无人飞艇气囊体积监测系统设计

谭金，杜超，李彤

(中国航天科工集团七八〇一研究所，湖南长沙410205)

0 引言

目前，以系留气球和自控飞艇为代表的飞艇以其耗能少、滞空时间长、载重量大等优点广泛用于军用、民用等领域。近年来，以具有3 km滞空高度能力的系留气球和平流层自控飞艇浮空平台为代表的大型无人飞艇项目更是成为研究的热点，具有广阔和良好的应用前景。大型无人飞艇实际可升空高度和滞空时间与飞艇气囊的充气量大小密切相关，因此，为保证飞艇的升空与回收安全，必须对气囊的充气量大小进行监测，为放飞决策提供可靠的数据支撑。传统的监测手段都是以气囊饱满度定性估计，具有很大的主观性和不确定性，所以对大型无人飞艇气囊的体积定量测量就显得非常迫切。

以激光扫描为代表的光学三维大尺寸测量技术与传统的激光点对点的测距技术不同，激光扫描测量技术的发展为空间信息的获取提供了全新的技术手段，由传统的人工单点数据获取转变为连续自动数据获取，提高了观测的速度和准确度，由于其融合了激光反射强度和物体色彩等光谱信息，可以真实描述目标的整体结构、形态特性以及光谱特征，具有测量范围大、准确度高、通用性强等特点，已成为大型飞行器、地形地貌、城市建筑三维重建等大尺寸物体几何量测量的主要手段之一。基于三维激光测量的大型无人飞艇气囊体积监测系统，是通过激光扫描获得气囊曲面点到激光扫描仪的距离，而后通过一系列的坐标转换、数据处理最终构建气囊的三维几何模型，从而定量计算出气囊的体积［1］。由于激光扫描获取点云的速度较快，可以满足对飞艇气囊体积进行即时监控的要求。

1 系统设计

在飞艇气囊底腹部中心位置安装一个转动能力不小于180°的云台，具有180°扇区跨度扫描能力的二维激光阵列扫描仪装在云台上，实现对充气后气囊外形特征点的快速扫描，激光扫描系统结构如图1所示。设计总体路线是:艇载计算机对激光扫描原始数据包进行解算，转化为三维坐标体系，随后通过内插值、滤波技术重构气囊外形轮廓，最后通过积分获得气囊的体积。

如图2所示，以扫描仪为原点O，囊体的平行切平面XbOYb为基准面。云台0时刻从零位线起，在设定的角速度ω下匀速转动，考虑云台零位线与扫描基准线相差一个角度ψ0，则通过扫描基准线的时刻为tb=ψ0/ω。从tb时刻开始采集数据，每隔Δt(即每隔ωΔt的间隔角)对气囊基准面以上的断面进行扫描，扫描仪按均分原理保留每个扫描断面特征点到扫描原点的距离数据，当云台工作时间达到tb+180/ω时，完成对基准面XOZ以上的气囊特征点的扫描，采集工作停止，云台复位，等待下一个扫描采集指令。

图2 扫描系统安装位置与扫描方式

对于扫描断面上的任意点Ai，假设云台转过扫描基准线的角度为ψi，Ai所对应的扫描断面方位角为θi，到扫描原点的距离为di，则Ai点相对于坐标系OXbYbZb的坐标可以表示为

通过公式(1)即可把气囊扫描断面上的任意点的距离特征进行转换，获得基准面以上的气囊空间特征坐标。若已知云台安装初始误差角，则扫描点Ai的空间坐标可按摄影测量原理中的共线方程计算:

式中:

式(2)中的矩阵分量均与坐标系安装初始误差角有关，通过式(2)变换可以消除系统安装时引入的初始误差角［2］。

2 关键技术

2.1 内插值法

无人飞艇气囊体积监测系统涉及的关键技术之一是扫描仪采集到气囊外形特征点后，如何将已有特征点通过网格插值，重构出气囊的三维外形轮廓。本设计采用双线性插值算法构建三角网格结构，然后构建计算网格，对每个计算网格点在三角网格结构中进行搜寻插值，通过查找均分点位于哪个三角形中来构建其高程差值，获得网格点整齐均分的计算网格坐标，最终构建气囊的三维特征外形。图3为计算网格点在三角网格中的位置。为了确保计算网格点高程插值的一一对应属性，在对气囊外形进行三维重建时采用了区域分块技术，把气囊分为多个部分分别进行计算，最后通过面拼接将各部分体积累加即为总体积。

