小型無人機測繪系統的問題分析及優化改進

　　摘要：無人機在測繪領域作為飛行平臺在不同的作業領域受到了廣泛的應用，但在實際應用的過程中基于不同類型的飛行平臺也彰顯了許多問題。本文重新對應用于測繪作業的無人機平臺進行了分類，分析了測繪過程中小型無人機系統存在的問題，借鑒大型無人機在相同領域的系統優勢和飛行經驗，結合小型無人機飛行平臺與載荷系統相互獨立的特性，從飛行平臺和載荷系統兩個方面提出優化方式。

　　關鍵詞：無人機;攝影測量;系統分析;優化改進

　　在測繪作業中，無人機作為飛行平臺搭載遙感載荷因具有機動快速的響應能力、低使用成本、高分辨率圖像和高精度定位數據獲取能力等特點,適用于低空遙感數據的快速獲取。基于不同的作業區域及所需的數據類型，一般會選擇使用消費級無人機搭載相關載荷進行數據采集或購買大型無人機公司提供的數據獲取服務。這兩種飛行平臺，在實際的數據采集過程中都有自己的優勢，可也會因為飛行平臺本身的原因影響數據質量(例如數據缺失或者無法提供后期提高數據解算精度所需要的飛行信息數據等)。

　　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用于攝影測量[1-4]但飛行平臺和載荷系統幾乎完全獨立;而后者受限于飛行空域管制和成本原因難以普及但系統較為完備成熟,常用于大面積的作業區域或應急測繪[5-6]。本文分析了測繪過程中小型無人機出現的問題，借鑒大型無人機在相同領域的系統優勢和飛行經驗，結合小型無人機飛行平臺與載荷系統相互獨立的特性，從飛行平臺和載荷系統兩個方面提出優化方式。

　　無人機論文范例： 無人機在環境監測領域中的應用優勢分析

　　1測繪作業中無人機的重分類

　　區別于專業的飛行團隊，在使用無人機作為測繪作業中低空遙感數據采集的飛行平臺時，是基于作業區域和所需要的數據類型來對飛行平臺進行選擇而非通過固定的飛行平臺來完成任務，因此對于從事測繪作業的無人機的分類，不應以空機重量、最大起飛重量、最大巡航速度等傳統分類參數[7]進行區分，而是以是否為完整的系統、最大航程、飛行高度、續航時間等來進行分類。本文以無人機飛行平臺是否需要專業的飛行維護團隊為基礎，將測繪無人機劃分為為無人機飛行系統簡稱大型無人機)和飛行器(后文簡稱小型無人機)兩大類。

　　1.1無人機飛行系統

　　無人機飛行系統分類包含大型固定翼無人機及垂直起降固定翼無人機[8]，其特點是內部系統為獨立完整，包含飛行控制系統(能進行較為精確的飛行控制)、動力系統(一般以汽油發動機作為動力來源)、電氣系統(包含載荷系統，一般提供固定格式的電源和數據接口)、通信系統、結構系統等，此分類中可以根據使用的航空發動機的不同、是否需要起降場地、通信波段等進行再分類(前兩者涉及空域管制，后者涉及無線電管制)。

　　1.2無人機飛行器

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

　　2測繪過程中小型無人機系統的問題分析

　　2.1作業區域較小

　　2.1.1續航時間有限

　　小型無人機在搭載測繪作業載荷和RTK系統設備后在純電池驅動下航時一般不超過60分鐘，無法滿足數據獲取的需求。在僅以增加續航時間為目的的前提下，出現了加裝汽油發電機和油電混合動力兩種類型[9-10]。加裝汽油發電機雖提升了續航時間，但是加裝的發電機變相的減少了可搭載載荷的質量，而且并沒有增加供電的輸出功率，沒有解決小型無人機在測繪過程中的系統問題;油電混合動力兩種類型采用油電混合動力進行驅動已經可以算是一個全新的飛行器架構了，在前面提出的無人機分類中應歸為無人機飛行系統，在此不予討論。

　　2.1.2通信控制半徑較近

　　無人機依靠微波傳輸進行視距無線通信，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分別為收發天線的高度，而實際上，直射電波傳播所能達到的距離應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量,無法達到理想的通信距離,通信控制半徑一般小于10km。

