T-CI 172-2023 撲翼飛行機(jī)器人機(jī)載視覺系統(tǒng)

CCSN35 T/CI172-2023撲翼飛行機(jī)器人機(jī)載視覺系統(tǒng)Thetechnicalspecificationfortheairbornevisionsystemofbionicflappingwingunmannedaerialvehicle 中國國際科技促進(jìn)會發(fā)布I II 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語、定義和縮略語 14系統(tǒng)功能和組成 25技術(shù)要求 96驗證試驗 117標(biāo)識、包裝、運輸和貯存 13本文件按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》起草。某些內(nèi)容可能涉及專利，本標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別這些專利的責(zé)任。本文件由中國國際科技促進(jìn)會提出并歸口。本文件起草單位：北京科技大學(xué)、中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所有限公司、泉州裝備制造研究所、安徽大學(xué)、湖南大學(xué)、山東大學(xué)、北京科技大學(xué)天津?qū)W院。本文件主要起草人：賀威、付強(qiáng)、何修宇、劉志杰、張春華、謝勇、李文法、張爽、劉紅敏、馮楠、孫長銀、張輝、鐘杭、鄒堯、黃海豐、王靖元、李擎、吳逸帆、趙民、吳曉陽、王久斌、張素杰、魏憲、郭杰龍、俞輝、王超群、張國騰、劉義祥。1撲翼飛行機(jī)器人機(jī)載視覺系統(tǒng)本文件規(guī)定了仿生撲翼飛行機(jī)器人（以下簡稱“撲翼飛行機(jī)器人”）機(jī)載視覺系統(tǒng)的功能和組成及技術(shù)要求，飛行環(huán)境一般為開闊環(huán)境。本文件適用于仿生撲翼飛行機(jī)器人（翼展在0.18m~2m）的機(jī)載視覺系統(tǒng)及其部件的設(shè)計與驗證，其他撲翼飛行機(jī)器人機(jī)載視覺系統(tǒng)可參照執(zhí)行。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T14394計算機(jī)軟件可靠性和可維護(hù)性管理GB/T17618—2015信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法GB/T191包裝儲運圖示標(biāo)志GB/T35018民用無人駕駛航空器系統(tǒng)分類及分級GB/T38152無人駕駛航空器系統(tǒng)術(shù)語GB/T38924(所有部分)民用輕小型無人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境試驗方法GB/T8566信息技術(shù)軟件生存周期過程GB/T9254—2008信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法3術(shù)語、定義和縮略語3.1術(shù)語和定義GB/T35018、GB/T38152界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。仿生撲翼飛行機(jī)器人是指通過模仿鳥類撲動翅膀來改變飛行姿態(tài)，將舉升、懸停和推進(jìn)功能集成于一身的飛行機(jī)器人。3.2縮略語下列縮略語適用于本文件。CAN:控制器局域網(wǎng)總線(ControllerAreaNetwork)2GNSS:全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem)IMU:慣性測量單元(InertialMeasurementUnit)UART:通用異步收發(fā)傳輸器(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)USB:通用串行總線(UniversalSerialBus)PSNR:峰值信噪比(PeakSignal-to-NoiseRatio)SSIM:結(jié)構(gòu)相似性(StructuralSIMilarity)4系統(tǒng)功能和組成4.1概述撲翼飛行機(jī)器人機(jī)載視覺系統(tǒng)功能及組成如圖1所示。撲翼飛行機(jī)器人機(jī)載視覺系統(tǒng)功能包括：實時航拍功能、目標(biāo)識別與跟蹤功能、數(shù)據(jù)記錄功能、自檢功能、設(shè)備管理功能等；系統(tǒng)組成部件包括：傳感部件、計算部件和執(zhí)行部件。