角)對氣囊基準面以上的斷面進(jìn)行掃描，掃描儀按均分原理保留每個(gè)掃描斷面特征點(diǎn)到掃描原點(diǎn)的距離數據，當云臺工作時(shí)間達到tb+180/ω時(shí)，完成對基準面XOZ以上的氣囊特征點(diǎn)的掃描，采集工作停止，云臺復位，等待下一個(gè)掃描采集指令。
2關(guān)鍵技術(shù)
2.1內插值法
無(wú)人飛艇氣囊體積監測系統涉及的關(guān)鍵技術(shù)之一是掃描儀采集到氣囊外形特征點(diǎn)后，如何將已有特征點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)格插值，重構出氣囊的三維外形輪廓。本設計采用雙線(xiàn)性插值算法構建三角網(wǎng)格結構，然后構建計算網(wǎng)格，對每個(gè)計算網(wǎng)格點(diǎn)在三角網(wǎng)格結構中進(jìn)行搜尋插值，通過(guò)查找均分點(diǎn)位于哪個(gè)三角形中來(lái)構建其高程差值，獲得網(wǎng)格點(diǎn)整齊均分的計算網(wǎng)格坐標，最終構建氣囊的三維特征外形。為計算網(wǎng)格點(diǎn)在三角網(wǎng)格中的位置。為了確保計算網(wǎng)格點(diǎn)高程插值的一一對應屬性，在對氣囊外形進(jìn)行三維重建時(shí)采用了區域分塊技術(shù)，把氣囊分為多個(gè)部分分別進(jìn)行計算，最后通過(guò)面拼接將各部分體積累加即為總體積。
2.2數據濾波
由于無(wú)人飛艇氣囊為柔性囊體，飛艇氣囊體積監測裝置使用時(shí)無(wú)法進(jìn)行剛性固定，掃描儀在掃描時(shí)的晃動(dòng)振動(dòng)將形成散亂點(diǎn)或者空洞等雜波或噪聲，需要通過(guò)對點(diǎn)云數據進(jìn)行去噪濾波，以保證原始數據點(diǎn)的平滑特性。假設某一斷面采集了n個(gè)數據點(diǎn)，當對點(diǎn)Si((n－j)＞i＞j)進(jìn)行濾波時(shí)，先根據不同的測量環(huán)境選定參數值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(gè)點(diǎn)Si－j，…，Si，Si+1，…，Si+j到激光器S0的距離Di－j，…，Di，Di+1，…，Di+j;而后對距離設定權值。
2.3控制及采集方案
控制及采集系統由激光掃描儀、小型云臺、串口/以太網(wǎng)信號轉換器、艇載以太網(wǎng)交換機、光纖收發(fā)器和地面測控計算機組成，為避免定位誤差的累積，每個(gè)掃描周期后云臺都將復位至原始位置，小型云臺在水平面從0°轉動(dòng)至200°再復位至0°的時(shí)間為一個(gè)掃描周期，掃描周期T0的值隨著(zhù)云臺的水平轉速的大小而變化，云臺的水平轉速可通過(guò)地面測控計算機上的云臺控制軟件來(lái)設定�？紤]到測量誤差，舍棄云臺(0°，10°)和(190°，200°)兩個(gè)不勻速運動(dòng)的區間，只選取掃描周期中云臺轉速均勻的中間段(10°，190°)進(jìn)行采集，采集角度范圍依然保持為180°。地面測控計算機的采集頻率根據采集周期和最小采樣角度來(lái)確定，本方案中采樣角度為1°～5°，采集頻率f與掃描周期T0之間的關(guān)系。
3試驗結果
采用某型飛艇氣囊對無(wú)人飛艇氣囊體積監測裝置進(jìn)行測試驗證，無(wú)人飛艇氣囊體積監測裝置對氣囊進(jìn)行激光掃描后，通過(guò)坐標轉換、數據處理重構出氣囊的三維特征外形。經(jīng)與結構設計工程師確認，氣囊充氣飽和后的體積設計理論值為234m3，對氣囊連續進(jìn)行6次測量，測試結果如表1所示，6次測量均值為235.08m3，重復性為0.47m3，實(shí)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?xún)�，單次測量時(shí)間小于10s，無(wú)人飛艇氣囊體積監測裝置可以滿(mǎn)足對囊體體積即時(shí)測量的要求。
4結束語(yǔ)
本文將三維激光掃描技術(shù)引入無(wú)人飛艇氣囊體積測量，通過(guò)激光掃描獲取氣囊點(diǎn)云數據，采用雙線(xiàn)性插值算法構建三角網(wǎng)格，最終重構氣囊的三維幾何模型，實(shí)現了對無(wú)人飛艇氣囊體積即時(shí)監測，實(shí)驗結果表明，體積測量相對誤差在±1%以?xún)�。另外，針對現場(chǎng)實(shí)際使用情況還可以做以下幾方面的改進(jìn):①對于采樣點(diǎn)擬合表面與真實(shí)表面的誤差，以及測量過(guò)程中氣囊外形由于外界干擾所產(chǎn)生的形變誤差，可采用k－最近鄰方法構造氣囊表面的三角形網(wǎng)絡(luò )，結合設計外形以及制造過(guò)程中引入的常見(jiàn)外形偏差及分布的分析，獲得每個(gè)三角形的先驗曲面形式，最終重建三維表面;②對于氣囊飽和度較小時(shí)產(chǎn)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(lái)綜合評定特征外形;③通過(guò)優(yōu)化軟件算法進(jìn)一步縮短單次測量的時(shí)間，提高系統測量準確性。
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