　　2.2飛行模式存在安全隱患

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

　　2.3載荷搭載能力不足

　　小型無人機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：在進行拍攝和數據獲取過程中，主要需要獲取拍攝圖像、拍攝時飛機的GPS坐標數據、拍攝時飛機的飛行姿態數據。在上述的這三類數據中，為了進行數據處理，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致一些照片的重疊度不夠，為此應當根據無線電測距(雷達高度)進行飛行，但實際上無論是在飛控機程序還是飛行器平臺本身的設計中都沒有搭載對地無線電測距的設備，因此為了滿足獲取影像重疊度要求，應額外搭載無線電測距載荷;飛機的飛行姿態數據主要來源于IMU，由于積分算法的發散誤差會隨著時間進行累加，需要定時的進行誤差修正[12]。

　　在實際應用中，對INS誤差修正的最好方式是通過垂直陀螺設備，為了獲得較為精確的飛行姿態數據，應額外搭載垂直陀螺載荷[13]。但無論是無線電測距設備還是垂直陀螺儀，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基于大型無人機飛行經驗的小型無人機測繪系統的改進

　　3.1針對由于通信范圍限制導致的作業區域問題，引入無人機副地面站大型無人機在設計之初，其目的主要是搭載光電載荷進行偵查任務，而往往需要偵查的區域距離起飛區域比較遠，超出視距通信距離(7000m飛行高度的視距通信距離約為230-250km，而中大型無人機巡航速度平均為160-180km/h)，當時衛星通信應用無人機相關技術并不成熟，于是出現了前端地面數據終端的(FrontGroundDataTerminal簡稱FGDT)概念，該系統將無人機地面站分為指揮站和地面數據終端兩部分，通過光纖進行連接，使指揮站可以選擇和任意一個地面數據終端進行通信從而通過該地面控制終端的數據鏈設備來對無人機進行控制，前端地面數據終端的出現延長了無人機的視距通信距離。

　　對于小型無人機來說，通信控制終端的設計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定工作，因此降低了無人機副站的布設要求。而且小型無人機在進行飛行作業時，由于飛行通信和載荷系統相互獨立，所采集的數據均儲存于載荷之中無需實時下傳，因此借鑒并簡化大型無人機副地面站的結構，使用增益較小，系統結構最簡的數據鏈設備進行搭建。

　　小型無人機系統數據鏈系統下傳數據并不包含載荷信息，因此可以取消該系統的圖形工作站部分。該結構為無人機地面控制站的最簡結構，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，按照該結構搭建好無人機副地面后，可根據不同的無人機類型以及不同大小區域的測區來進行地面選址。

　　其中虛線區域為任務測區，里面為任務區域的航帶，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，而且允許無人機一條一條航帶進行單向飛行，到達另一端后進行充電，這樣也同時解決了電池功率導致的航時不足的問題，為后面增加飛行參數量算設備和載荷前端設備提供了條件。

　　3.2針對飛行安全的需求提升和數據黑洞，引入雷達高度計設備

　　相比于氣壓高度和GPS高度，雷達高度是最能夠直觀反映當前飛行器對地高度的量算設備，在大型無人機的飛行作業中，無論是起飛降落還是在任務區域中按照要求進行衛星通信的超低空飛行，均使用雷達高度作為參考依據，而在應用于小型無人機的高精度雷達設備的研究中，已經有測距50m以內的較為成熟的研究(小型無人機最大飛行高度120m)，滿足使用需求[14]。在小型無人機上安裝雷達高度是基于非本場的應急降落的安全和避免數據黑洞兩個方面的原因。

　　3.2.1應急降落

　　大型無人機在進行降落時，有時會由于距離地面站較近而導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時的飛行信息來保證飛機的降落安全，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，主要依靠對實時飛行數據信息的解讀和調整，而對于小型無人機來說，進行應急降落需要考慮的主要是降落區域選擇以及之后的安全降落，在選定降落區域之后，可以根據雷達高度提供的信息，慢慢調整到合適的降落速度，最后在可能由于飛行高度過低導致的通信丟失的情況下進行安全降落。