4.2系統(tǒng)功能4.2.1實時航拍功能4.2.1.1一般要求系統(tǒng)應(yīng)具有以下實時航拍功能：a)云臺感知機(jī)身的姿態(tài)和運動趨勢，通過控制電機(jī)實現(xiàn)相機(jī)在俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)至少2個方向上的運動；b)撲翼飛行機(jī)器人巡航可通過圖傳將圖像回傳至管理人員的移動或固定設(shè)備，具備實時傳回清晰圖像的功能。c)具備視頻消抖功能，消抖后視頻PSNR宜不小于20，SSIM宜不小于0.7，滿足人員3觀看需求；d)能夠獲取高清晰立體影像數(shù)據(jù)，自動生成三維地理信息模型，快速實現(xiàn)地理信息的獲取。4.2.1.2云臺消抖功能系統(tǒng)應(yīng)具有以下云臺消抖功能：a)云臺具有較高的控制精度和較快的響應(yīng)速度；b)可抑制轉(zhuǎn)動干擾力和力矩；c)具備守望功能和斷電記憶功能。4.2.1.3圖像傳輸功能系統(tǒng)應(yīng)具有以下圖像傳輸功能：a)圖像采集與處理；b)數(shù)據(jù)實時傳輸。圖像傳輸模塊通常具備抗干擾性和可靠性，以確保地面端與天空端具備穩(wěn)定的通信和可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力。4.2.1.4圖像處理功能系統(tǒng)應(yīng)具有以下圖像處理功能：a)圖像預(yù)處理；b)特征識別與擬合；c)模式匹配；d)3D測量功能。數(shù)據(jù)處理功能包括但不限于以上單項或者多項功能。4.2.1.5外部控制功能系統(tǒng)應(yīng)具有以下視覺單元功能：a)暫停；b)繼續(xù)運行；c)復(fù)位；d)停止運動。視覺單元應(yīng)能夠接受外部系統(tǒng)的控制命令來執(zhí)行不同的操作。4.2.1.6狀態(tài)輸出功能4系統(tǒng)應(yīng)具有以下狀態(tài)輸出功能：a)系統(tǒng)是否準(zhǔn)備就緒；b)航拍輸出信號：視覺單元在完成圖像獲取時輸出狀態(tài)變化；c)出錯預(yù)警：當(dāng)視覺單元出現(xiàn)正常運行的異常時輸出告警狀態(tài)指示；d)障礙物相關(guān)信息，如：距離。視覺單元應(yīng)具備通過通信接口輸出以上狀態(tài)信息。4.2.1.7相機(jī)模態(tài)切換控制功能系統(tǒng)應(yīng)具有以下相機(jī)模態(tài)切換控制功能：a)可根據(jù)控制需要隨時手動切換不同視角模式；b)可根據(jù)航拍對象的大小實自主長/短焦切換。4.2.2目標(biāo)識別與跟蹤功能4.2.2.1目標(biāo)識別功能如圖2所示，系統(tǒng)應(yīng)具有以下目標(biāo)識別功能:a)執(zhí)行飛行任務(wù)時能夠?qū)μ囟繕?biāo)（如人、車、建筑物）等進(jìn)行識別；b)獲得車輛、行人等目標(biāo)的位置、形狀及大小信息。進(jìn)行目標(biāo)識別時，目標(biāo)識別準(zhǔn)確度均值宜不小于0.6。4.2.2.2目標(biāo)跟蹤功能在執(zhí)行飛行任務(wù)時，除了進(jìn)行目標(biāo)識別外，還需對特定目標(biāo)進(jìn)行跟蹤（如圖3所示應(yīng)包括：a)在實際飛行任務(wù)中，車輛、人等目標(biāo)是不斷移動變化的，需具備實時信息動態(tài)更新功能；5b)目標(biāo)跟蹤時具備路徑優(yōu)化功能。進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時，目標(biāo)持續(xù)處于畫面中的時間宜不小于1min。4.2.3數(shù)據(jù)記錄功能4.2.3.1機(jī)載視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)要求機(jī)載視覺系統(tǒng)應(yīng)能夠以≥10Hz的頻率向機(jī)載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)提供如下信息：a)云臺姿態(tài)；b)目標(biāo)圖像坐標(biāo)；c)視頻流傳輸狀態(tài)；d)相機(jī)模式信息；e)系統(tǒng)故障信息；f)系統(tǒng)告警信息；g)其他要求的信息。