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        無人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

        2016-02-09 11:25:54郭琪童慶祥
        廣東氣象 2016年6期
        關(guān)鍵詞:載具航拍高清

        郭琪,童慶祥

        (陽春市氣象局,廣東陽春 529600)

        無人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

        郭琪,童慶祥

        (陽春市氣象局,廣東陽春 529600)

        簡(jiǎn)單介紹了無人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景,無人機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單易學(xué)、成本低廉,且審批手續(xù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。因此在氣象監(jiān)測(cè)中可以利用無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè),無人機(jī)正好彌補(bǔ)傳統(tǒng)氣象監(jiān)測(cè)手段的不足,以其成本低、機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)快速的特點(diǎn),為氣象監(jiān)測(cè)增加有效監(jiān)測(cè)手段。用較少的成本,將現(xiàn)有成熟的無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)和雷電災(zāi)害影像收集,是氣象監(jiān)測(cè)無人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo),要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選用合適的無人機(jī)載具。

        應(yīng)用氣象;無人機(jī);固定翼飛行器;氣象監(jiān)測(cè)

        無人駕駛飛行器簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”,是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛行器。從載具的類型可以分為多旋翼飛行器、固定翼飛行器、垂直起降飛行器、飛艇、傘翼機(jī)等。一架可執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)應(yīng)該至少包含飛行載具、地面控制系統(tǒng)、飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)(飛控)、飛行數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)和任務(wù)功能模塊系統(tǒng)等。操作員通過地面控制系統(tǒng)直接操縱飛行載具起飛降落和執(zhí)行任務(wù)功能;飛行數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)是操作員的眼睛和耳朵,機(jī)載攝像頭和麥克風(fēng)的圖像聲音信號(hào)通過圖傳發(fā)射回地面的顯示屏,操作員根據(jù)顯示屏實(shí)現(xiàn)超視距實(shí)時(shí)操縱飛行器;飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)(飛控)是無人機(jī)的大腦,通過三軸陀螺儀和GPS的反饋信號(hào)輔助控制飛行載具的自動(dòng)平衡勢(shì)態(tài)和失控自動(dòng)返航功能;根據(jù)不同的任務(wù)需要,可以掛載不同的任務(wù)功能模塊,如小型化的高清攝像機(jī)航拍氣象環(huán)境,也可以是氣溫濕度等儀器測(cè)量指定空間的溫濕度,還可以攜帶播云催化劑實(shí)現(xiàn)人工影響天氣作業(yè)[1]。

        隨著民用無人機(jī)技術(shù)的日新月異,利用現(xiàn)有成熟的無人機(jī)技術(shù),以較低成本實(shí)現(xiàn)無人機(jī)服務(wù)于氣象應(yīng)用已成為可能。利用無人機(jī)搭載小型化的氣象應(yīng)用模塊,可實(shí)現(xiàn)多樣的氣象應(yīng)用功能,如在高山阻隔、突發(fā)自然災(zāi)害等特殊環(huán)境中,常規(guī)氣象監(jiān)測(cè)手段無法實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí),如能利用航空遙控模型搭載小型化的氣象監(jiān)測(cè)儀器到達(dá)指定空域、完成常規(guī)監(jiān)測(cè)手段無法完成的任務(wù),這將是氣象監(jiān)測(cè)手段的有益補(bǔ)充[2]。

        1 無人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景

        1.1 無人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

        1)技術(shù)先進(jìn),機(jī)動(dòng)靈活。無人機(jī)是個(gè)航空的搭載平臺(tái),可以靈活搭載各種小型化的氣象監(jiān)測(cè)模塊到達(dá)指定空間進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)。相對(duì)于傳統(tǒng)的氣象監(jiān)測(cè)站,無人機(jī)搭載的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加靈活機(jī)動(dòng),適合應(yīng)對(duì)突發(fā)氣象應(yīng)急災(zāi)害事件的氣象要素監(jiān)測(cè)。無人機(jī)上的高清攝像機(jī)還能實(shí)時(shí)拍攝災(zāi)害環(huán)境現(xiàn)場(chǎng),監(jiān)測(cè)人員坐在應(yīng)急預(yù)警指揮中心就能實(shí)時(shí)監(jiān)控災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng),就像長(zhǎng)了一雙千里眼。

