无人机载荷图像仿真平台的设计与实现

—266— 无人机载荷图像仿真平台的设计与实现李登亮，叶 榛(清华大学计算机系智能技术与系统实验室，北京100084)摘 要：无人机有效载荷图像仿真平台为无人机操作员训练、地面站建设、以及指挥控制和通信系统提供必要的模拟数据和模拟环境，是研制无人机系统及其测控与通信系统的重要部分。

该文讨论了如何基于相对低成本的PC 机和图像处理与传输技术构建一个完整的无人机有效载荷图像仿真平台。

该平台可以接收无人机及其指挥控制系统的各种状态参数以及控制指令，通过图像处理，模拟实际情况生成有效载荷图像数据，并实时下传，以验证无人机及其指挥控制和通信系统的概念结构和工作过程。

关键词：无人机；有效载荷；图像处理；仿真Design and Realization of Image Simulation Platformfor UA V PayloadsLI Dengliang, YE Zhen(Lab of Intelligent Technology and System, Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084)【Abstract 】The image simulation platform for UA V payloads is important to research UA V systems, because it provides simulating data and virtual environment. It creates the platform based on low-cost PC, image process and transmission. Based on parameters of UA V system and real time image process, the platform simulates image data of payload and transmits them to UA V system. The result proves that the platform is important to validate the conception frameworks and working processes of UA V system. 【Key words 】UA V; Payload; Image processing; Simulation计 算 机 工 程Computer Engineering 第32卷 第6期Vol.32 № 6 2006年3月March 2006·开发研究与设计技术·文章编号：1000—3428(2006)06—0266—03文献标识码：A中图分类号：TP391.4无人机的不载人特性，使其可以长时间地进出各种危险的空域发挥特殊效用，完成许多过去只有有人驾驶飞机才能完成的任务；同时，无人机体积小、结构简单、自重轻、成本低、使用维护方便、机动灵活性好，具有很大的发展潜力和良好的应用前景。

在无人机设计及相关控制系统的研制过程中，需要飞行模拟系统进行辅助，以节约成本、降低风险、简化操作、缩短实验周期。

无人机飞行模拟系统主要包含动力学仿真、视景仿真和有效载荷仿真。

本文的研究主要集中于有效载荷仿真部分。

由于当今无人机的主要任务还是监视、侦察和目标截获，因此执行监视、侦察和目标截获任务的有效载荷是无人机系统的重要组成。

由于有效载荷系统工作原理复杂，价格昂贵，在无人机设计及其相关控制系统的研制中，通常借助有效载荷模拟系统，以节约成本。

有效载荷仿真为无人机相关控制系统的数据接收、存储和分发、图像处理、操作员培训等功能提供无人机任务载荷仿真数据，它是无人机系统研制的一个重要组成部分，也是设计、检验和发展无人机系统的基础。

由于无人机及其飞行任务的不同，其有效载荷的类型和特点也不相同，因此要建立一个符合具体任务需求的载荷仿真系统是比较费时的。

本文针对无人机及其相关控制系统的特点，提出并实现了一个含有典型有效载荷类型的无人机有效机载荷图像仿真平台。

该平台可以不断地实时获取来自无人机相关控制系统对载荷的实时控制指令以及无人机飞行参数，模拟载荷工作状态的变化，通过系列几何变换和图像处理算法实时生成载荷视场图像数据，并实时下传至相关控制系统。

此平台与无人机动力学仿真相配合，可以与相关控制系统组成一个大系统，以验证无人机控制系统的功能。

1 无人机有效载荷概览目前世界各国所用的无人机任务有效载荷都是光学照相机、红外扫描器、电视摄像机、前视红外等无源成像设备以及SAR 雷达。

下面简要描述这些典型有效载荷的工作现状及其发展趋势。

1.1 光学相照机光学照相机是古老的成像设备，也是最早装在无人机上使用的侦察设备。

其最大优点是具有较高的分辨率，目前其他成像设备还无法达到。

缺点是需要回收冲洗，不能满足实时情报需求。

目前它在世界各国的无人机上遭到冷遇，正让位于CCDTV 。

1.2 红外行扫描仪红外行扫描仪(IRLS)是一种热成像装置。

它利用扫描镜收集红外辐射并投射到多元碲镉汞等红外探测器上，形成红外图像信号，用其调制光源并记录在感光胶片上，就构成红外照相机；也可以用这种红外图像信号调制视频通道，经过数据传输系统发送回地面接收站。

前者与光学相机一样具有缺乏实时性的弊病，后者则得以克服。

红外行扫描器属于机载无源探测设备，其最大的优势就是能够探测物体自然的红外辐射而不借助环境光的照射，因此可以进行夜间监视和侦察。

但它机械装置复杂，由于体积和总量较大，也很少在无基金项目：国家“863”计划基金资助项目“高高空无人机战术控制系统”(2003AA755031)作者简介：李登亮(1976—)，男，硕士生，主研方向：图像处理，图像检索；叶 榛，教授收稿日期：2005-02-27 E-mail ：li-d102@人机上使用。