4.2.3.2地面控制單元數(shù)據(jù)要求撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)地面控制單元配備了地面數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)時，機(jī)載視覺系統(tǒng)應(yīng)能夠以≥1Hz的頻率向地面控制單元發(fā)送如下信息：a)云臺姿態(tài)；b)視頻流傳輸狀態(tài)；c)相機(jī)模式信息；d)其他要求的信息。4.2.3.3記錄要求6機(jī)載視覺系統(tǒng)宜集成數(shù)據(jù)記錄功能，應(yīng)滿足以下要求：a)可實時記錄飛行數(shù)據(jù)；b)可記錄最近至少3個架次的飛行數(shù)據(jù)；c)可采取信息安全措施，防止篡改和刪除；d)可被正確和完整地拷貝；e)可被規(guī)定的數(shù)據(jù)分析工具正確而完整地讀取和解析；f)當(dāng)數(shù)據(jù)記錄的讀寫和記錄出現(xiàn)異常時，可限制撲翼飛行機(jī)器人起飛并提供必要的警告信息；g)可采取時間序列格式進(jìn)行飛行數(shù)據(jù)記錄；h)可循環(huán)記錄。4.2.4自檢功能4.2.4.1上電自檢功能系統(tǒng)地面上電應(yīng)自動完成上電自檢測，其測試結(jié)果宜記錄于非易失存儲器中；上電自檢測應(yīng)完成各電子部件(或模塊)的處理器、接口等功能正確性檢測。4.2.4.2飛行前自檢功能飛行前自檢功能應(yīng)包括：a)部件或模塊的功能正確性檢測功能；b)關(guān)鍵部件或模塊的性能檢測功能；c)起飛條件檢查功能；d)給出檢測結(jié)果正常或故障的指示功能；e)存在故障時進(jìn)行故障定位功能；f)進(jìn)入/退出聯(lián)鎖條件判斷功能,以確保飛行前自檢功能可靠進(jìn)入/退出；g)測試結(jié)果宜記錄于非易失存儲器中。4.2.4.3飛行中自檢功能飛行中自檢功能應(yīng)包括：a)電子部件應(yīng)具有飛行中自檢功能；b)處理器、電源、接口等基本模塊應(yīng)具備飛行中自檢功能；c)測試結(jié)果宜記錄在非易失存儲器中。4.2.4.4維護(hù)自檢功能7維護(hù)自檢功能應(yīng)包括：a)撲翼飛行機(jī)器人機(jī)載視覺系統(tǒng)全部設(shè)備維護(hù)檢測的功能；b)允許操作人員選擇各種測試模式、測試項目、顯示模式；c)動力裝置啟動與關(guān)閉功能；d)傳感器校準(zhǔn)或?qū)?zhǔn)等功能；e)進(jìn)入/退出聯(lián)鎖條件判斷功能，以確保維護(hù)自檢可靠進(jìn)入/退出。4.2.5設(shè)備管理功能4.2.5.1云臺動力管理功能云臺動力管理功能應(yīng)包括：a)動力裝置啟動功能；b)動力裝置停機(jī)功能；c)動力裝置功率控制功能；d)動力裝置參數(shù)與狀態(tài)監(jiān)測功能；e)電動動力設(shè)備剩余電量提示與告警功能。4.2.5.2電氣管理功能電氣管理功能應(yīng)包括：a)電氣參數(shù)與狀態(tài)監(jiān)測功能；b)相關(guān)用電設(shè)備接通與斷開控制功能；c)對相關(guān)用電設(shè)備供電自保護(hù)功能；d)余度電源切換控制功能；e)電池余量計算與余電不足告警功能。4.2.5.3任務(wù)設(shè)備管理功能任務(wù)設(shè)備管理功能應(yīng)包括：a)任務(wù)設(shè)備控制功能；b)任務(wù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視功能；c)任務(wù)設(shè)備控制命令轉(zhuǎn)發(fā)功能。4.3組成部件4.3.1一般要求機(jī)載視覺系統(tǒng)由傳感、計算、執(zhí)行等部件或模塊組成。8系統(tǒng)組成部件（設(shè)備、組件、零件）應(yīng)滿足下列要求：a)標(biāo)準(zhǔn)化要求：部件的設(shè)計應(yīng)盡量滿足標(biāo)準(zhǔn)化要求，組件或零件更換后，不需要重新調(diào)整參數(shù)或重新調(diào)整其他部件或零件以保持整體性能和公差；b)互換性要求：無論是制造或采購的相同設(shè)備、組件和可替換零件都應(yīng)符合互換性要c)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的選擇：自制零件、部件或采購零件、部件應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。4.3.2傳感部件4.3.2.1組成傳感部件宜包含以下設(shè)備或部分設(shè)備的組合：a)可提供三軸角速率和加速度信息的傳感器或傳感器組合，如IMU；b)可提供視覺信息的傳感器或傳感器組合，如相機(jī)；c)可提供姿態(tài)信息的傳感器或傳感器組合，如垂直陀螺；d)根據(jù)需要選配可提供相對定位信息的傳感器或傳感器組合，如紅外測距儀；e)根據(jù)需要選配圖傳設(shè)備，可實時回傳高質(zhì)量的航拍畫面。