小型無人機(jī)測繪系統(tǒng)的問題分析及優(yōu)化改進(jìn)

　　摘要：無人機(jī)在測繪領(lǐng)域作為飛行平臺在不同的作業(yè)領(lǐng)域受到了廣泛的應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用的過程中基于不同類型的飛行平臺也彰顯了許多問題。本文重新對應(yīng)用于測繪作業(yè)的無人機(jī)平臺進(jìn)行了分類，分析了測繪過程中小型無人機(jī)系統(tǒng)存在的問題，借鑒大型無人機(jī)在相同領(lǐng)域的系統(tǒng)優(yōu)勢和飛行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合小型無人機(jī)飛行平臺與載荷系統(tǒng)相互獨(dú)立的特性，從飛行平臺和載荷系統(tǒng)兩個方面提出優(yōu)化方式。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī);攝影測量;系統(tǒng)分析;優(yōu)化改進(jìn)

　　在測繪作業(yè)中，無人機(jī)作為飛行平臺搭載遙感載荷因具有機(jī)動快速的響應(yīng)能力、低使用成本、高分辨率圖像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力等特點(diǎn),適用于低空遙感數(shù)據(jù)的快速獲取�；�于不同的作業(yè)區(qū)域及所需的數(shù)據(jù)類型，一般會選擇使用消費(fèi)級無人機(jī)搭載相關(guān)載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或購買大型無人機(jī)公司提供的數(shù)據(jù)獲取服務(wù)。這兩種飛行平臺，在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集過程中都有自己的優(yōu)勢，可也會因?yàn)轱w行平臺本身的原因影響數(shù)據(jù)質(zhì)量(例如數(shù)據(jù)缺失或者無法提供后期提高數(shù)據(jù)解算精度所需要的飛行信息數(shù)據(jù)等)。

　　其中，前者由于成本低廉使用簡單的特性被普遍推廣并廣泛應(yīng)用于攝影測量[1-4]但飛行平臺和載荷系統(tǒng)幾乎完全獨(dú)立;而后者受限于飛行空域管制和成本原因難以普及但系統(tǒng)較為完備成熟,常用于大面積的作業(yè)區(qū)域或應(yīng)急測繪[5-6]。本文分析了測繪過程中小型無人機(jī)出現(xiàn)的問題，借鑒大型無人機(jī)在相同領(lǐng)域的系統(tǒng)優(yōu)勢和飛行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合小型無人機(jī)飛行平臺與載荷系統(tǒng)相互獨(dú)立的特性，從飛行平臺和載荷系統(tǒng)兩個方面提出優(yōu)化方式。

　　無人機(jī)論文范例： 無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢分析

　　1測繪作業(yè)中無人機(jī)的重分類

　　區(qū)別于專業(yè)的飛行團(tuán)隊(duì)，在使用無人機(jī)作為測繪作業(yè)中低空遙感數(shù)據(jù)采集的飛行平臺時，是基于作業(yè)區(qū)域和所需要的數(shù)據(jù)類型來對飛行平臺進(jìn)行選擇而非通過固定的飛行平臺來完成任務(wù)，因此對于從事測繪作業(yè)的無人機(jī)的分類，不應(yīng)以空機(jī)重量、最大起飛重量、最大巡航速度等傳統(tǒng)分類參數(shù)[7]進(jìn)行區(qū)分，而是以是否為完整的系統(tǒng)、最大航程、飛行高度、續(xù)航時間等來進(jìn)行分類。本文以無人機(jī)飛行平臺是否需要專業(yè)的飛行維護(hù)團(tuán)隊(duì)為基礎(chǔ)，將測繪無人機(jī)劃分為為無人機(jī)飛行系統(tǒng)簡稱大型無人機(jī))和飛行器(后文簡稱小型無人機(jī))兩大類。

　　1.1無人機(jī)飛行系統(tǒng)