1.3电视摄像机无人机上使用的电视摄像机都是电荷耦合器件电视(CCDTV)摄像机。

它使用固态电荷耦合器件作为光电转换成像器件。

目前摄像机一般都采用焦平面阵列电荷耦合器件，其主要优点是体积小、重量轻、功效低、灵敏度高、抗冲击震动和寿命长，这使得它在无人机中获得广泛应用。

它不仅用于监视、侦察获取实时图像情报，而且用于辅助地面操纵员遥控驾驶。

目前，CCDTV在昼间图像情报探测设备中占据统治地位。

1.4前视红外前视红外(FLIR)即热成像器(TI)，是一种通过光学系统把景物红外辐射成像在红外敏感元件阵列上并变换成视频电信号的成像红外探测器。

它具有较高空间分辨率，能分辨出景物的各个细部，形成反映景物自身热特征的图像。

它探测景物自身红外辐射，无需环境光(包括红外)照射，因此，前视红外是目前能在纯暗夜发挥作用并且不会被目视(可见光)伪装和假目标欺骗的无可替代的夜间无源成像探测器。

目前，它广泛用于夜间图像情报探测设备中。

1.5多探测器转塔如上所述，各种探测器都有自己独特的优点和缺点以及应用范围，把它们结合起来就可以取长补短，在昼夜24h执行监视和侦察任务。

多探测器转塔(Malti-Sensor Turret)是把前视红外、电视摄像机、激光测距/照射器等二三种探测器综合进转塔形式的多轴陀螺稳定平台(万向支架)内的多任务光电探测系统，它能相对于无人机自由转动。

由于多探测器转塔综合了多种载荷的优势，已用于多种型号的无人机中。

1.6 SAR雷达近20多年来，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)得到快速发展。

SAR是主动式微波成像雷达，能够提供高分辨率的目标图像，具有全天候、全天时的优势。

尽管SAR 技术复杂，研制和使用成本高昂，但是世界各国都对其投入了大量物力和财力进行研制，已有多种型号的无人机装备了SAR。

随着技术的发展，SAR的成本和重量会逐渐得以控制，它将越来越普遍地在无人机上使用。

2 系统设计从发展无人机及其相关控制系统的需求来看，需要能够模拟典型载荷工作的有效载荷模拟平台，以替代种类繁多、价格昂贵的真实载荷来配合系统的工作。

要求无人机任务有效载荷仿真平台能够综合以上这些典型载荷的工作特点，为无人机地面控制系统的数据接收、存储和分发、图像处理、操作员培训等功能提供无人机任务载荷仿真数据。

具体地讲，该平台需要实现两个层次的功能：(1) 图像层次的仿真，即通过视景仿真把载荷图像与具体的载荷参数、空间几何关系及无人机姿态有机地结合起来。

图像层次的仿真需要研究CCDTV(电荷耦合器件电视摄像机)、IR(红外)、SAR(合成孔径雷达)3种典型无人机载荷的特性、参数和数据格式；仿真以上3种载荷在不同高度、视角、焦距等参数下的图像数据生成并显示载荷可观测视窗及相应的状态和控制参数；生成载荷数据并实时传送。

(2) 系统层次的仿真，关心的是载荷系统以及相应的算法和设备，可以看成是载荷设计和发展的工具，用来预测和检验系统的性能。

系统层次的仿真需要考虑影响载荷数据质量的所有因素，为载荷系统建立数学模型；根据不同任务选择和设计符合要求的任务有效载荷；研究不同载荷数据在机上的实时处理及发送方法。

在综合分析无人机系统及其相关控制系统研制的需求以及无人机有效载荷发展状况之后，并根据实际系统的需要，我们设计了包含在当今无人机上广泛使用的3种典型有效载荷的图像仿真系统。

系统结构如图1。

2.1原始载荷数据在实际系统中，载荷数据的产生原理和处理方法因载荷类型而不同。

我们根据本平台的实际需求，简化了载荷数据生成和处理过程，直接采用经过处理后的大幅遥感图像作为原始数据来源。

载荷数据输出是在实时采集无人机参数和载荷控制命令的基础之上，通过空间几何关系和图像处理，及时从图像文件数据源中解算出来的载荷视场图像。

通过图像处理技术，可以从同一数据源模拟出CCDTV、IR、SAR等典型载荷的视场图像，以仿真无人机飞行状态对载荷输出的影响以及载荷对控制命令的响应。

2.2 空间几何关系处理载荷数据(即载荷视场图像)生成，与以下参数相关：无人机的姿态、位置、速度等参数，载荷的焦距、视场角、镜头方向等。

假定无人机质心、GPS天线回转中心、载荷镜头像面中心重合(如不重合，需要考虑相应平移量)。

通过空间几何关系换算，可以确定载荷在任意位置和参数状态下的数据输出。

以下是用到的几个坐标系和转换关系(图2)。

图2 空间几何关系转换(1) 机体坐标系S b-o b x b y bz b，用于描述飞机飞行姿态角。

原点取在飞机质心处，3个坐标轴与飞机固联，X b轴处于飞机对称平面内，与机身轴线一致，指向前方，Y b轴垂直对称平面向右，Z b轴在对称平面内，和X、Y轴成右手直角坐标系。