基于无线图传技术的多旋翼无人机在口岸水尺鉴重中的应用研究

刘进涛 张祥龙 李雁宁

（连云港出入境检验检疫局，连云港 222042）

无人驾驶飞机简称无人机，无人机除在军事领域应用外，基于无线图传技术的多旋翼民用无人机还能够为口岸水尺鉴重提供低成本、高机动性的水尺数据观测手段。把无人机想象成一个“会飞的传感器”，无人机就成了口岸水尺观测的一个空中数据端口，从船舶状况到水尺数据的快速读取与记录，无人机将为口岸水尺鉴重工作提供一种便捷的支撑手段[1]。本文利用无线图传技术，建立了一套基于“互联网+”平台的无人机应用方案，将无人机和互联网深度融合到进出口货物的数重量检验监管工作之中，以互联网思维重新构建进出口货物的数重量检验监管方式和方法，即：充分发挥互联网和无人机在水尺观测中的集成和优化作用，将互联网的创新成果深度融合于大宗商品检验、监管之中，全面提升全检验条线的创新力和生产力，形成更广泛的以无人机为载体，以互联网为基础设施和工具的检验检疫新模式，更好地服务对外贸易发展。

1 无线图像传输的原理及多旋翼无人机控制技术

无人机图像传输系统就是将空中处于飞行状态的无人机所拍摄的画面实时、稳定地发射给地面的无线图传遥控接收设备。图传系统作为民用无人机的重要子系统之一，是无人机与控制端进行人机交互的最重要手段，也是无人机最主要的应用之一。目前，消费级无人机最常用的无线图像传输有模拟传输和数字传输两种。模拟图传的功耗较高，解析度较低，不适合水尺观测应用。无线数字传输技术应用较多的主要有Lightbridge与Wi-Fi。水尺观测采用无人机的图像传输系统来实现远程观测。图像传输的解析度、流畅性和稳定性对水尺观测的准确度有很大的影响。通过研究，选取出合适的图像传输系统也是本文研究的目标之一。无人机常用的图传方案如图1所示。

1.1 Wi-Fi图像传输技术

Wi-Fi图像传输技术是一种利用无线信号传输图像的数字通信方式，遵循TCP/IP协议，图像传输需要发送端与接收端首先建立起通讯握手机制，再传输每个大小为512B的数据包。每个数据包的传输必须完整无误，丢失其中的一个字节都会导致整个数据包重新发送，确认完整接收一个数据包之后，才开始传输下一个数据包。这种基于TCP/IP协议的双向握手机制很容易导致Wi-Fi图传无法实时传输航拍画面。在无人机FPV飞行对实时性要求很高的大前提下，重新发送数据包会导致操控者无法看到实时画面。

1.2 Lightbridge图传技术简介

Lightbridge是DJI开发的数字图像传输系统。根据目前的公开资料显示，Lightbridge图传技术最高可传输1080p的全高清图像数据，实测有效传输距离高达1.7km，同时内置2.4GHz遥控器链路和OSD飞行数据叠加系统。Lightbridge是一种基于2.4GHz或5.8GHz频段的单向图像数据传输技术，类似位于电视广播塔的数据传输形式。得益于Lightbridge图传技术的单向传输性，DJI无人机使用的距离是一般使用普通Wi-Fi图传无人机的2～3倍。因此，其更适合在电磁环境复杂的大型船舶水尺观测工作中使用。

1.3 多旋翼

多旋翼无人机是一种新型的可垂直起降的小型无人机，其中，四旋翼无人机通过改变4个对称分布的旋翼的转速来调整姿态与位置，具有可悬停、机动性好、结构简单等多种优点，应用前景广阔，其结构示意图如图2所示[2]。