　　無人機(jī)飛行系統(tǒng)分類包含大型固定翼無人機(jī)及垂直起降固定翼無人機(jī)[8]，其特點(diǎn)是內(nèi)部系統(tǒng)為獨(dú)立完整，包含飛行控制系統(tǒng)(能進(jìn)行較為精確的飛行控制)、動力系統(tǒng)(一般以汽油發(fā)動機(jī)作為動力來源)、電氣系統(tǒng)(包含載荷系統(tǒng)，一般提供固定格式的電源和數(shù)據(jù)接口)、通信系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等，此分類中可以根據(jù)使用的航空發(fā)動機(jī)的不同、是否需要起降場地、通信波段等進(jìn)行再分類(前兩者涉及空域管制，后者涉及無線電管制)。

　　1.2無人機(jī)飛行器

　　無人機(jī)飛行器是指以飛行系統(tǒng)高度集成并和載荷系統(tǒng)相對獨(dú)立的以電為動能驅(qū)動的飛行高度低于120m且不需要起降場地和在此基礎(chǔ)上以提高續(xù)航能力為目的的加裝了汽油發(fā)電裝置的旋翼無人機(jī)。

　　2測繪過程中小型無人機(jī)系統(tǒng)的問題分析

　　2.1作業(yè)區(qū)域較小

　　2.1.1續(xù)航時間有限

　　小型無人機(jī)在搭載測繪作業(yè)載荷和RTK系統(tǒng)設(shè)備后在純電池驅(qū)動下航時一般不超過60分鐘，無法滿足數(shù)據(jù)獲取的需求。在僅以增加續(xù)航時間為目的的前提下，出現(xiàn)了加裝汽油發(fā)電機(jī)和油電混合動力兩種類型[9-10]。加裝汽油發(fā)電機(jī)雖提升了續(xù)航時間，但是加裝的發(fā)電機(jī)變相的減少了可搭載載荷的質(zhì)量，而且并沒有增加供電的輸出功率，沒有解決小型無人機(jī)在測繪過程中的系統(tǒng)問題;油電混合動力兩種類型采用油電混合動力進(jìn)行驅(qū)動已經(jīng)可以算是一個全新的飛行器架構(gòu)了，在前面提出的無人機(jī)分類中應(yīng)歸為無人機(jī)飛行系統(tǒng)，在此不予討論。

　　2.1.2通信控制半徑較近

　　無人機(jī)依靠微波傳輸進(jìn)行視距無線通信，而由于地球是球形的，凸起的地球表面會擋住視線，從而影響視距通信，視距通信理論中理想的最遠(yuǎn)通信距離為d0=3.57(姨h1+姨h2),其中d0為視距距離，h1和h2分別為收發(fā)天線的高度，而實(shí)際上，直射電波傳播所能達(dá)到的距離應(yīng)考慮到大氣的不均勻性對電波傳播軌跡的影響，求視距距離的公式應(yīng)考慮到氣象因子的影響，公式修正為d0=3.57姨k(姨h1+姨h2),其中k為氣象因子[11]。小型無人機(jī)飛行限高120m，且由于電池功率原因無法為通信天線提供較大的增益，因此在傳輸接收信號過程中存在很大的噪聲影響通信質(zhì)量,無法達(dá)到理想的通信距離,通信控制半徑一般小于10km。

　　2.2飛行模式存在安全隱患

　　目前的小型無人機(jī)依法在120m以上真實(shí)高度飛行需要AOPA資格證并申請對應(yīng)空域得到批準(zhǔn)。在AOPA的課程中，對一些緊急情況進(jìn)行了訓(xùn)練，例如在GPS失效下進(jìn)行的地面站(控制手柄)盲飛訓(xùn)練，但是這本質(zhì)上還是小型無人機(jī)在航跡規(guī)劃和飛控機(jī)程序上的智能化不足所導(dǎo)致的，目前僅有少數(shù)型號加裝了低電量應(yīng)急返航機(jī)制，與大型無人機(jī)相比，缺乏應(yīng)急降落系統(tǒng)。

