周衛(wèi)鋒

【摘 要】隨著機(jī)器人技術(shù)以及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)航空技術(shù)結(jié)合這兩者衍生的現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)同樣也在產(chǎn)生飛躍，國(guó)內(nèi)的無人機(jī)市場(chǎng)將進(jìn)入高速發(fā)展階段，擁有新技術(shù)的無人機(jī)產(chǎn)品層出不窮。需要什么樣的無人機(jī)？成為困擾想要借助無人機(jī)開展測(cè)繪應(yīng)用者的首要問題。筆者作為測(cè)繪應(yīng)用無人機(jī)從業(yè)人員，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，輔以實(shí)例為讀者剖析無人機(jī)選擇的關(guān)鍵點(diǎn)供讀者參考。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);智能飛行機(jī)器人;測(cè)繪

中圖分類號(hào)： P217;P231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）14-0019-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.009

【Abstract】With the rapid development of robot technology and communication network technology，the modern UAV technology derived from the combination of traditional aviation technology is also making a leap.The domestic UAV market will enter a stage of rapid development，and the UAV products with new technologies emerge in an endless stream.What kind of drones are needed？It has become a primary problem for those who want to carry out surveying and mapping with the help of drones.As a practitioner of surveying and mapping application UAV，the author analyzes the key points of UAV selection for readers' reference from the perspective of practical application supplemented by examples.

【Key words】UAV;intelligent robots; surveying and mapping

0 引言

利用無線電遙控設(shè)備和自動(dòng)駕駛儀，由遙測(cè)站人員對(duì)其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測(cè)和數(shù)字傳輸，通過無線電遙控或自動(dòng)控制程序，手拋、滑跑、彈射或借助推火箭升空的無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”。

近10年，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般迅猛發(fā)展。據(jù)媒體報(bào)道，截至2018年，國(guó)內(nèi)無人機(jī)廠家已超過400余家，其民用產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了包括科學(xué)探測(cè)、應(yīng)急保障、農(nóng)業(yè)植保、治安管理、通信中繼等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

如何在繁多的產(chǎn)品中找到一款適合開展航測(cè)的無人機(jī)，成為困擾即將進(jìn)入無人機(jī)測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用者的首要問題。筆者將從傳統(tǒng)航空技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用著手，輔以案例加以分析，總結(jié)微型電動(dòng)無人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，供讀者參考。

1 傳統(tǒng)航空技術(shù)

1.1 無人機(jī)分類

在對(duì)無人機(jī)分類之前，我們先要對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)加以說明。無人機(jī)系統(tǒng)（UAS：Unmanned Aircraft System），也稱無人駕駛航空器系統(tǒng)（RPAS：Remotely Piloted Aircraft Systems），是指由飛行器、對(duì)應(yīng)的遙控遙測(cè)站、配套的指令和數(shù)據(jù)鏈路以及批準(zhǔn)的型號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)定的任何其他部件組成的系統(tǒng)。所以，我們一般所說的無人機(jī)實(shí)際上指的是無人機(jī)系統(tǒng)，其組成如下圖：

根據(jù)《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》，無人機(jī)分為國(guó)家無人機(jī)和民用無人機(jī)。民用無人機(jī)：用于民用航空活動(dòng)的無人機(jī);國(guó)家無人機(jī)：用于民用航空活動(dòng)之外的無人機(jī)，包括用于執(zhí)行軍事、海關(guān)、警察等飛行任務(wù)的無人機(jī)。根據(jù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小，民用無人機(jī)分為微型、輕型、小型、中型、大型。其中：

微型無人機(jī)：空機(jī)重量<0.25kg;

輕型無人機(jī)：空機(jī)重量≤4kg，最大起飛重量≤7kg，最大飛行速度不超過100km/h，具備符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被監(jiān)視能力的遙控駕駛航空器，但不包括微型無人機(jī);

小型無人機(jī)：空機(jī)重量≤15kg或者最大起飛重量≤25kg的無人機(jī)，但不包括微型、輕型無人機(jī);

中型無人機(jī)：25千克<最大起飛重量≤150千克，且空機(jī)重量>15kg的無人機(jī);

大型無人機(jī)，最大起飛重量>150kg的無人機(jī)。

此外，無人機(jī)還可以根據(jù)任務(wù)半徑分類：超近程無人機(jī)（15km以內(nèi)）、近程無人機(jī)（15-50km之間）、短程無人機(jī)（50-200km之間）、中程無人機(jī)（200-800km之間）、遠(yuǎn)程無人機(jī)（大于800km）;根據(jù)任務(wù)高度分類：超低空無人機(jī)（0-100m）、低空無人機(jī)（100-1000m）、中空無人機(jī)（1000-7000m）、高空無人機(jī)（7000-18000m）、超高空無人機(jī)（大于18000m）;根據(jù)飛行平臺(tái)的構(gòu)型劃分：固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、垂直起落無人機(jī)、無人飛艇、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)等。最后，無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)還各有不同，民用無人機(jī)主要采用汽油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種。

