王星捷

(1. 核工業(yè)西南物理研究院,四川 成都 610041; 2. 成都理工大學工程技術學院,四川 樂山 614007)

利用無人機進行低空航空測繪是目前工程測量重要的發(fā)展方向[1]。在實際使用中，其速度較快，測量結果精度較高，應用范圍與方式不斷的多樣化。無人機航空攝影測量在工程測量行業(yè)及其他相關領域的實踐應用中都有很大的行業(yè)應用價值，因此，在測量教學中無人機測量是當今重點的發(fā)展方向。

針對高校的教學測量，通過對學校的地理情況的實際分析發(fā)現(xiàn)，無人機產(chǎn)品在測量教學上存在一些局限性，如場地限制、購置成本高[2]、維護復雜及飛手訓練成本高等。

綜合產(chǎn)品無人機的弊端，本文與學校測量教學實際相結合，研究了各項參數(shù)，自制了測量教學無人機，用于在教學上代替專業(yè)測繪產(chǎn)品無人機。相對價格高昂的測繪無人機來說自制無人機的制造成本僅6000～8000元，而其測量效果基本上可滿足日常的航空攝影測量的教學需求，同時自制無人機也填補了航空攝影測量校園教學設備上的空白。

1 無人機產(chǎn)品在教學中存在的弊端

1.1 校內場地限制

學校最大的場地為學校的運動場，相對無人機起降還是較小。通過實際測量，學校運動場能為無人機起降提供安全的距離為100 m。而校園內環(huán)境復雜，無人機飛行高度本身不高，且校內樹木較多，房屋教學樓密集，飛行器容易與這些障礙發(fā)生碰撞，造成安全事故，而且在大風環(huán)境下起降對無人機本身會造成極大的安全威脅。

目前市場上的大部分測繪級無人機體積相當龐大。如中海達公司的iFly U5型測繪無人機，該機單機體尺寸就達到了2.2 m×0.8 m×0.225 m，即翼展達到了2.2 m，機體滿載達到7.5 kg。如果使用該機在學校進行測量教學，那么將會面臨起飛后無法安全降落這一難題。多款測繪無人機具體參數(shù)見表1。

表1 測繪無人機參數(shù)對比

通過表1中幾款無人機的數(shù)據(jù)對比，能直觀感受到專業(yè)測繪級無人機對降落場地的要求較高，即便是采用開傘降落的方式，也需要是在松軟地面、開闊場地的情況下進行。

1.2 購置成本高

測繪無人機購置成本相對較高。目前主流測繪無人機價格對比見表2。

表2 價格對比

通過表2的價格對比，能直觀地感受到一套測繪無人機系統(tǒng)的成本非常高，而且稍微有操作不當就會造成極其高昂的經(jīng)濟與設備損失。

1.3 維護復雜

通過對目前主流無人機的架構及性能分析，得到如下結論：

從無人機動力源來看，目前小型無人機大多采用鋰聚合物電池為飛機提供動力，留空時間遠不及使用燃油的大型無人機，而且電池對保養(yǎng)要求極高，稍有不慎，過度放電等就會對電池造成不可逆轉的損壞，其帶來的直接結果就是續(xù)航時間大幅減少，且鋰聚合物電池在低溫環(huán)境下放電能力不佳。

從鋰聚合物電池的特性可知，零攝氏度情況下電壓比常溫20攝氏度下，下降速率快70%左右，同時降壓點比常溫提前了近一半時間，而且低溫放電同樣會損害電池電芯，長久以來續(xù)航時間只會越來越少。