　　2.3載荷搭載能力不足

　　小型無人機(jī)在載荷的搭載能力上，主要受到載荷的功率、體積和重量三方面的制約，以攝影測量為例：在進(jìn)行拍攝和數(shù)據(jù)獲取過程中，主要需要獲取拍攝圖像、拍攝時飛機(jī)的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)、拍攝時飛機(jī)的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)。在上述的這三類數(shù)據(jù)中，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，拍攝的圖像要滿足足夠的重疊度，但是由于地形起伏容易導(dǎo)致一些照片的重疊度不夠，為此應(yīng)當(dāng)根據(jù)無線電測距(雷達(dá)高度)進(jìn)行飛行，但實(shí)際上無論是在飛控機(jī)程序還是飛行器平臺本身的設(shè)計(jì)中都沒有搭載對地?zé)o線電測距的設(shè)備，因此為了滿足獲取影像重疊度要求，應(yīng)額外搭載無線電測距載荷;飛機(jī)的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)主要來源于IMU，由于積分算法的發(fā)散誤差會隨著時間進(jìn)行累加，需要定時的進(jìn)行誤差修正[12]。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，對INS誤差修正的最好方式是通過垂直陀螺設(shè)備，為了獲得較為精確的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)額外搭載垂直陀螺載荷[13]。但無論是無線電測距設(shè)備還是垂直陀螺儀，都受限于電池功率、飛行器體積以及起飛重量而無法搭載。

　　3基于大型無人機(jī)飛行經(jīng)驗(yàn)的小型無人機(jī)測繪系統(tǒng)的改進(jìn)

　　3.1針對由于通信范圍限制導(dǎo)致的作業(yè)區(qū)域問題，引入無人機(jī)副地面站大型無人機(jī)在設(shè)計(jì)之初，其目的主要是搭載光電載荷進(jìn)行偵查任務(wù)，而往往需要偵查的區(qū)域距離起飛區(qū)域比較遠(yuǎn)，超出視距通信距離(7000m飛行高度的視距通信距離約為230-250km，而中大型無人機(jī)巡航速度平均為160-180km/h)，當(dāng)時衛(wèi)星通信應(yīng)用無人機(jī)相關(guān)技術(shù)并不成熟，于是出現(xiàn)了前端地面數(shù)據(jù)終端的(FrontGroundDataTerminal簡稱FGDT)概念，該系統(tǒng)將無人機(jī)地面站分為指揮站和地面數(shù)據(jù)終端兩部分，通過光纖進(jìn)行連接，使指揮站可以選擇和任意一個地面數(shù)據(jù)終端進(jìn)行通信從而通過該地面控制終端的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備來對無人機(jī)進(jìn)行控制，前端地面數(shù)據(jù)終端的出現(xiàn)延長了無人機(jī)的視距通信距離。

　　對于小型無人機(jī)來說，通信控制終端的設(shè)計(jì)一般都是集成在一起便于攜帶且對于地面終端要求僅限于正常穩(wěn)定工作，因此降低了無人機(jī)副站的布設(shè)要求。而且小型無人機(jī)在進(jìn)行飛行作業(yè)時，由于飛行通信和載荷系統(tǒng)相互獨(dú)立，所采集的數(shù)據(jù)均儲存于載荷之中無需實(shí)時下傳，因此借鑒并簡化大型無人機(jī)副地面站的結(jié)構(gòu)，使用增益較小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡的數(shù)據(jù)鏈設(shè)備進(jìn)行搭建。

　　小型無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)下傳數(shù)據(jù)并不包含載荷信息，因此可以取消該系統(tǒng)的圖形工作站部分。該結(jié)構(gòu)為無人機(jī)地面控制站的最簡結(jié)構(gòu)，由于飛行高度較低地面站天線增益無需太高因而使用全向天線即可，按照該結(jié)構(gòu)搭建好無人機(jī)副地面后，可根據(jù)不同的無人機(jī)類型以及不同大小區(qū)域的測區(qū)來進(jìn)行地面選址。

