無人機(jī)巡航系統(tǒng)

李正軍　王冕　阮程　萬靚

摘 要 目前，電子巡航系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于海事監(jiān)管，并取得了不錯(cuò)的成效。但是由于電子巡航設(shè)備需要船上安裝相應(yīng)的設(shè)備，對于大型船舶監(jiān)控效果較好，但是對于小型船舶則仍存在一定的監(jiān)控盲區(qū)。此外大部分電子巡航設(shè)備是岸基設(shè)備，監(jiān)測覆蓋范圍有限，靈活性較差，對于突發(fā)事件往往無法做到快速響應(yīng)。因此，本項(xiàng)目擬通過設(shè)計(jì)無人機(jī)自動(dòng)巡航系統(tǒng)來解決上述問題。

關(guān)鍵詞 無人機(jī) 電子穩(wěn)像 電子巡航

中圖分類號(hào)：V19；U697 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著科技發(fā)展的日新月異，越來越多先進(jìn)的技術(shù)被應(yīng)用到海事監(jiān)管之中。電子巡航就是以地理信息系統(tǒng)（GIS）為平臺(tái)，高度整合船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、氣象信息系統(tǒng)（WIS）、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）、共享水位信息系統(tǒng)（WLS）等系統(tǒng)，并配套網(wǎng)上海事數(shù)據(jù)中心，充分發(fā)揮個(gè)系統(tǒng)功能而構(gòu)建的統(tǒng)一的巡航監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)。海事監(jiān)管機(jī)構(gòu)利用電子巡航可實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶航行、停泊和作業(yè)秩序，實(shí)現(xiàn)對船舶航跡跟蹤，安全預(yù)警、違法處置、信息服務(wù)等功能。電子巡航監(jiān)管模式自2011年在蕪湖和武漢區(qū)段試點(diǎn)運(yùn)行以來，取得了很好的效果。該轄段船舶違法行為明顯減少，糾正船舶違章也更加方便迅速，僅在蕪湖段運(yùn)行的第一個(gè)月就糾違近5千次。

1研究方向

本研究的主要目的是研發(fā)具有自主巡航能力的無人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)面向海事監(jiān)管，能根據(jù)海事電子巡航系統(tǒng)提供的信息，能自動(dòng)對監(jiān)控水域進(jìn)行巡航，并能通過機(jī)載的電子穩(wěn)像系統(tǒng)，提供清晰平穩(wěn)的機(jī)載圖像。無人機(jī)平臺(tái)方面，本項(xiàng)目選擇的是多旋翼無人機(jī)平臺(tái)。多旋翼無人機(jī)作為一種垂直起降的無人機(jī)，與固定翼相比能夠方便起降，易于布署，并能在目標(biāo)物附近懸停。與無人直升機(jī)相比，具有維護(hù)簡單，飛行更平穩(wěn)，抗風(fēng)能力強(qiáng)、載重大等特點(diǎn)。將多旋翼無人機(jī)巡航系統(tǒng)引入電子巡航系統(tǒng)，可以對重點(diǎn)水域進(jìn)行實(shí)時(shí)空中監(jiān)控，對目標(biāo)船舶進(jìn)行跟蹤，對船舶事故進(jìn)行快速空中電子取證。另外，多旋翼無人機(jī)本身成本較低，并且易于起降的特定，適合大量部署在港口附近，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)管水域的全范圍覆蓋，提升電子巡航系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。