4.3.2.2功能傳感部件宜具有以下功能：a)測量、計算云臺三軸角速率、三軸加速度、俯仰角、橫滾角等信息的功能；b)獲得撲翼飛行機(jī)器人前方及下方圖像的功能；c)設(shè)置傳感器安裝位置等參數(shù)的功能；d)傳感器故障自檢功能；e)宜具有改善傳感器性能的標(biāo)定功能；f)宜具有傳感器信息防篡改的功能。4.3.2.3其他要求傳感部件宜考慮以下要求：a)關(guān)鍵傳感器（如垂直陀螺、相機(jī)等）必要時采用冗余等安全機(jī)制；b)外界溫度對IMU的精度影響較大時，宜采取恒溫結(jié)構(gòu)、溫度校準(zhǔn)等措施；c)振動環(huán)境對IMU的精度影響較大時，宜采取減震/隔震結(jié)構(gòu)、抗混疊濾波器等措施。4.3.3計算部件9計算部件宜滿足以下要求：a)計算部件組成應(yīng)包括：處理模塊、電源模塊、接口模塊等；b)計算部件的輸入信號宜具有有效性檢查功能；c)計算部件的輸入、輸出信號宜具有可測試性。4.3.4執(zhí)行部件執(zhí)行部件應(yīng)滿足以下要求：a)接口、指標(biāo)與機(jī)載視覺系統(tǒng)要求相一致；b)宜采用直流電源作為能源。5技術(shù)要求5.1接口5.1.1一般要求機(jī)載視覺系統(tǒng)制造商應(yīng)制定相關(guān)的接口技術(shù)規(guī)范，應(yīng)規(guī)定：a)接口的類型與數(shù)量；b)相關(guān)的電氣特性、機(jī)械特性、接口標(biāo)識和通信接口；c)功能與性能描述；d)接插件和線材等。5.1.2電氣接口機(jī)載視覺系統(tǒng)應(yīng)對所有電氣接口特性進(jìn)行定義。除另有規(guī)定外，電氣接口特性應(yīng)包括：a)供電方式；b)適用供電電壓、電流與功率范圍；c)供電電壓波動、抗干擾與沖擊電壓要求；d)接口信號工作頻率與負(fù)載能力；e)信號接口電平、波形、極性與相位關(guān)系；f)信號的輸出輸入屬性；g)阻抗與絕緣阻抗。對于支持用戶操作的接口，宜采取可靠的防反接設(shè)計和熱插拔保護(hù)設(shè)計。對于向外供電接口，宜采取防短接設(shè)計和電流防倒灌設(shè)計。5.1.3機(jī)械接口5.1.3.1接口分類根據(jù)用戶對接口的可觀察性和可操作性，接口可分為：a)不支持用戶插拔接口；b)支持用戶插拔接口：1)用戶易于檢查與操作的接口；2)用戶不易檢查與操作的接口。對于a)類和b)類中的2)類接口，接口與連接器之間的最小保持力應(yīng)能夠抵御在正常運輸、搬運和飛行過程中所可能遭遇的振動、沖擊、跌落等不利機(jī)械環(huán)境條件的影響。對于b)類中的1)類接口，接口與連接器之間的最小保持力應(yīng)能夠抵御在正常飛行過程的振動環(huán)境和正常著陸與空中輕微碰撞過程中的沖擊力。5.1.3.2機(jī)械接口要求機(jī)械接口宜考慮如下要求：a)接口防錯插，如采取防反插設(shè)計、接口標(biāo)識等；b)防腐、防銹，特別是與飛行安全相關(guān)的接口；c)不易損性，對于用戶經(jīng)常操作的機(jī)械接口，在規(guī)定的使用條件下和預(yù)期的使用時間內(nèi)，接口與連接器之間的保持力不得低于規(guī)定的最小保持力。5.1.4通信接口通信接口要求應(yīng)包括：a)采用接口標(biāo)準(zhǔn)類型，如UART、CAN等；b)通信接口宜采取特定協(xié)議進(jìn)行封裝，并具有數(shù)據(jù)校驗功能和對流量、丟包與錯包的監(jiān)控功能；c)對于某些需要防止惡意篡改的信息，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星信息、限飛數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)應(yīng)采取可靠的信息安全措施，如簽名認(rèn)證、信息加密等技術(shù)。5.1.5飛行監(jiān)管接口機(jī)載視覺系統(tǒng)應(yīng)能夠提供符合要求的飛行監(jiān)管數(shù)據(jù)，并滿足相關(guān)的飛行監(jiān)管接口要求。5.2軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)滿足GB/T8566、GB/T14394等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)與專用規(guī)范要求。