　　其中虛線區(qū)域?yàn)槿蝿?wù)測區(qū)，里面為任務(wù)區(qū)域的航帶，其中兩個地面站的視距通信范圍必須有至少15%的重合用于接力。而對于小型無人機(jī)來說，副地面站的引入不僅可以增加通信控制范圍，而且允許無人機(jī)一條一條航帶進(jìn)行單向飛行，到達(dá)另一端后進(jìn)行充電，這樣也同時解決了電池功率導(dǎo)致的航時不足的問題，為后面增加飛行參數(shù)量算設(shè)備和載荷前端設(shè)備提供了條件。

　　3.2針對飛行安全的需求提升和數(shù)據(jù)黑洞，引入雷達(dá)高度計(jì)設(shè)備

　　相比于氣壓高度和GPS高度，雷達(dá)高度是最能夠直觀反映當(dāng)前飛行器對地高度的量算設(shè)備，在大型無人機(jī)的飛行作業(yè)中，無論是起飛降落還是在任務(wù)區(qū)域中按照要求進(jìn)行衛(wèi)星通信的超低空飛行，均使用雷達(dá)高度作為參考依據(jù)，而在應(yīng)用于小型無人機(jī)的高精度雷達(dá)設(shè)備的研究中，已經(jīng)有測距50m以內(nèi)的較為成熟的研究(小型無人機(jī)最大飛行高度120m)，滿足使用需求[14]。在小型無人機(jī)上安裝雷達(dá)高度是基于非本場的應(yīng)急降落的安全和避免數(shù)據(jù)黑洞兩個方面的原因。

　　3.2.1應(yīng)急降落

　　大型無人機(jī)在進(jìn)行降落時，有時會由于距離地面站較近而導(dǎo)致主鏈路天線跟蹤失效，此時會為了保證飛行降落安全，切換備用鏈路來上傳接收實(shí)時的飛行信息來保證飛機(jī)的降落安全，此時飛行操作人員在操作降落時不一定會有清晰的圖像作為參考，主要依靠對實(shí)時飛行數(shù)據(jù)信息的解讀和調(diào)整，而對于小型無人機(jī)來說，進(jìn)行應(yīng)急降落需要考慮的主要是降落區(qū)域選擇以及之后的安全降落，在選定降落區(qū)域之后，可以根據(jù)雷達(dá)高度提供的信息，慢慢調(diào)整到合適的降落速度，最后在可能由于飛行高度過低導(dǎo)致的通信丟失的情況下進(jìn)行安全降落。

　　3.2.2避免數(shù)據(jù)黑洞

　　為了滿足測圖的需求，在同一條航線上，相鄰相片需要有一定范圍的影像重疊(即航向重疊)，相鄰航線也應(yīng)有足夠的影像重疊(即旁向重疊)[15]。大型無人機(jī)在自主飛行模式過程中(一般在切入任務(wù)航跡之后)默認(rèn)按照設(shè)定航跡點(diǎn)根據(jù)氣壓高度進(jìn)行飛行，雖然可以手動在切入任務(wù)航跡之前改為按照GPS高度進(jìn)行飛行，但由于飛機(jī)的自主返航機(jī)制設(shè)定在幾分鐘內(nèi)收不到上行數(shù)據(jù)幀(沒有控制信號會發(fā)只有幀頭幀尾中間都是0的空幀)就自動切入自主返航模式，這會直接切出任務(wù)航跡并且默認(rèn)按照返航航跡的氣壓高度進(jìn)行飛行，無論是航跡的改編還是坐標(biāo)高度的改編都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的無效化。