2底層控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

底層控制系統(tǒng)主要包含兩大系統(tǒng)，飛行控制系統(tǒng)和通訊控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)主要由姿態(tài)感知控制系統(tǒng)，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)組成。姿態(tài)感知系統(tǒng)的傳感器主要由加速度計(jì)、陀螺儀、地磁計(jì)、氣壓計(jì)等傳感器組成。其中加速度計(jì)、陀螺儀構(gòu)成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，對飛行姿態(tài)進(jìn)行測量。其他傳感器則用于測量飛機(jī)高度和航向等信息。姿態(tài)融合控制單元將傳感器信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合濾波，從而得到較為精確地姿態(tài)，并根據(jù)姿態(tài)決定姿態(tài)控制輸出量的大小。GPS導(dǎo)航模塊則負(fù)責(zé)控制無人機(jī)飛行的航向和航線，根據(jù)飛機(jī)當(dāng)前的GPS坐標(biāo)信息和接收到的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)信息，確定飛機(jī)飛行方向和速度。飛行控制系統(tǒng)框圖如圖1。

通訊控制系統(tǒng)包含指令通訊系統(tǒng)、視頻處理傳輸系統(tǒng)、云臺(tái)控制模塊。指令傳輸模塊因?yàn)樾枰^高的實(shí)時(shí)性，因而采用900MHz無線數(shù)傳電臺(tái)。電臺(tái)接收機(jī)通過串口與飛行控制器聯(lián)系，將接收到的指令發(fā)送給飛控，并將飛控解析飛機(jī)姿態(tài)信息和地理位置信息回傳給地面站。由于考慮到數(shù)傳電臺(tái)可能會(huì)受到一定的干擾，增加一套GPRS無線模塊作為備份通訊模塊。GPRS雖然傳輸速度較慢，并且傳輸延時(shí)較大，但是覆蓋范圍較廣。當(dāng)數(shù)傳電臺(tái)受到干擾無法正常工作時(shí)，GPRS模塊可暫時(shí)擔(dān)負(fù)起飛機(jī)與地面站的聯(lián)系，保證飛機(jī)不致于失去聯(lián)系。圖像處理傳輸系統(tǒng)包含視頻處理與數(shù)字圖傳模塊兩部分，視頻處理模塊使用專用數(shù)字信號(hào)處理芯片對采集的視頻進(jìn)行電子增穩(wěn)處理，增穩(wěn)后的數(shù)字圖像通過圖像傳輸模塊傳送到地面站。云臺(tái)控制模塊負(fù)責(zé)攝像機(jī)角度控制，當(dāng)飛機(jī)處于傾斜狀態(tài)時(shí)云臺(tái)能保持?jǐn)z像機(jī)的水平穩(wěn)定，消除抖動(dòng)，同時(shí)也可根據(jù)地面站控制指令，實(shí)時(shí)調(diào)整角度。

3總結(jié)

無人機(jī)技術(shù)本身雖然屬于新興技術(shù)，依托軍事應(yīng)用，我國無人機(jī)技術(shù)已躋身于國際先進(jìn)行列，國內(nèi)研制的現(xiàn)已公布的50多型應(yīng)用于軍事的無人機(jī)中的大部分偵查機(jī)大多能滿足海事動(dòng)態(tài)監(jiān)管的需要，只是應(yīng)用于軍事目的的無人機(jī)平臺(tái)大部分價(jià)格昂貴。近年來很多科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)的民營企業(yè)看到了無人機(jī)廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，紛紛投入資金研制民用的無人機(jī)及其相關(guān)配套的產(chǎn)品。且技術(shù)日趨完善。四旋翼無人機(jī)作為無人機(jī)中的新成員，本身具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，飛行穩(wěn)定，抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合與航拍和航道監(jiān)視等相關(guān)領(lǐng)域的工作。海事電子巡航本身經(jīng)過實(shí)踐證明，能大幅提高海事管理水平，同時(shí)降低海事監(jiān)管成本，但是也存在一定的問題諸如監(jiān)管盲區(qū)、機(jī)動(dòng)性較差等問題。將二者長處相結(jié)合，利用無人機(jī)的靈活機(jī)動(dòng)的優(yōu)勢，與電子巡航現(xiàn)有的系統(tǒng)相結(jié)合，能夠擴(kuò)大監(jiān)管范圍，進(jìn)一步提升監(jiān)管效率。

參考文獻(xiàn)

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