　　3.2.2避免數據黑洞

　　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)，相鄰航線也應有足夠的影像重疊(即旁向重疊)[15]。大型無人機在自主飛行模式過程中(一般在切入任務航跡之后)默認按照設定航跡點根據氣壓高度進行飛行，雖然可以手動在切入任務航跡之前改為按照GPS高度進行飛行，但由于飛機的自主返航機制設定在幾分鐘內收不到上行數據幀(沒有控制信號會發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，這會直接切出任務航跡并且默認按照返航航跡的氣壓高度進行飛行，無論是航跡的改編還是坐標高度的改編都會導致數據的無效化。

　　而小型無人機在作業區域內進行飛行時，一般會按照預先規劃好的航跡按照固定的高度進行飛行和數據采集，不會根據地形起伏即時調整飛行高度。當地形起伏較大時為了保證相片的立體量測和拼接需要增大重疊度，但由于實際飛行中沒有實時調整飛行高度，不僅會降低重疊度，還會由于遮擋和陰影造成數據缺失，最終造成解析失敗形成數據黑洞。

　　小型無人機不適用于地形較為復雜的測區，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據缺失仍應當重視。由于小型無人機飛行和載荷系統獨立，雷達高度無法直接作用于飛行系統而是提供參數支持，因此可以在飛行前根據像幅尺寸、比例尺、預期的重疊度的參數計算出合適的飛行高度范圍，在實際飛行中，根據雷達高度提供的無線電高度數據(對地高度非絕對高度)來實時調整飛行高度避免在解算中出現數據缺失的狀況。

　　3.3針對缺少用于輔助解算的姿態元素，增加載荷前端裝置

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

　　而飛控機使用的是內部時間，即從上電開始進行計時，所以無法從飛行結束后的鏈路數據信息中解算出每個相片拍攝時準確的飛行姿態信息。小型無人機的飛行系統和載荷系統相互獨立，攝影測量的載荷數據存儲于載荷內部無需實時下傳，因此可以增加一個接收相機控制信號來獲取當前飛行姿態并擁有獨立通信能力的載荷前端模塊。

　　4結論

　　本文對于應用于測繪作業中的無人機飛行平臺進行了重新分類，并以攝影測量作業為例，分析了小型無人機飛行系統在該領域應用中存在的問題，結合大型無人機飛行系統相關的飛行經驗，提出了改進方案，以增加作業范圍、提高安全性能和提高數據解算精度。

　　其中，以最簡結構構建無人機副地面站，滿足同一片區域長時間反復的測繪需求;為載荷增加前端裝置，一方面能夠保證相機控制電路對于相機的曝光的控制，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，通過RS485串口傳至DTU設備最后通過無線通信或LTE模塊傳送到指定的服務器端口上。引入雷達高度計，不僅可以在為緊急情況下輔助人工降落提供輔助參數從而增加安全系數;也可以通過在飛行中對該參數的實時監控控制對地飛行高度來保證影響重疊度，避免數據缺失。

　　參考文獻

　　[1]許承權,黃小琴,施政.消費級無人機傾斜攝影測量1∶500測圖方法及精度研究[J].測繪地理信息,2020,45(01):117-120.

　　[2]魏國忠.農村區域房地一體化高精度測繪方法研究[J].測繪科學,2020,45(02):98-103.

　　[3]劉宜灼.采用無人機傾斜攝影方法實現高精度測繪的應用研究[J].測繪與空間地理信息,2019,42(10):222-224+228+232.

　　[4]徐思奇,黃先鋒,張帆,雍小龍,夏志敏,王濤.傾斜攝影測量技術在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].測繪通報,2018(02):111-115.

　　[5]周興霞,黃青倫,武昊.四川中航時固定翼無人機航空應急測繪系統總體技術設計與集成驗證[J].測繪,2019,42(03):105-108.

　　[6]蔣汪洋,劉加生,吳薇.長航時固定翼無人機在黑龍江省應急測繪保障任務中的應用[J].測繪與空間地理信息,2020,43(S1):187-189+193.

　　作者：王文昭劉朋飛

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