　　而小型無人機(jī)在作業(yè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行飛行時，一般會按照預(yù)先規(guī)劃好的航跡按照固定的高度進(jìn)行飛行和數(shù)據(jù)采集，不會根據(jù)地形起伏即時調(diào)整飛行高度。當(dāng)?shù)匦纹鸱�較大時為了保證相片的立體量測和拼接需要增大重疊度，但由于實(shí)際飛行中沒有實(shí)時調(diào)整飛行高度，不僅會降低重疊度，還會由于遮擋和陰影造成數(shù)據(jù)缺失，最終造成解析失敗形成數(shù)據(jù)黑洞。

　　小型無人機(jī)不適用于地形較為復(fù)雜的測區(qū)，飛行高度也較低，但由建筑物起伏可能造成的重疊度下降和數(shù)據(jù)缺失仍應(yīng)當(dāng)重視。由于小型無人機(jī)飛行和載荷系統(tǒng)獨(dú)立，雷達(dá)高度無法直接作用于飛行系統(tǒng)而是提供參數(shù)支持，因此可以在飛行前根據(jù)像幅尺寸、比例尺、預(yù)期的重疊度的參數(shù)計(jì)算出合適的飛行高度范圍，在實(shí)際飛行中，根據(jù)雷達(dá)高度提供的無線電高度數(shù)據(jù)(對地高度非絕對高度)來實(shí)時調(diào)整飛行高度避免在解算中出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的狀況。

　　3.3針對缺少用于輔助解算的姿態(tài)元素，增加載荷前端裝置

　　大型無人機(jī)會為所搭載的載荷預(yù)留固定的電源及數(shù)據(jù)接口。在飛行過程中，為了保證飛機(jī)的安全，飛行信息(包含攝影測量在進(jìn)行POS輔助空中三角測量中使用的DPS/IMU提供的空間坐標(biāo)和角元素信息)與載荷下行數(shù)據(jù)傳輸是互相獨(dú)立的(飛行信息和載荷數(shù)據(jù)組幀從主鏈路傳輸，飛行信息單獨(dú)從備用鏈路進(jìn)行傳輸)，因此攝影測量中從光電載荷的下行信息數(shù)據(jù)中只能獲區(qū)DPGS信息，缺少飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)。

　　而飛控機(jī)使用的是內(nèi)部時間，即從上電開始進(jìn)行計(jì)時，所以無法從飛行結(jié)束后的鏈路數(shù)據(jù)信息中解算出每個相片拍攝時準(zhǔn)確的飛行姿態(tài)信息。小型無人機(jī)的飛行系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)相互獨(dú)立，攝影測量的載荷數(shù)據(jù)存儲于載荷內(nèi)部無需實(shí)時下傳，因此可以增加一個接收相機(jī)控制信號來獲取當(dāng)前飛行姿態(tài)并擁有獨(dú)立通信能力的載荷前端模塊。

　　4結(jié)論

　　本文對于應(yīng)用于測繪作業(yè)中的無人機(jī)飛行平臺進(jìn)行了重新分類，并以攝影測量作業(yè)為例，分析了小型無人機(jī)飛行系統(tǒng)在該領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問題，結(jié)合大型無人機(jī)飛行系統(tǒng)相關(guān)的飛行經(jīng)驗(yàn)，提出了改進(jìn)方案，以增加作業(yè)范圍、提高安全性能和提高數(shù)據(jù)解算精度。

　　其中，以最簡結(jié)構(gòu)構(gòu)建無人機(jī)副地面站，滿足同一片區(qū)域長時間反復(fù)的測繪需求;為載荷增加前端裝置，一方面能夠保證相機(jī)控制電路對于相機(jī)的曝光的控制，另一方面同時傳至IMU的控制信號可以獲取即時的飛行姿態(tài)，通過RS485串口傳至DTU設(shè)備最后通過無線通信或LTE模塊傳送到指定的服務(wù)器端口上。引入雷達(dá)高度計(jì)，不僅可以在為緊急情況下輔助人工降落提供輔助參數(shù)從而增加安全系數(shù);也可以通過在飛行中對該參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控控制對地飛行高度來保證影響重疊度，避免數(shù)據(jù)缺失。

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　　作者：王文昭劉朋飛

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