無人機(jī)應(yīng)用的開展，首先要考慮的是社會(huì)因素，就是在國(guó)家法律法規(guī)允許的情況下開展作業(yè)?？v觀《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》中，針對(duì)無人機(jī)飛行空域和飛行運(yùn)行的內(nèi)容只涉及到微型和輕型無人機(jī)，并沒有對(duì)小型及更大重量的無人機(jī)進(jìn)行規(guī)定，那么表明，目前，國(guó)家在非應(yīng)急狀態(tài)下只開放了微型和輕型無人機(jī)這兩種無人機(jī)的空域申請(qǐng)和飛行運(yùn)行。再之，國(guó)家加強(qiáng)了對(duì)汽油等易燃易爆物品的管理;根據(jù)公安部《關(guān)于迅速采取超常措施建立完善嚴(yán)控嚴(yán)查散裝購(gòu)、銷汽油制度的通知》的規(guī)定，使用汽油作為無人機(jī)動(dòng)力會(huì)提高管理維護(hù)成本。綜合以上因素，輕型電動(dòng)無人機(jī)是測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)用的首選。

1.1.1 固定翼無人機(jī)

固定翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、航程遠(yuǎn)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、飛行速度快、飛行高度高、效率高等特點(diǎn)，一般包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、起落裝置等部分組成。輕型無人機(jī)平臺(tái)通常設(shè)計(jì)為可拆卸的模塊化機(jī)體，既方便攜帶，又能夠在短時(shí)間內(nèi)完成組裝、調(diào)試和起飛。常用于偵查監(jiān)視、測(cè)繪等需要長(zhǎng)距離、長(zhǎng)續(xù)航的拍攝情況，而采用上單翼布局的固定翼無人機(jī)更是具備干擾阻力小和很好的向下視野，是航測(cè)應(yīng)用的首選平臺(tái)。

目前能開展測(cè)繪應(yīng)用的輕型固定翼無人機(jī)，其材質(zhì)大致可分為兩類：碳纖維復(fù)合材料和EPO。碳纖維復(fù)合材料被認(rèn)為是解決減輕無人機(jī)質(zhì)量難題的最佳選擇，它具有比強(qiáng)度和比剛度大，它的應(yīng)用對(duì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化、小型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)還具有抗疲勞、耐熱性和防鹽霧侵蝕的特性，可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用，降低使用維護(hù)的壽命周期成本。

EPO是一種塑料泡沫，由聚烯烴和乙烯基芳族單體互聚物樹脂顆粒發(fā)泡而成。它具有很強(qiáng)的材料韌性，抗剪切力、抗壓強(qiáng)度大，具有出色的抗沖擊性，特別是其多次跌落沖擊性能表現(xiàn)優(yōu)秀，在沖擊后不會(huì)碎裂和產(chǎn)生碎屑，還具備易于模制成型各種復(fù)雜形狀，加工性優(yōu)越的特點(diǎn)。

采用這兩種材料的固定翼無人機(jī)各有所長(zhǎng)，也同時(shí)有著明顯的短板，下面用案例為大家介紹其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

由碳纖維復(fù)合材料+芳綸紙基蜂窩復(fù)合材料制作的某國(guó)產(chǎn)無人機(jī)，參數(shù)為：翼展2.5m，機(jī)長(zhǎng)1.6m，起飛重量4.5kg，巡航速度60km/h，最大作業(yè)時(shí)間90min，實(shí)用升限海拔5000m，抗風(fēng)能力5級(jí)，作業(yè)半徑15km，起降方式為手?jǐn)S/滑降、手?jǐn)S/撞網(wǎng)。

任務(wù)載荷分為視頻模塊和照相模塊。視頻模塊集成高清數(shù)碼攝像機(jī)，配備雙軸陀螺增穩(wěn)指令云臺(tái)，具備實(shí)時(shí)控制、數(shù)碼變焦、實(shí)時(shí)視頻回傳等功能。

照相模塊集成數(shù)碼微單相機(jī)，配備滾轉(zhuǎn)軸陀螺增穩(wěn)云臺(tái)，相機(jī)通過云臺(tái)改變傾角實(shí)現(xiàn)正射影像和傾斜影像獲取，照相模塊還可以選擇配備紅外相機(jī)，具備多元化的數(shù)據(jù)獲取能力。