1.4 飛手訓練成本高

從無人機飛手的訓練時間上來看，訓練一個無人機飛手極其耗時，假如飛手有一定基礎，那么訓練一個無人機飛手也需要一到兩個月，而在這期間需要進行大量的實際飛行訓練，且耗時費力，需要消耗大量的時間。在實際飛行訓練中也可能發(fā)生各種意外導致飛機損壞，這些都是直接的經(jīng)濟損失。無人機飛手首先需要進行理論知識的學習，包含飛行器原理、電路原理、空氣動力學等科目；在電腦上通過模擬軟件進行飛行訓練；當模擬飛行訓練達到一定水平后，由教練進行帶飛訓練，通過兩個遙控器控制一架飛機的模式進行實際飛行；最后達到能單人進行起降飛行后可進行單機放飛實操。

2 自制無人機設計

綜合上述弊端，通過對校園的實際地理情況進行考察，發(fā)現(xiàn)學校內樹木較多，教學樓與宿舍樓較為密集，平地較少，且存在人工湖區(qū)，平地開闊地帶狹小，不具備起降固定翼無人機的場地條件。同時校內電磁環(huán)境較為復雜，移動手機信號基站數(shù)目多且分布密集，校內安保所使用的對講機數(shù)量多且功率較大，對無人機數(shù)據(jù)通信及遙測產(chǎn)生較大干擾。

因此自制教學測量無人機選用多旋翼無人機為飛行載具。多旋翼無人機通常軸距在500～1600 mm之間，可進行垂直起降作業(yè)，穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的固定翼無人機好，同時航飛速度也可以隨意控制，可以做到在任意拍攝點上懸停。且在短時間內即可完成對多旋翼無人機的操控學習。

自制教學測量無人機飛行硬件平臺由無人機機體、飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、影像系統(tǒng)、定位導航系統(tǒng)組成。自制教學測量無人機設計指標參數(shù)見表3。

2.1 飛行平臺

無人機機體采用六旋翼[3]作為飛行平臺的基本架構，六旋翼無人機具有6個動力設備，其可靠性及抗風性都遠高于傳統(tǒng)的四旋翼無人機，且在失去一個動力設備的情況下依然可以安全的降落，該機主要使用碳纖維作為機體主要材料。機臂于中心板連接折疊件采用6051-T651標號鋁合金制造，通過陽極氧化處理后外形美觀、不易磨損氧化，可折疊的設計大幅降低無人機空間占用率，方便收納及儲存。其機臂采用18 mm空心碳卷管制造，重量輕強度高。

表3 自制教學測量無人機設計指標

2.2 航電系統(tǒng)

(1) 飛行控制系統(tǒng)采用先進的Pixhack飛控，該飛控板搭載32位STM32F427 Cortex M4處理器及STM32F103備份協(xié)處理器，飛控采用IMU(慣性測量單元)分離設計，避免了飛控內部的電流干擾；其內置通用性減震設計在配合外置飛控減震墊的情況下大幅降低飛行平臺帶來的高頻振動，同時提高飛行穩(wěn)定性，保障了無人機的安全。飛控板上同時內置了L3GD20三軸數(shù)字陀螺儀、LSM303D及MPU6000三軸加速度計及磁力計，同時配備MS5611高精度氣壓計，以滿足±10 cm高精度的定高需求。

(2) 動力系統(tǒng)采用了國內非常成熟的DJI(大疆創(chuàng)新)E600動力系統(tǒng)，采用了無刷電機為動力，具有壽命長、可靠性高、高效省電的優(yōu)勢，同時電機軸采用了自緊正反螺紋的設計，避免了裝錯螺旋槳和因為電機轉速突然降低導致的射槳，提高了飛行的安全性。

(3) 通信系統(tǒng)采用915 MHz的數(shù)傳電臺，與飛控采用57 600波特率Mavlink通信協(xié)議，功率在100 MW時可實現(xiàn)在1 km的可視空距距離與無人機進行實時無線通信。

(4) 電源系統(tǒng)采用22.2 V 8000 mAh鋰聚合物為動力來源，通過電流計將總電壓降為5 V 3 A的電流供給飛控及其他電子器件使用。

采用該套電源系統(tǒng)可為無人機提供長達15 min的續(xù)航時間，該無人機可在航帶高度110 m情況下進行單架次測繪800 m×300 m的矩形區(qū)域測繪作業(yè)，根據(jù)校園占地面積為866.67 km2，該無人機航飛4～5個架次即可完成對整個學校的低空攝影。