四旋翼无人机的结构决定了其既可以沿x轴前后运动，也可沿y轴左右运动。四旋翼无人机由于具有可悬停、可以侧向飞行和后退飞行的特点，所以非常适用于口岸水尺数据的观测。

1.4 多旋翼无人机的飞行控制

无人机的飞行控制是无人机研究领域的主要问题之一。在飞行过程中无人机会受到各种因素干扰，如传感器的噪音与漂移、强风与乱气流、载重量变化及倾角过大引起的模型变动等，这些因素都会严重影响飞行器的飞行品质。因此，无人机的控制技术便显得尤为重要。传统的控制方法主要集中于姿态和高度的控制，除此之外，还有一些用来控制速度、位置、航向、3D轨迹跟踪等。目前主要的无人机飞行控制方法包括线性飞行控制方法、基于学习的飞行控制方法、基于模型的非线性控制方法和智能控制方法等[3]。

2 水尺计重的原理和一般方法

水尺计重是依据“阿基米德定律”，对承运船舶装载或卸载前、后的吃水进行观测，并依据船舶的准确图表，经必要之校正，查算船舶排水量，结合船舶压载水、淡水、燃油、船用物料及非货物的重量测算，以确定装载或卸载货物重量的一种计重方法[4]。

在实践中，一般通过观测船艏、船舯和船艉左右两侧共6处吃水标记来进行排水量的计算。由于货轮停泊一般只有一侧靠岸边，另外一侧的水尺标记读取非常困难。有时货轮停泊在锚地等开阔水域，两侧均不靠近岸边，水尺观测就更加困难。因此，利用基于无人图像传输技术的多旋翼无人机进行航拍来读取水尺数据是一项安全、高效的水尺观测方式。船艏、船舯、船艉吃水修正及相应垂线位置示意图如图3所示。

2.1 多旋翼无人机在口岸水尺计重中的应用

水尺鉴重作为水运大宗散装货物的主要计重方式，广泛应用于铁矿、煤炭、大豆、化肥等散装货物的重量鉴定。将多旋翼无人机技术与水尺鉴重工作相结合，鉴定人员可站在船舶甲板上或大副办公室内，通过远程操纵，控制无人机悬停在水尺标记上方，利用无人机携带的高清摄像头录制水尺标记附近水线画面，同时通过无线图传系统将画面实时传回接收设备上，方便观测。

2.2 水尺数据的观测方式

利用无人机可以方便地悬停在大型货轮的水尺标记上方，通过视频信号接收装置观测水尺标记处的吃水状态。利用地面站可以超视距操控无人机对水尺进行观测，但由于大型船舶复杂的安全环境和电磁环境，一般不推荐超视距飞行。无人机起飞前应检查机身、桨叶、电池是否卡紧，开机自检查看GPS信号和指南针信号是否正常，电池电量是否充足，检查无误后可以起飞。

2.2.1 船舶一侧靠岸停泊状态下的水尺观测

操控无人机从船舯视野开阔处起飞，将无人机拉升到适当高度后按照船舯到船艏再到船艉的飞行路线依次检视水尺标志。为保证在紧急情况下有足够的应急反应时间，无人机飞行时需保持一定飞行高度并与船舷间距至少3m。水尺检视时将无人机控制切换到GPS模式或视觉定位模式，使其自动悬停在水尺标记上方；同时，控制无人机摄像头瞄准水尺标志拍摄水尺画面，图传模块将水尺画面实时传输到地面站供检验人员读取水尺读数；每个水尺标志处悬停时间不得小于1min～2min。

2.2.2 船舶在空旷水域停泊状态下的水尺观测方式

空旷水域的水尺观测和靠泊水尺观测类似，不同的是要观测6面水尺并更多地考虑风浪的影响。操控无人机起飞后按照绕船一周的飞行路线检视水尺标志。由于空旷水域的风浪较大，无人机稳定性受到影响，应适当加大安全距离，延长悬停观测时间，避免超视距飞行。在无人机飞行过程中时刻关注其飞行动态，包括无人机飞行状态列表，无人机电量、姿态、高度和方向，信号强度，空域内是否有其它飞行器或危险情况，如有异常情况立即就近降落。

