利用薄板样条函数的无人机飞行质量检查

针对无人机航测影像重叠度、旋角等检查项受飞行状态和地形起伏影响难以准确评估飞行质量的问题,提出一种快速自动评价无人机飞行质量的方法。该方法结合ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)匹配算法和薄板样条函数,可用于无人机影像航向重叠度、旁向重叠度和像片旋角的检查。首先采用ORB算法与最近邻算法提取影像间的同名点,使用随机抽样一次性方法剔除误匹配点对,然后通过薄板样条函数建立影像间的坐标转换关系,最后依据无人机飞行质量检验方法计算影像间的重叠度和旋角。实验结果表明本文提出方法检查结果的可靠性。     

低空无人机航空摄影高度自动测量方法研究

为控制低空无人机摄影高度,获得更加清晰的地理信息图像,需要对低空无人机摄影高度自动测量方法进行优化研究;当前方法主要利用射影几何知识的自动化标定方法实现低空无人机航空摄影高度的自动测量;该方法存在噪声影响严重,且测量误差较大的问题;为此,提出一种基于多传感器与卡尔曼滤波相结合的低空无人机航空摄影高度自动测量方法;该方法首先通过分析气压测量法计算各种气压因素对低空无人机航空摄影高度的影响,然后推导出大气对流层内气压随低空无人机航空摄影高度的变化;然后采用双GPS系统同时工作,对GPS、气压高度计和IMU测量获得的低空无人机航空摄影高度信号进行冗余备份;采用基于二阶多项式的修正方法对低空无人机航空摄影传感器输出值进行补偿和修正;根据动力学方程建立低空无人机航空摄影的动力学方程获得高度测量状态方程;最后采用卡尔曼滤波的线性最小方差估计准则对低空无人机航空摄影高度进行均方差估计计算,实现低空高度自动测量与校正。实验结果表明,所提方法具有精度高、收敛性好且滤波效果理想的优势。     

面向图像三维重建的无人机航线规划

随着无人机技术的发展,无人机序列影像三维重建越来越受到人们的关注。为完整重建任务区域的三维模型并减少无人机飞行功耗,提出一种面向图像三维重建的无人机航线规划算法。针对凸多边形任务区域,在图像重叠度和时间连续性的要求下,基于光栅法规划扫描航线并结合最佳扫描方向使得转弯次数最少。借助Gazebo仿真平台,对比验证了无人机按照该算法规划的航线飞行时功耗更小,且拍摄得到的序列影像能够重建任务区域三维模型。     

无人机机载雷达作业的航线控制优化研究

对无人机机载雷达作业的航线控制优化方案进行了研究，以山地多旋翼无人机作业航线的精准控制方法为例，设计了山地无人机作业整体流程。首先，设计了由测绘环节、三维航线生成模块、及山地航线控制环节组成的山地无人机作业整体流程；然后对关键环节即山地航线控制进行研究与设计，其中，基于拓展卡尔曼滤波高度融合位置估计采用RTK定位技术来获取无人机的GPS坐标数据，然后通过数据融合实现无人机位置估计；实时山地航线控制主要由内环模糊自整定PID参数控制器来实现对山地无人机作业的航线控制；最后，分别对关键环节的方法以及整体山地无人机作业航线机控制精度进行测试。测试结果表明：设计了高度位置估计与实时山地航线位置控制方法能够满足优化的需要，且上升航点与下降航点的平均误差相比于传统PID控制器产生的误差分别降低了0.6 m与0.2 m以上，大大提高了山地无人机作业航线的精准度。     

轻小型无人机遥感定位系统误差消除技术研究

传统无人机定位系统误差消除技术存在误差消除精准度低的问题,需对轻小型无人机遥感定位系统误差消除技术进行深入研究。根据轻小型无人机航线、地理参考和初始位置坐标系,构建轻小型无人机遥感定位模型;利用该模型对目标定位原理展开分析,通过模型构建和无人机隐秘飞行特征,对目标位置进行转换,获取转换后的坐标系位置信息,通过无人机飞行姿势变化幅度范围,获取精准误差影像序号,并进行修正,由此完成系统误差消除。实验结果证明,该技术误差消除精准度较高。     