        2)操作簡(jiǎn)單易學(xué)。無人機(jī)首先是要操作員進(jìn)行遙控,就像汽車駕駛員一樣,要熟練掌握操控技術(shù)。但與真正的飛行員相比,無人機(jī)的操作員身體素質(zhì)不需要像飛行員那樣嚴(yán)格要求,就是十來歲的青少年都可熟練掌握無人機(jī)的操控技術(shù)。另外,無人機(jī)上還有飛行自動(dòng)控制系統(tǒng),就是“飛控”。當(dāng)操控員開啟“飛控”功能,飛控系統(tǒng)上自帶的GPS、氣壓高度計(jì)、陀螺儀等等,可以實(shí)現(xiàn)空中保持飛行狀態(tài)、飛行空間位置的記錄,還可以實(shí)現(xiàn)失控自動(dòng)沿原路徑返航的功能。所以相對(duì)于有人駕駛飛行器,無人機(jī)操作技術(shù)要簡(jiǎn)單很多。

        3)成本低。近幾年,民用無人機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn),尤其是飛控的技術(shù)發(fā)展迅猛。飛控的種類和功能越來越多,而因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)的原因,價(jià)格又越來越低。其它的相關(guān)配件,如電調(diào)、電機(jī)、舵機(jī)等等也都越來越便宜。

        1.2 無人機(jī)審批手續(xù)簡(jiǎn)單

        中國民航局于2016年1月20日發(fā)布《輕小型無人機(jī)運(yùn)行(試行)規(guī)定》,對(duì)于7 kg以下的無人機(jī)無需向空管部門申請(qǐng)空域?qū)徟绦?,不需要接入民航局的無人機(jī)云系統(tǒng),只需要在無人機(jī)機(jī)身標(biāo)注型號(hào)、編號(hào)、所有者及聯(lián)系方式即可,也不需要裝上電子圍欄,只需要提前了解禁飛區(qū)即可。這無疑要比有人飛行器的相關(guān)審批手續(xù)簡(jiǎn)單得多。

        1.3 無人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的作用

        航拍是現(xiàn)在民用無人機(jī)應(yīng)用中最成熟的技術(shù),小型運(yùn)動(dòng)高清攝像機(jī)航空拍攝到高清圖傳和麥克風(fēng)錄制的現(xiàn)場(chǎng)聲音,通過圖傳系統(tǒng)回傳給地面站操作員的監(jiān)視器上,可以及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情的實(shí)時(shí)音頻圖像資料。這是無人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中最成熟的應(yīng)用。

        無人機(jī)的另一個(gè)作用就是搭載功能,無人機(jī)雖小,但能搭載一定質(zhì)量的負(fù)荷。一些小型化的氣象要素儀器可以通過無人機(jī)送到指定空間,可以通過圖傳系統(tǒng)的回傳功能把記錄到的氣象要素?cái)?shù)據(jù)發(fā)送回地面監(jiān)視器上,也可以是氣象要素儀器自己記錄好數(shù)據(jù)后和無人機(jī)一起返回回收[2-4]。

        無人機(jī)還有操作功能,地面控制站只需要3~5個(gè)信號(hào)通道就能完成無人機(jī)飛行的各種姿態(tài)控制,多出的信號(hào)通道可以完成觸發(fā)開關(guān)的功能。這就能通過遙控觸發(fā)搭載的設(shè)備開關(guān),使其完成相應(yīng)的功能。如果無人機(jī)搭載的是播云催化劑的裝置,通過無人機(jī)送到指定空間,然后觸發(fā)開關(guān)釋放,就能實(shí)現(xiàn)人工影響天氣作業(yè)的任務(wù)。

        常規(guī)的氣象監(jiān)測(cè)手段有天基、空基、地基方式。天基有衛(wèi)星、空基有氣象飛機(jī)、地基有地面氣象站。衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)范圍很廣,但成本很高;氣象飛機(jī)可以靈活機(jī)動(dòng),但空管審批需要提前,從而失去應(yīng)急的突發(fā)性要求;地面氣象站數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,但卻不夠靈活機(jī)動(dòng)。而無人機(jī)正好彌補(bǔ)這些缺點(diǎn),以其成本低、機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)快速的特點(diǎn),可以為氣象監(jiān)測(cè)增加有效監(jiān)測(cè)手段[5-10]。

        2 初步設(shè)計(jì)氣象監(jiān)測(cè)無人機(jī)