图3 平面三角网与待插值点

2.2 数据滤波

由于无人飞艇气囊为柔性囊体，飞艇气囊体积监测装置使用时无法进行刚性固定，扫描仪在扫描时的晃动振动将形成散乱点或者空洞等杂波或噪声，需要通过对点云数据进行去噪滤波，以保证原始数据点的平滑特性［3-4］。

假设某一断面采集了n个数据点，当对点Si((nj)＞i＞j)进行滤波时，先根据不同的测量环境选定参数值j(j的取值一般为2到5之间)，求出Si及两边相邻的各j个点Si-j，…，Si，Si+1，…，Si+j到激光器S0的距离Di-j，…，Di，Di+1，…，Di+j;而后对距离设定权值，对Di其权值设定为2j，余下的Dk(i-j≤k≤i+j)权值设为1，根据激光测量的环境不同，滤波阈值fd应满足

当距离信号低于阈值时，将距离信号值滤除;利用中值滤波，剔除奇异点;利用曲面拟合去除前端遮挡物。通过上述处理方法，可以剔除原始点云数据中的错误点和含有粗大误差的点。

2.3 控制及采集方案

控制及采集系统由激光扫描仪、小型云台、串口/以太网信号转换器、艇载以太网交换机、光纤收发器和地面测控计算机组成，为避免定位误差的累积，每个扫描周期后云台都将复位至原始位置，小型云台在水平面从0°转动至200°再复位至0°的时间为一个扫描周期，扫描周期T0的值随着云台的水平转速的大小而变化，云台的水平转速可通过地面测控计算机上的云台控制软件来设定。考虑到测量误差，舍弃云台(0°，10°)和(190°，200°)两个不匀速运动的区间，只选取扫描周期中云台转速均匀的中间段(10°，190°)进行采集，采集角度范围依然保持为180°。地面测控计算机的采集频率根据采集周期和最小采样角度来确定，本方案中采样角度为1°～5°，采集频率f与扫描周期T0之间的关系为

式中:α为采样角度范围;β为最小采样角度。

3 试验结果

采用某型飞艇气囊对无人飞艇气囊体积监测装置进行测试验证，无人飞艇气囊体积监测装置对气囊进行激光扫描后，通过坐标转换、数据处理重构出气囊的三维特征外形如图4所示。

经与结构设计工程师确认，气囊充气饱和后的体积设计理论值为234 m3，对气囊连续进行6次测量，测试结果如表1所示，6次测量均值为235.08 m3，重复性为0.47 m3，实测均值与设计理论值相对误差为0.46%，相对误差控制在±1%以内，单次测量时间小于10 s，无人飞艇气囊体积监测装置可以满足对囊体体积即时测量的要求。

图4 软件重构测量结果界面

表1 气囊即时检测值 m3

4 结束语

本文将三维激光扫描技术引入无人飞艇气囊体积测量，通过激光扫描获取气囊点云数据，采用双线性插值算法构建三角网格，最终重构气囊的三维几何模型，实现了对无人飞艇气囊体积即时监测，实验结果表明，体积测量相对误差在±1%以内。另外，针对现场实际使用情况还可以做以下几方面的改进:①对于采样点拟合表面与真实表面的误差，以及测量过程中气囊外形由于外界干扰所产生的形变误差，可采用k-最近邻方法构造气囊表面的三角形网络，结合设计外形以及制造过程中引入的常见外形偏差及分布的分析，获得每个三角形的先验曲面形式，最终重建三维表面;②对于气囊饱和度较小时产生的扫描盲区所引入的拟合处理误差，可配合艇内摄像机来综合评定特征外形;③通过优化软件算法进一步缩短单次测量的时间，提高系统测量准确性。

［1］李欣，周佳玮.三维激光扫描技术在船体外形测量中的试验性研究［J］.测绘信息与工程，2006(31):36-37.

［2］王昌翰，向泽君，刘洁.三维激光扫描技术在文物三维重建中的应用研究［J］.城市勘测，2010(6):67-70.

［3］严剑锋，邓喀中，邢正全.基于最小二乘拟合的三维激光扫描点云滤波［J］.测绘通报，2013(5):43-46.

［4］胡向红，陈康宁.激光扫描数据的脉冲噪声过滤［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2003(9):1056-1059.