无人机数字摄影测量系统的设计和应用

无人机数字摄影测量系统为适应城市规模化测绘生产需要而设计开发,项目从机体设计、航线设计、通讯设计、监控设计、数据处理等各个层面,对航空摄影的原理、方法及相关参数进行了深入探讨和简要总结;项目进行了自动驾驶实验、超视距飞行实验、控制飞行实验、发动机空中停车紧急处理实验、干扰实验等常规实验,完成了数百平方公里摄影任务,实现了无人机摄影测量一体化的整合集成;应用结果表明,该系统具有“三高一低”的重要特性（高机动性、高分辨率、高度集成、低成本）,而且更加适应城市规模化测绘生产需要.     

数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定

低空飞行空间范围小、目标速度慢、环境要素杂,传统的经纬度表征方式无法满足智联环境下的低空精细管理要求,为此本文研究了数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定问题。首先,从“点-线-面”视角构建了多维度低空空域结构要素量化表征规则,提出了低空空域多层级栅格量化表征方法;然后,通过判定不同空域栅格的“点-线-面”位置关系,提出了基于栅格交集矩阵的低空空域拓扑关系度量方法;最后,综合考虑低空无人机碰撞指数、低空栅格利用指数等优化目标,以及节点与栅格匹配约束、空间位置约束、无人机与无人机/障碍物安全约束等限制条件,建立了面向多维性能的低空空域栅格粒度最优标定模型。针对城市低空典型飞行任务场景对所提方法的有效性及优化效果进行了验证分析。实验结果表明,针对任意设定的低空空域和无人机飞行任务,在可接受的无人机碰撞指数和栅格利用指数下,所提方法可对数字低空栅格粒度进行最优配置,从根源上有效确保低空飞行活动的安全和高效。研究成果对于支撑数字低空空域精细化管理和异质飞行器融合运行具有一定的理论价值和应用意义。     

基于二维码图像识别的无人机定位方法研究

针对物流无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)定点投放定位精度不高的问题,提出一种无人机物流精确定位解决方案。该方案将二维码图像识别应用于飞控系统,建立空中二维码图像位置和三维空间坐标模型。运用基于局部特征的CamShift跟踪算法引导无人机飞行、降落,实现无人机低空精准着陆。户外实验测试结果表明,用该方案设计的物流飞控系统跟踪速度快,平均每帧图像处理时间为0.017 ms,5 m内高空着地误差不超过20 cm,能够为物流无人机物资投放提供较好的技术参考。     

利用多角度影像计算BRDF的方法与系统实现

BRDF(二项分布函数)可以描述地表的方向反射特性,是定量遥感中多角度遥感研究的前沿热点问题之一。为了研究在不同观测角度下地物的反射情况,主要采用航空摄影测量的方法,利用低空无人机多角度影像获取计算BRDF所需的数据,以共线方程和半经验核驱动模型理论为基础,采用C#面向对象编程(OOP)的实现方法,基于SFM算法求解相机参数以及建立影像金字塔的方式读取影像数据实现了利用多角度影像计算BRDF系统的开发。利用旋翼无人机搭载Micro-MCA六通道多光谱相机获得多光谱影像数据,以土壤和玉米地面点为试验对象,将系统得到的极化图结果与BRDF模拟软件(DART)的影像进行分析和比较。结果表明:该系统计算结果高效精准,且具有良好的鲁棒性,通过核驱动模型的外推得到的任意角度二向反射率符合BRDF的特点,"热点"出现在观测角与太阳同侧,与DART模拟影像的反射率变化趋势吻合;系统中设计的多尺度模块,能够满足影像不同空间分辨率下的计算要求。系统的实现为定量遥感中多角度研究BRDF的后续研究提供了参考依据。     