由EPO為主要材質(zhì)制作的某國(guó)產(chǎn)無人機(jī)，其參數(shù)為：翼展1.9m，機(jī)長(zhǎng)1.07m，起飛重量3.7kg，巡航速度60km/h，最大作業(yè)時(shí)間80min，實(shí)用升限海拔5000m，抗風(fēng)能力5級(jí)，作業(yè)半徑10km，起降方式為手?jǐn)S起飛/滑降、傘降。任務(wù)載荷同樣為模塊化設(shè)計(jì)，提供視頻模塊、紅外視頻模塊、正射模塊、四拼傾斜模塊和紅外模塊。視頻模塊和紅外視頻模塊配備了單軸增穩(wěn)云臺(tái)，具備實(shí)時(shí)控制、數(shù)碼變焦、實(shí)時(shí)視頻回傳等功能。其余照相模塊沒有配備云臺(tái)，全部為固定模式，保持固定傾角進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

碳纖維固定翼無人機(jī)由于其優(yōu)異的比強(qiáng)度比剛度，能夠預(yù)留更多的載荷安裝增穩(wěn)云臺(tái)，還能夠確保機(jī)身強(qiáng)度，保證飛行安全。這使得數(shù)據(jù)采集方式更為靈活，獲取的數(shù)據(jù)成果質(zhì)量較高。而EPO泡沫塑料材質(zhì)由于其韌性好、耐多次沖擊性能優(yōu)秀，可以為其配備降落傘，實(shí)施傘降作業(yè)，極大降低了無人機(jī)對(duì)飛行場(chǎng)地要求，筆者的三人雙機(jī)飛行小組在飛行條件適宜的情況下，能夠保證18架次/天的正射影像數(shù)據(jù)采集作業(yè)量。極大提高了生產(chǎn)效率。

從實(shí)際作業(yè)中我們歸納出這兩種材質(zhì)固定翼無人機(jī)的使用特點(diǎn)：對(duì)于數(shù)據(jù)成果質(zhì)量或精度要求較高，且作業(yè)面積小的測(cè)繪應(yīng)急項(xiàng)目來說，使用碳纖維復(fù)合材質(zhì)的固定翼無人機(jī)實(shí)施作業(yè)，能夠取得更好的效果;如果項(xiàng)目所需成果范圍過大，那么，出于項(xiàng)目運(yùn)行成本來考慮，采用多架EPO泡沫塑料材質(zhì)的固定翼無人機(jī)，進(jìn)行分區(qū)并行、同步實(shí)施數(shù)據(jù)采集策略，是最合適的數(shù)據(jù)獲取方式。

1.1.2 多旋翼無人機(jī)

2006年至2010年，由于多旋翼的控制算法不斷成熟，國(guó)內(nèi)民用小型無人機(jī)公司如雨后春筍般出現(xiàn)。到了2012年，某疆發(fā)布的四旋翼無人機(jī)，推出到手即飛的世界首款航拍一體機(jī)，將單純的飛行體驗(yàn)拓展至航拍體驗(yàn)，把產(chǎn)品從專業(yè)市場(chǎng)推廣至消費(fèi)市場(chǎng)并大獲成功。多旋翼甚至一度成為了無人機(jī)的標(biāo)簽，凡提無人機(jī)就是多旋翼。那么為大眾稱道的多旋翼無人機(jī)到底能做些什么，筆者下面為大家從其結(jié)構(gòu)到實(shí)際應(yīng)用來分析說明多旋翼無人機(jī)在測(cè)繪行業(yè)的應(yīng)用。

多旋翼無人機(jī)的飛行平臺(tái)一般包括機(jī)架、電機(jī)、電調(diào)、螺旋槳、起落架五部分。平臺(tái)具有三個(gè)或以上旋翼軸，旋翼的總距固定而不像一般直升機(jī)那樣可變。通過改變不同旋翼之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速改變飛行平面傾斜，實(shí)現(xiàn)控制飛行器運(yùn)行軌跡，通過旋翼轉(zhuǎn)速次序變化實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)。多旋翼具備機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠垂直起降、空中穩(wěn)定懸停的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間短。

作為行業(yè)應(yīng)用的多旋翼無人機(jī)，為增加產(chǎn)品續(xù)航能力，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，一般整機(jī)平臺(tái)都采用碳纖維復(fù)合材料。某品牌國(guó)產(chǎn)多旋翼無人機(jī)，其參數(shù)為：對(duì)稱電機(jī)軸距1000mm，起飛重量6.9kg，續(xù)航時(shí)間48min，巡航速度13.5m/s，作業(yè)半徑5km，實(shí)用升限4500m，抗風(fēng)能力5級(jí)。任務(wù)載荷為模塊化設(shè)計(jì)，提供正射影像模塊，配備雙軸云臺(tái)（俯仰軸+滾轉(zhuǎn)軸）系統(tǒng);五拼傾斜模塊，配備雙軸云臺(tái)（俯仰軸+滾轉(zhuǎn)軸）系統(tǒng);LiDAR（激光雷達(dá)）模塊;配備三軸增穩(wěn)云臺(tái)的視頻模塊。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于多旋翼無人機(jī)飛行方式具備低空、低速、可懸停的特點(diǎn)，并且機(jī)體結(jié)構(gòu)適合云臺(tái)布局，可以抵近作業(yè)區(qū)在目視范圍內(nèi)作業(yè)，執(zhí)行高精度地形測(cè)繪作業(yè)，下面是傾斜、正射、點(diǎn)云的高精度數(shù)據(jù)和成果精度。

