袁 超，胡繼勛，羅 鼎，胡 艷，連 蓉，錢 進(jìn)

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

復(fù)雜山地環(huán)境下微型無人機(jī)安全起降研究及應(yīng)用

袁 超1，胡繼勛1，羅 鼎1，胡 艷1，連 蓉1，錢 進(jìn)1

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

通過技術(shù)整合和原型機(jī)研發(fā)，解決了復(fù)雜山地環(huán)境下微型無人機(jī)起飛、降落、航跡規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，并通過多次試飛實驗驗證了研究成果的穩(wěn)定性和有效性，對山地環(huán)境下無人機(jī)在國情監(jiān)測、資源調(diào)查、災(zāi)害應(yīng)急等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有重要意義。

微型無人機(jī)；山地環(huán)境；安全起降；航攝應(yīng)用

我國山地面積約占國土面積的2/3，西南地區(qū)更是典型山地地區(qū)，山高坡陡、地形復(fù)雜。因為山區(qū)云霧多影響了高分辨率遙感衛(wèi)星影像的獲取，所以無人機(jī)遙感技術(shù)成為山區(qū)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段[1]。普通固定翼飛行器的發(fā)動機(jī)一般為汽油內(nèi)燃驅(qū)動，且飛機(jī)翼展較大，對起降場地的面積和平整度有較高要求，且油動的發(fā)動機(jī)墜毀后可能引發(fā)二次災(zāi)害，特別是在樹木較多的林區(qū)，易引發(fā)火災(zāi)。對于復(fù)雜山地環(huán)境，固定翼無人機(jī)的航攝應(yīng)用十分困難，時常出現(xiàn)失聯(lián)或墜機(jī)事故[2]。微型無人機(jī)具有質(zhì)量輕、成本低、電動續(xù)航和執(zhí)行任務(wù)靈活等特點，正逐漸成為山區(qū)高分辨率遙感影像獲取的重要手段[3]。本文從微型無人機(jī)對復(fù)雜山地環(huán)境大比例航攝任務(wù)的適應(yīng)性入手，對微型無人機(jī)在定向彈射、受控快速降落等控制系統(tǒng)優(yōu)化集成關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索，研究解決了在山區(qū)地形受限情況下無人機(jī)安全起降問題，經(jīng)多次試飛實驗，采集處理了符合精度要求的1：2 000比例尺DOM生產(chǎn)成果，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 快速發(fā)射技術(shù)

無人機(jī)的發(fā)射是指在一定的起飛場地，通過一定方式使無人機(jī)達(dá)到空中一定高度、速度的過程，該過程被認(rèn)為是無人機(jī)使用中最困難、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。無人機(jī)的發(fā)射方式眾多，如滑跑起飛、彈射起飛、手拋發(fā)射、空中投放等。本研究中微型無人機(jī)發(fā)射方式采用彈射起飛，既避免了手拋起飛方式由于動作不規(guī)范而發(fā)生操作人員受傷的危險，又解決了滑跑起飛對場地平整度過高的限制。微型無人機(jī)彈射起飛可獲較大的加速度，節(jié)省了上升過程30%左右的電池耗電量[4]。本研究優(yōu)化設(shè)計了無人機(jī)彈射架系統(tǒng)，彈射架外框采用航空鋁合金材質(zhì)，強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，內(nèi)部纏繞伸縮性很強(qiáng)的橡皮筋，彈射架起飛仰角可靈活調(diào)整；并改造了無人機(jī)機(jī)翼與彈射架快速鎖緊裝置。同時，機(jī)載飛行控制器經(jīng)過一系列優(yōu)化，免去起飛前傳感器校準(zhǔn)繁瑣步驟，減少了外業(yè)工作人員發(fā)射前的準(zhǔn)備工作環(huán)節(jié)，到達(dá)起飛現(xiàn)場后可在3 min內(nèi)快速完成發(fā)射起飛。

1.2 安全降落技術(shù)

無人機(jī)最常見的降落方式有著陸滑跑、迫降回收、撞網(wǎng)回收和傘降回收等。綜合場地要求、操作難度和安全性等因素，傘降回收是微型無人機(jī)降落的最適合方式[5]。本研究設(shè)計了一套適合復(fù)雜山地環(huán)境的無人機(jī)降落程序——尾旋失速下降的改進(jìn)傘降方式。當(dāng)無人機(jī)處于尾旋失速狀態(tài)時，因升力不夠可使無人機(jī)在小半徑內(nèi)快速盤旋下降。為防止下降速度太快而墜毀，到達(dá)預(yù)設(shè)高度后，快速解除尾旋，同時打開無人機(jī)傘倉，讓傘衣快速充氣迫使無人機(jī)平穩(wěn)降落到指定區(qū)域。