(5) 操控系統(tǒng)采用國內成熟的天地飛8遙控器，可使用9通道PPM接收機，采用DSSS擴頻和FHSS調頻技術，抗干擾性極強，其遙控半徑為1 km可視空距。自制無人機采用了較為便宜的遙控器作為無人機操作器，其價格低廉，同時通道數(shù)(一個通道控制無人機一種功能或飛行模式)相對測量無人機來說處于剛好夠用的數(shù)量，避免了通道浪費。

(6) 定位導航系統(tǒng)采用U-blox M8導航模塊，可并行接收GPS和GLONASS或者北斗信號，也可同時接收GLONASS和北斗信號，導航模塊同時也內置了羅盤，保障了飛控導航的安全性。其定位精度HDOP值能達到0.5～1，滿足測繪使用需求。

2.3 航攝系統(tǒng)

該機影像系統(tǒng)采用三軸無刷電機云臺及鷹眼6s運動相機組成，三軸無刷電機云臺下掛于飛行器正下方，可進行正攝和傾斜攝影。選取該相機基本符合在測量教學任務上的精度需求，同時具有價格低廉、不易損壞、可防水等特點。相對較專業(yè)的全畫幅單反相機，運動相機具有價格低廉、重量輕的優(yōu)勢，同時在畫幅上基本達到4 K的圖像尺寸，滿足了測量教學的基本需求。

2.4 系統(tǒng)軟件組成

航飛作業(yè)及影像處理不同于一般的航空測繪，為了確保成像質量，需要進行較為精確的規(guī)劃，此時需要航攝任務規(guī)劃軟件，在航飛完成后需要航攝影像處理軟件[4]。在自制教學測量無人機系統(tǒng)里面采用Missionplanner無人機遙測軟件及Pix4D mapper圖像處理軟件。

3 自制無人機教學應用

本教學應用主要使用自制無人機對學校內部分區(qū)域進行航空攝影測量、空三測量，采集航片。并通過Pix4D軟件對航攝采集的信息進行處理。

測區(qū)面積約0.26 km2，西起學院正門，東至南坡丁字路口，北到萬景園宿舍，地形多為平地，地勢東高西低，且中間為人工湖，呈三級階梯分布，高度由東向西遞減。測區(qū)范圍如圖1所示。

根據(jù)被測區(qū)域面積，將該次測繪分為一個區(qū)域，同時結合自制無人機的續(xù)航時間，得出該次試驗任務時間大致為10～15 min。

本次試驗任務的相機為Firefly6s，其像元大小為0.005 45 mm，1∶2000對應地表分辨率為0.2 m，鏡頭焦距為3 mm。通過H=(f×GSD)/a=(3×0.2)÷0.005 45=110 m，得出自制無人機航飛高度設為110 m，曝光間距為51 m，曝光間隔為10.16 s。

依據(jù)地形圖航空攝影測量[5]規(guī)范的要求，其航向重疊率為70%，旁向重疊率為60%。每條航帶末端設置10 m的緩沖范圍，使無人機在測區(qū)外部進行轉向及校準航向[6]，以更好的飛行航向進入測區(qū)。整個航飛任務時長預計14 min，共采集121張航攝像片，及其對應的外方位元素，航線如圖1所示。

根據(jù)航飛任務的航帶數(shù)量，控制點基線數(shù)為4條，控制點數(shù)量為8個。通過全站儀，GPS等采集控制點[7]信息，控制點見表4。

表4 控制點

4 試驗分析與數(shù)據(jù)處理

在本文試驗中數(shù)據(jù)分析和處理的軟件主要使用Pix4Dmapper軟件，這款軟件可以實現(xiàn)全自動空三測量，并自動生成DSM、DOM[8]和數(shù)字點云[9]。