使用LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的城市三維模型白模，結(jié)合傾斜攝影測(cè)量模塊獲取同一地物的不同影像，通過iData_3D等數(shù)據(jù)處理軟件，將紋理映射到城市三維模型上，所得成果定位精度高，具備可量測(cè)性，實(shí)現(xiàn)真三維實(shí)景建模。

2 通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)包括鏈路機(jī)載數(shù)據(jù)終端和地面數(shù)據(jù)終端，上行鏈路用于地面遙控遙測(cè)站對(duì)無人機(jī)傳輸遙控指令，下行用于無人機(jī)對(duì)遙控遙測(cè)站傳輸傳感器信息及任務(wù)載荷信息。

隨著對(duì)無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的需求不斷提升，單機(jī)執(zhí)行任務(wù)很難滿足現(xiàn)實(shí)需求，應(yīng)此單站雙控乃至單站多控應(yīng)運(yùn)而生，無人機(jī)獲取的視頻、圖像的質(zhì)量越來越好，數(shù)據(jù)量越來越大，相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸就越發(fā)困難，那么還可以使用無線自組網(wǎng)技術(shù)，讓部分無人機(jī)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中繼，提升數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)帶寬、擴(kuò)大通信距離。

“互聯(lián)網(wǎng)+”在無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用也在不斷深入，結(jié)合無人機(jī)系統(tǒng)的管理和控制提供包括：飛行設(shè)備管理、飛行計(jì)劃申報(bào)、飛行態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)管、限飛區(qū)域查詢、空域評(píng)估、飛行歷史數(shù)據(jù)、政策法規(guī)查詢等功能，幫助從業(yè)人員規(guī)范作業(yè)、提升管理能力。

3 機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人（Robot），一種自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它受人類指揮，可以運(yùn)行預(yù)設(shè)程序，同時(shí)也能夠通過傳感器了解外部環(huán)境或自身狀態(tài)的變化，根據(jù)人工智能技術(shù)，做出自己的邏輯推理、判斷與決策。從以上對(duì)機(jī)器人和智能機(jī)器人的描述我們發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)系統(tǒng)就是智能飛行機(jī)器人。

導(dǎo)航飛行控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱飛控，可以認(rèn)為它是無人機(jī)的大腦，無人機(jī)收到的各種飛行指令，都是由飛控下達(dá)的。那么飛控是如何工作的呢？這是由于飛控包含了多種感知器官，來獲取外界信息。也就是說飛控通過這些傳感器反饋的各種數(shù)據(jù)能夠精準(zhǔn)的判斷無人機(jī)狀態(tài)，從而下達(dá)各種有效指令來控制無人機(jī)。傳感器一般包括：GPS：確定位置信息，目前采用DGPS來提高精度;高度傳感器：測(cè)量大氣壓，提供無人機(jī)高度信息;空速傳感器：提供與空氣的相對(duì)速度;IMU：慣性測(cè)量單元，提供無人機(jī)三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)更多功能，有些無人機(jī)上加入了更多的傳感器，例如：超聲波傳感器：短距離實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)距，幫助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起降和躲避障礙物;光流傳感器：檢測(cè)地面的狀態(tài)，從而監(jiān)測(cè)飛機(jī)的移動(dòng);主要用于保持飛機(jī)的水平位置，以及在室內(nèi)無GPS實(shí)現(xiàn)定高和定點(diǎn)飛行。

4 現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)

結(jié)合了機(jī)器人技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而產(chǎn)生的現(xiàn)代無人機(jī)技術(shù)，擁有圖像識(shí)別、信息處理一體系統(tǒng)，具備自行作業(yè)的能力;未來將進(jìn)一步向自主控制、高生存力、高可靠性、互通互聯(lián)等方向發(fā)展。

5 結(jié)束語

筆者根據(jù)自身實(shí)際作業(yè)經(jīng)歷，結(jié)合目前流行的理論總結(jié)了一些測(cè)繪類無人機(jī)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。由于目前無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)群雄并起，產(chǎn)品類型同質(zhì)化及服務(wù)同質(zhì)化目前還不明顯，讀者可根據(jù)自身發(fā)展方向和項(xiàng)目具體情況來選擇適合的智能無人機(jī)。

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