軟件應(yīng)具有維護(hù)性和驗證性。5.3安全性系統(tǒng)應(yīng)支持典型故障的自動處理，以提高使用安全性，如：傳感器故障后使用故障安全值、測控失效后自動平飛或自動返航等。系統(tǒng)中電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備應(yīng)分別按專用規(guī)范中安全技術(shù)要求規(guī)定進(jìn)行設(shè)計，以確保制造和使用中人身和設(shè)備的安全。5.4可靠性系統(tǒng)可靠性設(shè)計宜制定產(chǎn)品的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，按需開展可靠性分配、預(yù)計和驗證工作。5.5維修性系統(tǒng)設(shè)計和安裝應(yīng)使維修時間盡量縮短，宜提供便于完成維修的相關(guān)手段，實現(xiàn)運行檢查、故障檢測與隔離、外場可更換單元的拆卸與更換，對需要維修、更換的零部件留有足夠的操作空間。5.6環(huán)境適應(yīng)性5.6.1自然環(huán)境機(jī)載視覺系統(tǒng)應(yīng)要求能夠承受相關(guān)規(guī)范規(guī)定的溫度、霉菌、鹽霧、濕熱、沙塵等自然環(huán)境條件，并在使用壽命周期內(nèi)能夠正常工作。應(yīng)滿足GB/T38924(所有部分)中規(guī)定的相關(guān)要5.6.2誘發(fā)環(huán)境在撲翼飛行機(jī)器人誘發(fā)的振動、沖擊等機(jī)械環(huán)境條件下，機(jī)載視覺系統(tǒng)應(yīng)可正常工作。應(yīng)滿足GB/T38924(所有部分)中規(guī)定的相關(guān)要求。5.7電磁兼容性機(jī)載視覺系統(tǒng)及其部件的電磁兼容性應(yīng)滿足撲翼飛行機(jī)器人系統(tǒng)兼容工作，宜考慮：a)輻射騷擾，按照GB/T9254—2008中A級要求；b)靜電放電抗擾度，按照GB/T17618—2015中嚴(yán)酷等級3、性能判據(jù)B級要求；c)射頻電磁場輻射抗擾度，按照GB/T17618—2015中嚴(yán)酷等級2、性能判據(jù)A級要求；d)與平臺兼容工作的要求。6驗證試驗6.1試驗類型6.1.1型式試驗型式試驗是為了驗證機(jī)載視覺系統(tǒng)能否滿足產(chǎn)品規(guī)范的全部要求所進(jìn)行的試驗。型式試驗一般在產(chǎn)品設(shè)計定型、生產(chǎn)定型或轉(zhuǎn)產(chǎn)時進(jìn)行，但在產(chǎn)品的主要設(shè)計、工藝及材料有重大改變而影響產(chǎn)品的重要性能，使原來的鑒定結(jié)論不再有效時，也應(yīng)進(jìn)行型式試驗。6.1.2出廠檢驗出廠檢驗是指研制單位在機(jī)載視覺系統(tǒng)出貨之前為保證出貨產(chǎn)品滿足用戶品質(zhì)要求所進(jìn)行的檢驗，應(yīng)采用抽樣檢驗的方式。6.2型式試驗6.2.1試驗項目型式試驗項目應(yīng)包括：a)接口測試；b)功能測試；c)性能測試；d)傳感器測試；e)環(huán)境適應(yīng)性測試；f)電磁兼容性測試；g)外觀檢查；h)其他(如安全性、可靠性、維修性試驗等)。6.2.2合格判據(jù)型式試驗合格判據(jù)包括：a)測試結(jié)果滿足要求時，判定型式試驗合格；b)若其中任一試驗項目不符合要求，允許排除故障后再次提交試驗；若檢驗合格仍可判定為型式試驗合格。6.3出廠檢驗6.3.1檢驗項目出廠檢驗項目應(yīng)包括：a)接口測試；b)功能測試；c)性能測試；d)外觀檢查。6.3.2合格判據(jù)出廠檢驗合格判據(jù)包括：a)完成全部試驗項目且滿足全部要求時，判定該產(chǎn)品出廠試驗合格；b)若其中任一檢驗項目不符合要求，則應(yīng)暫停成品的檢驗與交付，在找出缺陷原因并采取有效糾正措施后，重新進(jìn)行加倍抽樣檢驗。7安裝、標(biāo)識、包裝、運輸和貯存7.1安裝7.1.1撲翼飛行機(jī)器人的要求a)撲翼飛行機(jī)器人應(yīng)提供機(jī)載視覺系統(tǒng)集成所需的機(jī)械接口，并符合所提接口的要求。b)撲翼飛行機(jī)器人應(yīng)該有足夠的電源輸出，以滿足機(jī)載視覺系統(tǒng)的功耗需求。7.1.2機(jī)載視覺系統(tǒng)的要求機(jī)載視覺系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：a)重量和平衡：機(jī)載視覺系統(tǒng)的重量必須在撲翼飛行機(jī)器人的負(fù)載范圍內(nèi)，