        用較少的成本,將現(xiàn)有成熟的無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)和雷電災(zāi)害影像收集,是氣象監(jiān)測(cè)無人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行無人機(jī)設(shè)計(jì)。

        1)無人機(jī)載具的確定。

        載具要求:能夠搭載101 g的GoPro 3高清運(yùn)動(dòng)攝像機(jī);續(xù)航時(shí)間10 min以上;飛行姿態(tài)平衡性穩(wěn)定、維護(hù)方便、成本低。

        考慮各種無人機(jī)載具類型的優(yōu)缺點(diǎn)和載具要求,最終確定:采用1.4 m上單翼雙發(fā)動(dòng)機(jī)固定翼機(jī)型做載機(jī),命名為“雙發(fā)動(dòng)機(jī)微風(fēng)”機(jī)型[3]。電子系統(tǒng)使用2.4 GHz天地飛7通道遙控器,3S25C2200 mAh聚合物鋰電池供電,2個(gè)朗宇2 212~1 250 kV三相異步無刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)、1對(duì)皓業(yè)9047正反槳、2個(gè)好盈(天行者30 A)電調(diào)、4個(gè)銀燕ES08A航機(jī),如圖1連接。

        圖1 電子器件接線示意圖

        2)首次飛行試驗(yàn)及驗(yàn)收。

        2013年5月11日,陽春多云、氣溫31℃、東南風(fēng)1級(jí),試飛場(chǎng)地選在陽春市東湖公園廣場(chǎng)內(nèi)。首先做地面調(diào)試:打開天地飛7通遙控器,遙控器調(diào)到1頻道,然后接通載機(jī)電源進(jìn)行對(duì)頻操作,檢查各遙控按鍵是否正常,把各舵機(jī)微調(diào)到最佳角度,輕推油門檢查電機(jī)是否正常。一切正常后載機(jī)逆風(fēng)向進(jìn)入跑道,打開GoPro 3高清運(yùn)動(dòng)攝像機(jī),輕推油門緩緩升空,待載機(jī)爬升到安全高度后,跟據(jù)風(fēng)對(duì)載機(jī)氣動(dòng)外型的實(shí)際影響再微調(diào)個(gè)舵機(jī),使載機(jī)更好操控??罩姓{(diào)試好后把載機(jī)飛近監(jiān)測(cè)目標(biāo),調(diào)整飛行姿態(tài)使高清攝像機(jī)更好拍攝目標(biāo)地點(diǎn)。完成目標(biāo)監(jiān)測(cè)任務(wù)后,對(duì)準(zhǔn)跑道,控制高度,輕收油門,完成降落。

        通過地面拉距測(cè)試和空中實(shí)測(cè):搖控距離>800 m、留空時(shí)間12 min,初步實(shí)現(xiàn)了:“將現(xiàn)有成熟的無人機(jī)航拍技術(shù)應(yīng)用于氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)和雷電災(zāi)害影像收集”。氣象監(jiān)測(cè)圖像清晰,如圖2所示。

        圖2 雙發(fā)微風(fēng)首飛航拍圖

        隨著民用無人機(jī)技術(shù)越來越成熟,成本越來越低,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)廣泛服務(wù)于氣象應(yīng)用必將成為現(xiàn)實(shí)。

        [1]金鳳嶺,張晰瑩,張?jiān)品?,?新一代飛機(jī)人工增雨作業(yè)指揮系統(tǒng)研制與應(yīng)用[J].氣象科技,2006,34(4):470-473.

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        [8]梁慎青,石小英,梁苑苑,等.廣東省氣象信息實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J].廣東氣象,2009,31(1):57 -59.

        [9]譚鑒榮,李建勇,黃飛龍,等.新一代天氣雷達(dá)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].廣東氣象,2009,31(2):19-20.

        [10]林高斌,黎婉珊,梁釗揚(yáng).淺談羅定市人工影響天氣工作[J].廣東氣象,2013,35(SⅡ):48-49.

        P49

        A

        10.3969/j.issn.1007-6190.2016.06.015

        2016-08-20

        郭琪(1982年生),男,本科,助理工程師,主要從事雷電防御工作。E-mail:23854337@qq.com。

        郭琪,童慶祥.無人機(jī)在氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].廣東氣象,2016,38(6):64-66.

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