3 飞行安全与注意事项

飞行环境和安全在无人机的应用中非常重要。目前对于民用无人机飞行安全的研究主要集中在禁飞区和限飞区，以及飞行器本身的电量、信号灯方面。本文结合无人机中口岸水尺鉴重中的应用提出了3项新的安全要求。

3.1 与水面保持安全高度

无人机在飞行时会与水平面成一定的俯仰角，在飞行过程中受力矩的影响，高度会略微降低，因此，要与水面保持一定的安全距离。测试发现，在水面波浪30cm的微风环境安全高度至少要在1m，悬停时可以略微降低。为保证飞行器安全，无人机飞行前应先升高至距离水面1.5m以上的距离再开始飞行。

3.2 与船体和大型机械保持安全距离

钢制船体和大型机械会对磁场、GPS信号和无线控制信号产生干扰，因此，无人机在飞行过程中应与船体保持适当的安全距离。在悬停时，无人机应与船体保持2.5m以上的安全距离，在飞行时，应保持5m以上的安全距离，在距离船体较近的飞行过程中，无人机应在操作人员的视线范围之内。

在船舶甲板上方或周围飞行时，无人机就进入了码头机械和船上吊机的工作范围。特别是港口门机在开始装卸货物前，往往会试车以验证机械运转正常，以及保证装卸工作正常开展。试车时吊机抓斗运行速度较快，且无人机在空中时驾驶员缺乏参照物，难以把握远近距离，碰撞风险较大。所以，在飞行时要关注正在作业的机械设备，与之保持安全距离或选择绕行，保证安全。

3.3 远离作业人员

总体来说，泊位船舶没有进行装卸作业时，港口工作人员相对较少，且大部分在控制室或驾驶舱内工作，但在无人机飞行前仍需注意观察是否有人员聚集的区域，甲板上或码头面是否有作业人员。普通无人机水平飞行速度可达30m/s，电机转速通常在8000rpm～10000rpm，可对人员造成巨大伤害，飞行时应注意远离人群。对于配备空中紧急停机的无人机可以在遇到意外情况时使无人机在空中停止电机运转，避免对人群造成更严重的伤害。

4 结束语

基于无线图传技术的多旋翼无人机是一种新型民用无人机，具有结构简单，成本低，安全性好等优点，应用前景广阔。本文研究了基于无线图传技术的多旋翼无人机在口岸水尺鉴重中的应用，并得出以下主要结论：

（1）分析了无线图传的原理，对比了几种无线图传方式，筛选出了适合口岸水尺鉴重的图传方式。

（2）分析了多旋翼无人机的飞行特点，并根据多旋翼无人机的飞行特点和口岸水尺鉴重工作环境设计了无人机的安全飞行标准。

（3）设计了使用无人机进行水尺观测的方法并进行了验证。

本文对基于无线图像传输技术的多旋翼无人机在口岸水尺鉴重中的应用进行了研究，无人机可用于检验检疫工作中危险系数高、人工操作执行困难、劳动强度大的水尺观测工作，并缩短水尺观测的工作时长，提升水尺观测的工作质量，但是，民用多旋翼无人机还有许多需要改进的地方，如：完善防水功能和夜视功能，实现雨天作业和夜间图像采集功能，提高无人机的适用范围。

1 梁瑞彪. 浅析多旋翼无人机在水域环境监测中的应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊）, 2016, (11): 146～147

2 钟佳朋. 四旋翼无人机的导航与控制[D]. 哈尔滨工业大学,2010

3 曾庆华, 张为华. 无人机飞行控制系统实验教程[M]. 北京:国防工业出版社, 2011

4 中华人民共和国出入境检验检疫行业标准. SN/T 2389.2—2012进出口商品重量鉴定规程[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013