基于GPRS/3G技术的无人机遥感网络综合运行管理平台技术研究

本课题主要是为了实现构建全国无人机遥感网络的建设目标,而开发的基于GPRS/3G技术的无人机遥感网络综合运行管理平台,实现无人机飞行状态的实时检测和管理等功能,从而为构建社会化无人机遥感网络而服务。     

Robotic technologies for solar‐powered UAVs: Fully autonomous updraft‐aware aerial sensing for multiday search‐and‐rescue missions

Large‐scale aerial sensing missions can greatly benefit from the perpetual endurance capability provided by high‐performance low‐altitude solar‐powered unmanned aerial vehicles (UAVs). However, today these UAVs suffer from small payload capacity, low energetic margins, and high operational complexity. To tackle these problems, this paper presents four individual technical contributions and integrates them into an existing solar‐powered UAV system: First, a lightweight and power‐efficient day/night‐capable sensing system is discussed. Second, means to optimize the UAV platform to the specific payload and to thereby achieve sufficient energetic margins for day/night flight with payload are presented. Third, existing autonomous launch and landing functionality is extended for solar‐powered UAVs. Fourth, as a main contribution an extended Kalman filter (EKF)‐based autonomous thermal updraft tracking framework is developed. Its novelty is that it allows the end‐to‐end integration of the thermal‐induced roll moment into the estimation process. It is assessed against unscented Kalman filter and particle filter methods in simulation and implemented on the aircraft's low‐power autopilot. The complete system is verified during a 26 h search‐and‐rescue aerial sensing mock‐up mission that represents the first‐ever fully autonomous perpetual endurance flight of a small solar‐powered UAV with a day/night‐capable sensing payload. It also represents the first time that solar‐electric propulsion and autonomous thermal updraft tracking are combined in flight. In contrast to previous work that has focused on the energetic feasibility of perpetual flight, the individual technical contributions of this paper are considered core functionality to guarantee ease‐of‐use, effectivity, and reliability in future multiday aerial sensing operations with small solar‐powered UAVs.     

Method and Realization of Calculating BRDF System with Multi\|angle Images

BRDF(Binomial Distribution Function) can describe the reflection characteristics of the surface,one of the cutting\|edge hot issues in multi-angle research in quantitative remote sensing.In order to study the reflection of the objects at different angles of observation,the measurement data are obtained by using the aerial photogrammetry method.Based on the collinear equation and semi-empirical core-driven model theory,the measurement of BRDF system with Multi\|angle Image is realized by using C# object\|oriented programming,including SFM(Struct From Motion) algorithm to solve camera parameters and establishment of the image pyramid to read image data efficiently and accurately.The system polarized graph were generated by selecting soil and maize ground point in the multispectral image data obtained by using the Micro\|MCA six-channel multi\|spectral camera,compared and analyzed with the image of the BRDF simulation software(DART).The results show that the system is computationally efficient and robust.The reflectivity of any observation angle extrapolated from the core driving model is in accordance with the characteristics of BRDF.The “hot spot” appears at the same side observation of the sun,which is consistent with the change trend of reflectivity of DART simulation image.The multi\|scale module designed in the system can meet the calculation requirements under different spatial resolution of image.The realization of the system provides a reference for the follow\|up study of multi\|angle measurement of BRDF in quantitative remote sensing.     

无人机遥感影像自动无缝拼接技术研究

为了实现百幅无人机影像自动无缝拼接技术,以黄淮海平原的3个典型区为实验对象,基于航拍影像质量评价,运用特征的控制点配准算法和图像灰度融合的对比度调制法,开展上百幅多航带影像快速拼接实验。结果表明,航片质量最好的是洪泽湖地区,航带和影像扭曲度不高,其次是白洋淀地区,而黄河口地区的航高差值、航带弯曲度和最大旋转度相比较高,说明航带扭曲度高,航片偏移中心线的程度较大。以江苏省洪泽湖区QuickBird影像和实地监测点与航片做精度验证高达81.26%,说明此技术是可靠和可行的,对无人机航拍影像拼接工作具有一定的实用价值和科学参考依据。     