2 微型無人機(jī)總體設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 技術(shù)路線

微型無人機(jī)總體設(shè)計采用“理論論證-模型設(shè)計-程序優(yōu)化-典型應(yīng)用”的技術(shù)路線圖。①開展復(fù)雜山地環(huán)境下的多類型輕型無人機(jī)航攝系統(tǒng)適應(yīng)性理論研究，然后依據(jù)功能需求建立合適的數(shù)學(xué)模型，通過可行性分析后進(jìn)行無人機(jī)整機(jī)設(shè)計。②選擇合適的無人機(jī)模型機(jī)，采購飛控原型機(jī)等電子設(shè)備，通過自主設(shè)計加工機(jī)身、改裝機(jī)翼裝配成載機(jī)，搭載遙感航攝儀（微單相機(jī)），根據(jù)山區(qū)地形起伏差異特征，優(yōu)化無人機(jī)起降飛控程序和相機(jī)曝光自適應(yīng)處理，保障航飛的安全性與影像獲取的高效性。③選擇重慶某山區(qū)場地為實驗區(qū)，驗證自主設(shè)計生產(chǎn)的微型無人機(jī)對復(fù)雜山地環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性，并對其獲取的高分辨率影像的質(zhì)量精度進(jìn)行驗證，技術(shù)路線見圖1。

圖1 微型無人機(jī)設(shè)計技術(shù)路線圖

2.2 起降模型

1）無人機(jī)的彈射過程，實際上就是飛機(jī)和彈射托架在動力系統(tǒng)的作用下，沿導(dǎo)軌傾斜面加速運動的過程，整個起飛過程由彈射架安裝、橡皮筋張拉、無人機(jī)加速與釋放等步驟組成。無人機(jī)彈射出的速度與彈射架內(nèi)橡皮筋張力大小有關(guān)，且無人機(jī)俯沖起飛角度與彈射架導(dǎo)軌仰角有關(guān)。依據(jù)彈射架的Solid Works動力仿真實驗，要想讓荷載為5 kg的無人機(jī)獲得10～15 m/s的發(fā)射初速度，彈射架導(dǎo)軌設(shè)置適宜仰角為25°～30°；彈射架中橡皮筋張拉力大小應(yīng)為80～100 N；等效直徑1.5 cm橡皮筋張拉2～2.5 m。

2）改進(jìn)的傘降過程，主要利用尾旋特性以小半徑盤旋降落，在復(fù)雜山地環(huán)境下操作可有效避開周圍高山而實現(xiàn)安全著陸。按照正常操作程序，無人機(jī)在完成飛行任務(wù)后會自動返航至起飛點上空并原地盤旋等待地面指令。此時，地面操作人員發(fā)送降落指令，無人機(jī)收到后開始以半徑為100 m的圓作盤旋降高，達(dá)到設(shè)定航高后（通常在真高大于200 m以下省去此步驟），程序給出相應(yīng)操作信號，無人機(jī)進(jìn)入尾旋失速狀態(tài)，姿態(tài)傳感器停止工作。當(dāng)氣壓計偵測到無人機(jī)航高達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值后，重新啟動姿態(tài)傳感器，自動糾正姿態(tài)，解除尾旋狀態(tài)。然后，在經(jīng)過2～3 s的延遲后，打開降落傘控制按鈕，無人機(jī)緩慢下降。為避免發(fā)生意外故障，整個降落過程可通過一鍵快速切換至手動操作模式，完全由人工操作無人機(jī)降落至安全區(qū)域。起降模型示意圖見圖2。

2.3 整機(jī)設(shè)計與加工

1）可行性驗證。本研究使用改造后的國產(chǎn)航模作為載機(jī)，采用國外開源飛行控制系統(tǒng)，電氣、起降相關(guān)掛載設(shè)備自行設(shè)計加工，因此可行性驗證為首要任務(wù)。驗證內(nèi)容包括：①空氣動力特性驗證，由于設(shè)計無人機(jī)為三角翼型機(jī)翼布局，需保證飛行器空中穩(wěn)定性，有必要對其最大平飛速度、巡航速度、失速速度、飛行姿態(tài)穩(wěn)定性、最大飛行半徑等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行獲取和驗證。②電氣設(shè)備運行可靠性驗證，設(shè)計采用的飛行控制元件為開源飛控系統(tǒng)，需對其可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行驗證。③重要部件設(shè)計及加工可行性驗證，無人機(jī)將進(jìn)行較大改造來滿足航攝任務(wù)要求，涉及空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多方面問題，提前對重要部件進(jìn)行設(shè)計和試加工，可減小在任務(wù)機(jī)制造階段因工藝、技術(shù)問題而造成的時間和經(jīng)濟(jì)損失。

圖2 山地環(huán)境下微型無人機(jī)起降模型示意圖

驗證機(jī)采用國產(chǎn)FX-61航模為載機(jī)，使用Pixhawk開源飛控，搭載Sony卡片相機(jī)，進(jìn)行了飛行性能、航線規(guī)劃、相機(jī)觸發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)的測試。經(jīng)反復(fù)測試與優(yōu)化，最終結(jié)果如下：優(yōu)化后的飛控系統(tǒng)精準(zhǔn)可靠，與飛翼類載機(jī)結(jié)合使用，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，相機(jī)觸發(fā)功能正常，可進(jìn)行下一步的任務(wù)機(jī)設(shè)計與加工。

