多旋翼無人機顧及水面特征的航線規(guī)劃優(yōu)化算法的研究

劉小軍 胡翀

摘要： 攝影測量遇到大面積水域時（如水庫），如果按照常規(guī)方法來規(guī)劃航線會導(dǎo)致大量廢片的產(chǎn)生，本文提出了一種顧及水面特征的航線規(guī)劃優(yōu)化算法，通過分解航帶和迭代計算總航時的方法來減少廢片的產(chǎn)生，減少飛行總架次，提高多旋翼無人機的工作效率。

Abstract： When MAV（Multi-rotor UAV） encountered large areas of water surface， if you follow the conventional flight plan will lead to many unused photos which only containing water. In this paper， we propose a flight plan optimization approach that take into account the water surface to reduce the total flight time and unused photos and thus promote the efficiency of the MAV， which is based on the iteratively splitting the orginial flight plan and recalculate the flight footprints and time.

關(guān)鍵詞： 攝影測量；航線規(guī)劃優(yōu)化；水面特征

Key words： MAV；flight plan optimization；water surface

中圖分類號：U692.3+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）16-0249-03

0 引言

隨著空間技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，人類實現(xiàn)了從空中和太空中觀測地球的理想，遙感正是實現(xiàn)這一理想的利器。但在智慧城市建設(shè)、安全監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急、農(nóng)業(yè)質(zhì)保、及對各種資源的檢測與管理等領(lǐng)域都需要精細、及時的空間地理信息，通過有人飛機航空遙感和衛(wèi)星遙感的方式，快速獲取地球表面小范圍及高精度的信息，不僅成本昂貴，也受到回歸周期、高度等因素的限制，遙感數(shù)據(jù)的實時性難以保障。

無人機低空攝影測量技術(shù)是航空攝影測量領(lǐng)域的一個新的發(fā)展方向，正好成為衛(wèi)星和有人機獲取手段的有效補充。

1 多旋翼無人機的組成

多旋翼無人機航拍系統(tǒng)構(gòu)造精簡，易于維護，操作簡便，穩(wěn)定性高且攜帶方便。常見的多旋翼飛行器，如四旋翼、六旋翼和八旋翼。整個系統(tǒng)包括飛行平臺、飛控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、航拍儀、數(shù)傳系統(tǒng)、云臺系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)。

2 多旋翼無人機的特點

2.1 多旋翼無人機的優(yōu)點

相對于有人機和固定翼無人機航空攝影測量而言，多旋翼無人機更加機動靈活，對起降場地要求很低，在天氣晴朗風力較小的情況下，可以獲得超高分辨率的航攝數(shù)據(jù)，且成本低廉，易于維護，是小范圍航空攝影測量的必然趨勢。

2.2 多旋翼無人機的缺點

多旋翼無人機航攝技術(shù)仍然處在發(fā)展階段，面臨新的測量技術(shù)難點、特點。①多旋翼無人機的續(xù)航能力和載荷能力有限。②多旋翼無人機受限于飛行平臺的尺寸和重量，其抗風能力較弱，更容易受到氣流干擾。③相幅小、基高比小、影像數(shù)據(jù)多。④使用傳統(tǒng)的航空攝影測量航線規(guī)劃方法容易產(chǎn)生大量廢片，尤其是在水域區(qū)域航拍時，會拍攝大量的水面影像，這些影像毫無價值，不僅浪費航飛時間，且還會造成數(shù)據(jù)冗余降低后期數(shù)據(jù)處理效率。

3 常規(guī)航線規(guī)劃方法

3.1 航線規(guī)劃的相關(guān)參數(shù)

相關(guān)參數(shù)分為飛行參數(shù)、相機參數(shù)、性能參數(shù)和計算參數(shù)。其中飛行參數(shù)包括飛行高度H、飛行速度V、單架次航飛時間T；相關(guān)參數(shù)為非量測數(shù)碼相機的相關(guān)參數(shù)，包括鏡頭焦距F，傳感器尺寸大小C航*C旁；性能參數(shù)為該次航攝任務(wù)要達到的目標，包括旁向重疊率A、航向重疊率D、地面分辨率GSB；計算參數(shù)是經(jīng)過飛行參數(shù)、相機參數(shù)和性能參數(shù)計算出來的，包括攝影基線長L基和航線間隔L間。

3.2 航線規(guī)劃的相關(guān)公式

地面分辨率和飛行高度的關(guān)系：由B/GSB=f/h可得到H=F*GSB/B，B表示像元尺寸。

航向重疊率：D= QX/Lx

旁向重疊率：a= QY/Ly

其中，QX、QY為航向與旁向的相鄰相片重疊部分的長度，Lx、Ly為像幅在兩個方向的邊長。

攝影基線長：L攝=（1-A）*H*C航/F

航線間隔： L間=（1-A）*H*C旁/F

3.3 常規(guī)方法的航線規(guī)劃圖

我國制定的《1：500、1：1000、1：2000比例尺地形圖航空攝影規(guī)范》（GB6962-86）中明確規(guī)定：水域和湖面及水位變化大的河流、湖泊常規(guī)航線設(shè)計時，最好選擇低水位時進行航攝，應(yīng)盡量避免像主點落水，要確保攝區(qū)內(nèi)所有島嶼覆蓋完整，并能構(gòu)成正常重疊的立體像對。