4.1 飛控原始數(shù)據(jù)分析整理

首先將飛控原始數(shù)據(jù)導出，通過分析整理出所需外方位元素。對原始的POS數(shù)據(jù)進行修正、篩選，刪除不必要的數(shù)據(jù)，并對航拍圖像數(shù)據(jù)進行編號等處理，數(shù)據(jù)格式的處理，采用Pix4Dmapper軟件進行修正，設置對應試驗項目的坐標系，將修正后的POS點數(shù)據(jù)導入試驗項目中。

4.2 像片糾正

由于自制無人機采用的相機為Firefly6s相機，這款相機的鏡頭為魚眼鏡頭，拍攝的單張照片邊緣畸變較為嚴重，在做好像片導入工作后，進入圖像編輯器進行相機參數(shù)矯正。

4.3 控制點導入與刺點

在將相片和POS點導入之后，開始進行控制點的導入，該軟件支持TXT和CSV格式的控制點文件，在本次試驗中使用的是TXT格式文件，在添加控制點文件時應該注意選擇控制點所對應的坐標系，本次使用的為WGS-84坐標系，刺點過程如圖2所示。

在進行控制點選點的過程中，軟件會根據(jù)該控制點自動對可能含有該點位的像片進行預覽，通過放大及平移操作，將控制點放在該點所對應的圖像參照物上面。一個控制點一般情況下應該在兩張圖片上同時被刺出，以保證其精度。在完成控制點刺點后，進行全自動的高精度處理、空三加密。

通過對輸出的質量檢測報告的分析得到，其圖像數(shù)據(jù)集中的121張航片與97張得到校準，占總照片數(shù)的80%，有部分照片未能被校準，未被校準的部分照片為水域或密集樹林，不在有效處理區(qū)域范圍內。相機優(yōu)化前參數(shù)與優(yōu)化后參數(shù)差值為20.54%。質量報告如圖3所示。

控制點實測點與Pix4D計算點精度對比見表5。

表5 數(shù)據(jù)精度對比 (°)

通過對質量檢測報告中的控制點誤差統(tǒng)計的分析，根據(jù)《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》對1∶2000測圖精度要求，平面位置誤差：平地和丘陵為0.7，山地和高山地位1.0。

學校從宏觀角度來看屬于平地地形，所測數(shù)據(jù)的精度誤差均在0.7以內，符合精度要求。

在完成前面的高精度處理之后，已經(jīng)對控制點進行了規(guī)劃，之后只需進行空三處理，以及DSM與DOM的生成。

軟件生成密集點云模型，在點云模型中，每一個點都包含了三維坐標及顏色信息[10]，如圖4所示。

數(shù)字表面模型的生成，數(shù)字表面模型是對地表真實起伏情況的數(shù)字化描繪，其顏色深淺變化代表了其起伏的變化，顏色越深，地勢越高，如圖5所示。

正射影像圖生成，正射影像圖是對航攝像片進行糾偏及拼接[11]，按制圖需求裁剪的數(shù)字影像集。具有高精度的幾何形態(tài)及影像特征，如圖6所示。

5 結 語

本文重點分析了當前無人機產(chǎn)品的特點及其在校園教學測量中的弊端，探討了一種低成本、高效率的自制無人機的設計。通過分析校園的地理情況和教學的需求，對無人機的各項參數(shù)進行了分析對比，設計了適合校園教學的測量無人機。根據(jù)設計的自制測量無人進行教學設計，試驗教學的具體應用，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理，通過具體的試驗分析，得出的數(shù)據(jù)符合《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》的要求，同時也展示了點云模型、數(shù)字表面模型以及正射影像圖生成的遠離和過程，完成了實際的航空攝影測量教學的內容。證明了本文設計的測量無人機滿足了日常的航空攝影測量教學的需求，同時為高校航空攝影測量教學無人機設備研究提供了技術性和理論性的參考。