2）任務(wù)機(jī)設(shè)計與加工。無人機(jī)載機(jī)采用改進(jìn)、優(yōu)化后的國內(nèi)某航模無人機(jī)。①考慮到無人機(jī)可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面因素，選用的某款X8型航模采用三角翼布局，翼展超過2 m，機(jī)翼面積80 dm2，具有較高的氣動效率。②對任務(wù)機(jī)模型相關(guān)配件進(jìn)行改造與優(yōu)化，主要包括機(jī)翼連接件、彈射掛鉤和降落傘倉等部件的設(shè)計與加工，改變原有模型中機(jī)翼連接處為塑料件的缺陷，改為鋁合金鎖緊件，既保證連接部件有一定剛度，又大大提高了強(qiáng)度。經(jīng)多次測試后，沒有出現(xiàn)連接部份損壞的情況。為了保證無人機(jī)起飛安全，彈射掛鉤需要承受彈射架彈繩近100 N的拉力，經(jīng)有限元相關(guān)分析，在安全系數(shù)取1.2時，彈射掛鉤材料采用3 mm厚6061-T6鋁合金，可確保彈射過程安全[5]。傘倉安裝在無人機(jī)中起構(gòu)造作用，不承受靜止和飛行過程中的應(yīng)力，保證一定質(zhì)量和材料剛度即可。傘倉設(shè)計位置較為重要，綜合考慮降落傘收放便捷性、開傘可靠性等因素，最終將傘倉設(shè)計于發(fā)動機(jī)固定座前方20 cm處（中心距離），見圖3。

2.4 整機(jī)試飛驗證

經(jīng)過3個月的飛行實驗，微型航攝型無人機(jī)進(jìn)行了50余架次整機(jī)性能測試，對部分零件重新優(yōu)化設(shè)計、載機(jī)重心調(diào)整、航線設(shè)計、相機(jī)觸發(fā)和飛行控制等進(jìn)行了優(yōu)化處理，最終實現(xiàn)了無人機(jī)平穩(wěn)安全飛行、定點曝光和正常航攝，整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 。

圖3 無人機(jī)降落傘倉布置圖

表1 微型無人機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

3 應(yīng)用案例

本研究選取重慶市西部某工業(yè)園區(qū)進(jìn)行了大比例尺航攝影像采集實驗。該區(qū)域地形起伏大于100 m，單架次飛行時間約30 min，飛行高度為300 m。搭載Sony A5100微型單反相機(jī)，相機(jī)鏡頭采用檢校后16 mm定焦鏡頭，設(shè)定航向重疊率為70%，旁向重疊率為60%，獲取影像124張，POS信息124條。經(jīng)高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)一體化測圖系統(tǒng)PixelGrid的無人機(jī)模塊快速處理后，完成地面分辨率為0.1 m的3 km2的DOM，與已有1：2 000 DLG進(jìn)行精度校核可知，該DOM成果可滿足1：2 000數(shù)字測繪產(chǎn)品精度要求[6]。實踐表明，經(jīng)優(yōu)化改造后的微型無人機(jī)應(yīng)用于山區(qū)大比例尺地形圖測繪項目是切實可行的，并具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效等特點（圖4～6）。

圖4 微型無人機(jī)起飛過程

4 結(jié) 語

微型無人機(jī)作為一種新型的遙感數(shù)據(jù)獲取平臺，正深入應(yīng)用到各個相關(guān)領(lǐng)域。為解決復(fù)雜山地環(huán)境下無人機(jī)安全起降控制難的問題，研制了一套適合山地環(huán)境低空飛行的微型無人機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)過試飛測試，驗證了無人機(jī)彈射起飛、任務(wù)控制、影像獲取、傘降著陸等功能的合格有效性。研究成果表明，微型無人機(jī)應(yīng)用于低空航攝遙感不僅是可行的，而且是安全、可靠的。限于理論和技術(shù)的不足，微型無人機(jī)在電力續(xù)航、抗風(fēng)干擾、電磁屏蔽等方面的缺陷有待改進(jìn)[7-10]。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，微型無人機(jī)將在國土資源調(diào)查、森林監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急、突發(fā)事件等高時效性的空間信息采集方面發(fā)揮越來越大的作用。

圖5 微型無人機(jī)傘降過程

圖6 微型無人機(jī)采集的重慶山區(qū)某工業(yè)園區(qū)DOM

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1672-4623（2016）03-0007-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.003

袁超，高級工程師，從事3S技術(shù)應(yīng)用研究工作。

2015-12-23。

項目來源：地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目（201404）；2014年國家測繪地理信息局青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研計劃資助項目。