圖1所示，如果采用常規(guī)航線規(guī)劃方法，將會產(chǎn)生大量的水面相片，這些相片無法進行同名點識別，不具有任何使用價值。因此，針對大面積的水域，如何合理地規(guī)劃航線，避免在拍攝過程中產(chǎn)生大量的廢片，是大面積水域攝影測量重要的研究內(nèi)容。

4 顧及水面特征航線的規(guī)劃及優(yōu)化算法

由于電池技術(shù)和載荷能力的限制，多旋翼無人機的續(xù)航能力一直沒有重大的突破。在大面積水域范圍內(nèi)飛行除了會產(chǎn)生大量的廢片以外，還會浪費多旋翼無人寶貴的續(xù)航時間。因此，針對多旋翼無人機的續(xù)航能力及大面積水域的特點，一個科學有效、合理地航線規(guī)劃算法，應(yīng)滿足以下兩個要求：第一，科學有效的規(guī)劃航飛架次，充分利用有限的航飛時間；第二，合理規(guī)劃航線，避免水面上攝影減少廢片的產(chǎn)生。

4.1 航帶優(yōu)化的具體方法

①提取大面積水域多邊形。沿水域邊界線提取代表水域范圍的多邊形。

②剔除水面廢片。求出像幅大小，遍歷各條航帶的各個攝影中心，將該攝影中心所在像片與代表水域范圍的多邊形求交運算，如果像片包含在水域范圍內(nèi)，則舍去該像片，否則保留。

③重新劃分航帶。將遍歷后的各攝影中心按照位置臨近關(guān)系重新劃分航帶。

④航帶排序。計算位于邊緣的所有航帶的起點、終點到無人機起降點的距離，距離最短的點在所在航帶即為初始航線的第一條航帶，改點也是整個航攝的起始點。求出該條航帶的終點到其余各航帶的起點、終點的長度，距離最近者作為下一條航帶，以此方法重新排列剩余所有航帶，得到初始航線。

4.2 飛行架次優(yōu)化

有人駕駛飛機與固定翼無人機的續(xù)航能力較強，其航飛時間一般不是航線規(guī)劃過程中的制約因素。但是多旋翼無人機的單架次航飛時長較短，需要充分利用每個架次的航飛時間，盡量減少飛行架次。優(yōu)化過程如下：

①計算單架次航飛總長：L總=V*T

其中V為多旋翼無人機預(yù)設(shè)飛行速度，T為單架次飛行時長。

②定義F={F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3…，F(xiàn)n}為初始航線中所有航帶的集合S={}為待規(guī)劃架次包含航帶的集合；L=0為初始單架次航飛長度。

③取出第一條航帶F1，計算該條航帶起點至起飛點的距離及航帶終點至降落點距離，賦子L，比較L與L總，如果L>L總，說明起降點距首條航帶過遠，無法完成航攝任務(wù)：如果L

④計算該條航帶長度和航帶終點到無人機降落點的距離，與L求和，比較L與L總，如果LL總，此時假設(shè)該航帶為Li（0

⑤將航帶Li中最后一個像片取出，剩余的像片構(gòu)成的航帶設(shè)為Li1，取出的像片作為一條新的航帶Li2的第一張像片。計算L1航帶長度和航帶終點到無人機降落點的距離，與L求和，比較L與L總，如果L>L總，則重復(fù)以上計算，直到L

⑥重復(fù)以上步驟。直到初始航帶集合F內(nèi)所有航帶被分配完畢，生成的架次集合{S1，S2，S3…}即為最終架次規(guī)劃結(jié)果。

圖2所示采用顧及水面特征航線規(guī)劃及優(yōu)化算法，規(guī)劃航線時系統(tǒng)會自動提取水面范圍，剔除水面廢片重新規(guī)劃航線。從而減少飛行時間，提高航攝效率。

5 總結(jié)

通過具體的項目試驗，利用多旋翼無人機進行顧及水面特征的航空攝影測量的航線規(guī)劃優(yōu)化算法來規(guī)劃航線，可以減少飛行架次，節(jié)約飛行時間，從而有效地提高航攝效率，減少廢片的產(chǎn)生，降低數(shù)據(jù)冗余，達到了預(yù)期的效果。

參考文獻：

[1]陳大平.測繪型無人機系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理研究[D]. 鄭州：解放軍信息工程大學，2011.

[2]朱洋波，焦健，曾琪明，等.航空遙感任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計及航線設(shè)計方研究[J].測繪通報，2011（9）：38-41.

[3]朱強.多旋翼無人機航線優(yōu)化及航測精度分析[D].鄭州：鄭州大學，2016.

[4]何敬，李永樹.規(guī)劃參數(shù)分析研究[J].資源與人居環(huán)境，2013，10：26-28.

[5]徐博，陳立平，等.基于無人機航向的不規(guī)則區(qū)域作業(yè)航線規(guī)劃與驗證[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015，23：173-178.

[6]GB6962-86，1：500 1：1000 1：2000 比例尺地形圖航空攝影規(guī)范[S].1987-06-01.