无人机载荷航拍控制系统设计

针对无人机(UAV)遥感航拍过程中相机载荷参数自动化控制与飞行航迹实时跟踪的问题,提出一种能自动完成相机载荷控制与航拍控制的设计方案.首先,系统根据实验要求实时获取所在地理位置信息及环境预判信息,再根据相机控制参数表进行参数编码;然后,通过通信口发送自定义协议指令集给硬件控制电路,完成相机载荷参数设置并进行拍摄,同时航迹规划软件实时记录飞行轨迹地理坐标信息.系统设计使硬件控制平台和软件数据处理相结合,实现软硬协同控制.经无人机飞行验证,与单一参数航拍控制模式相比,该系统能根据不同的拍摄环境和拍摄场景进行相机参数的自动化控制与飞行轨迹实施跟踪.     

基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划研究

无人机在进行山地航测时,经常遭遇鸟类等动态障碍,若不能及时规避掉障碍,极容易发生坠机事故。为此,研究一种基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划方法。基于山地环境模型,结合飞行路径长度、路径平滑度建立一个综合目标函数并利用改进布谷鸟搜索算法求解,得到无人机山地航测的初始路径。对图像进行预处理后,识别无人机初始路径飞行过程中遇到的障碍物,并通过超声波测量无人机与障碍物之间的距离,以此建立速度障碍模型,实现速度障碍碰撞分析,通过滚动窗口的方式确定无人机与障碍物是否存在飞行冲突。基于滚动速度障碍避障方法实现滚动角度避障和速度避障,获取最终的优化路径,完成基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划。测试结果表明:航测避障路径长度为571.45m,平滑度为165.52,规划的方案更具合理性。     

一种可倾斜六旋翼无人机容错控制方法

常规六旋翼无人机在单个旋翼完全失效后, 存在姿态与高度不完全可控的情况, 此时采取降级控制策略会 使无人机失去静态悬停能力. 针对此问题, 本文提出了一种可倾斜旋翼的容错控制方法, 在经典旋翼结构布局的基 础之上, 将其中一个旋翼设计成可倾斜结构, 通过倾斜角度的改变与控制分配重构, 无人机在任意单个旋翼完全失 效后均能保持力与力矩的平衡. 利用线性规划方法得到无人机的可达力矩集, 同时对电机饱和度进行分析, 确定了 不同旋翼失效后的最优倾斜角. 搭建飞行测试平台进行对比验证, 实验结果表明, 本文提出的方法具有良好的容错 效果与鲁棒性, 能够保证六旋翼无人机在故障后的稳定飞行与平稳降落.     

结合地籍数据的高密度城区面向对象遥感分类 

利用高分辨率遥感影像和GIS辅助数据,对高密度城区进行面向对象的土地利用覆被分类研究。使用NAIP高分辨率航空遥感影像,在多尺度影像分割的基础上,针对特定地物选择合适的影像分割参数。采用决策树方法建立高密度城市地区的分类规则,并结合该地区地籍图数据作为辅助数据,逐步进行高密度城市地区地物信息提取。利用辅助数据进行面向对象的遥感分类效果优于单纯依靠遥感影像进行的分类,且有效提取了道路和复杂的房屋等信息,得到了理想的分类结果,其总分类精度从常规面向对象方法的84.08%提高到89.79%。利用辅助数据进行遥感分类提高了高分辨率遥感影像的分类精度,说明了利用辅助数据进行遥感分类方法的有效性。     

无人机综合仿真与测试平台技术研究

固定翼无人机在军事,国防,民用上都具有非常广泛的应用。无人机系统包括三大部分：无人机机体,无人机地面控制站以及无人机地面综合检测站。详细介绍了当前已交付使用的一种适应于多种型号的无人机地面综合实验平台,包括无人机地面飞行仿真和地面检测和故障诊断三个部分。从整体设计方案出发,从技术角度分析各个子系统的功能和设计方案。提出了可以应用于无人机地面实验平台的基于专家系统的遥控-遥测知识对的知识库的建立和通过搜索知识库的故障诊断方法。并以一个平台子系统为例介绍了以任务管理和数据流控制为核心的软硬件设计方案。