劉亞非

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 概述

低空無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)因其高時(shí)效、高分辨率、低成本及可重復(fù)性等優(yōu)勢，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。首先通過無人機(jī)飛行平臺(tái)所搭載的高分辨率CCD相機(jī)、激光掃描儀等機(jī)載遙感設(shè)備獲取的信息，再利用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境和特定的精度要求，制作符合要求的圖像。無人機(jī)測繪搭載的設(shè)備有可見光相機(jī)、激光雷達(dá)(LIDAR)、合成孔徑雷達(dá)等，后端數(shù)據(jù)處理程序有Smart 3D、PIX4D等。無人機(jī)攝影成圖的基本流程見圖1。

圖1 無人機(jī)攝影成圖基本流程

無人機(jī)測繪作業(yè)時(shí)，受外界環(huán)境條件影響較大，且對“飛手”操控水平要求較高。一旦發(fā)生“炸機(jī)”情況，就需要送廠返修，來回耽誤時(shí)間很長，這對于工期要求很緊的現(xiàn)場測繪作業(yè)項(xiàng)目來說很難接受。為了解決該問題，基于開源固件Ardupilot，采用市場很方便就能購得的相關(guān)零部件，自制4軸多旋翼無人機(jī)。自制無人機(jī)除了能夠大幅度降低成本外，如果飛機(jī)在作業(yè)現(xiàn)場發(fā)生損壞，飛手很容易地能夠修復(fù)飛機(jī)，從而不耽誤現(xiàn)場的測繪作業(yè)進(jìn)度；另外，還能夠根據(jù)搭載設(shè)備的重量、種類、續(xù)航時(shí)間要求，配置不同的飛行平臺(tái)，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的測繪需求，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要。大疆最新的兩款機(jī)型和作者自制機(jī)對比見圖2，其中，開源4軸、荷載10 kN無人機(jī)可用于CCD相機(jī)作業(yè)；開源8軸、荷載60 kN無人機(jī)可滿足激光雷達(dá)(LIDAR)作業(yè)需求(見圖2)。

圖2 開源機(jī)與成品機(jī)外觀比較

2 測繪無人機(jī)組成

測繪用無人機(jī)一般由兩部分構(gòu)成，一部分是飛行系統(tǒng)(飛行平臺(tái))，另一部分是荷載系統(tǒng)(機(jī)載設(shè)備系統(tǒng))。飛行平臺(tái)有多旋翼、直升機(jī)、固定翼、垂直起降固定翼等，具體選用哪種飛行平臺(tái)，主要由作業(yè)要求和荷載重量決定；機(jī)載設(shè)備有數(shù)字相機(jī)、激光雷達(dá)等，具體選用哪種設(shè)備，主要由數(shù)據(jù)需求決定[2]。

飛行平臺(tái)一般分為兩大部分，一部分是硬件部分，一部分是軟件部分。硬件部分采用市場上常用零部件，包括：F450機(jī)架、無刷電機(jī)(980 kV)、Pixhawk飛控、M8N的GPS、樂迪遙控器及配套接收機(jī)、好盈20A電調(diào)、螺旋槳、數(shù)傳電臺(tái)、圖傳等；軟件部分主要是飛控固件，采用基于開源APM生成的多旋翼Copter固件。

APM項(xiàng)目至誕生到現(xiàn)在，大約有十多年的歷史，其固件版本也由當(dāng)時(shí)的V2.0版本發(fā)展到現(xiàn)在的V4.1版本，APM固件開源且免費(fèi)，運(yùn)行性能穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，其中的Copter系列固件為自制多旋翼無人機(jī)的首選。

2.1 飛行平臺(tái)的組裝

飛行平臺(tái)為典型的F450多旋翼無人機(jī)套裝配件(見圖3)，整個(gè)套件價(jià)格不超過￥2000元。自制無人機(jī)原則：首先確定無人機(jī)的用途，進(jìn)而確定無人機(jī)的荷載，荷載確定后要考慮無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，并注意各項(xiàng)指標(biāo)均衡。另外，最重要的一點(diǎn)就是安全性，其次才是操控性、性價(jià)比、續(xù)航時(shí)間、負(fù)載能力等。

圖3 F450多旋翼無人機(jī)套材

在無人機(jī)組裝的時(shí)候要重點(diǎn)注意幾個(gè)問題：①焊接問題，電烙鐵建議選取150W的電烙鐵，焊錫的連接處要使用熱縮管絕緣，不要使用絕緣膠布。②在進(jìn)行螺絲連接的時(shí)候，一定要打螺絲膠(無人機(jī)工作時(shí)整體處于震動(dòng)狀態(tài)，容易出現(xiàn)螺絲松動(dòng)的現(xiàn)象，打螺絲膠能夠有效地避免螺絲松動(dòng))[3]；③無人機(jī)組裝是個(gè)細(xì)致耐心的工作，要仔細(xì)熟悉無人機(jī)各部件的性能指標(biāo)，如接收機(jī)PWM信號(hào)與SBUS信號(hào)的區(qū)別，SERIAL接口與IIC接口的區(qū)別，GPS接收機(jī)5針和6針的區(qū)別等。

2.2 無人機(jī)固件編譯環(huán)境的建立

無人機(jī)固件編譯是自制無人機(jī)的核心工作。Windows環(huán)境下無人機(jī)固件編譯環(huán)境需要的工具主要有以下幾種[4]。

(1)Cygwin64-set.exe

該工具為一個(gè)運(yùn)行于Windows系統(tǒng)上輕量化的Linux虛擬機(jī)，可以在Windows環(huán)境下運(yùn)行Linux命令。在Cygwin64中有很多軟件包，包括Python、Pip、Pymavlink等庫文件[5]。

MavproxySetup.exe：該工具主要功能為建立無人機(jī)模擬飛行仿真環(huán)境的；配置腳本：通過Github下載APM官網(wǎng)提供的自動(dòng)腳本文件，以便建立APM的編譯環(huán)境。

(2)Gcc編譯器

由于飛控固件運(yùn)行在單片機(jī)上(STM32系列)，需要用到Gcc編譯器，下載地址為：Https://firmware.ardupilot.org./Tools/STM32-tools/gcc-arm-none-eabi-6-2017-update-win32-sha2.exe，編譯器安裝完畢后，應(yīng)添加路徑到環(huán)境變量。

(3)Git系統(tǒng)

Git是一種分布式版本控制系統(tǒng)，應(yīng)用此系統(tǒng)，可以使若干個(gè)不同的遠(yuǎn)端代碼倉庫進(jìn)行交互，安裝完畢后，需要輸入命令 “git config-global core.autocrlf false”進(jìn)行配置[6]。

2.3 飛控固件的克隆及版本的切換

下載開源APM的飛控固件前，需要先注冊一個(gè)Github賬號(hào)，同時(shí)還需要下載安裝Github Desktop，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端代碼復(fù)制，然后進(jìn)行編輯、編譯、Debug等工作。編輯軟件選取種類較多，建議采用Vscode，具體步驟如下。

①登錄GitHub，進(jìn)入注冊頁面(見圖4)。

圖4 GitHub登錄注冊界面

②點(diǎn)擊SignUp按提示要求注冊，注冊成功后界面見圖5。

圖5 GitHub注冊成功界面

③在搜索框輸入“Ardupilot”，界面見圖6。

圖6 APM文件夾界面

④右鍵選擇“open with Github Desktop”，根據(jù)網(wǎng)速不同，ardupilot全部分支會(huì)自動(dòng)下載到本地電腦的D盤，下載成功后，然后生成一個(gè)名為ardupilot的文件夾。

⑤下載到D盤的ardupilot文件處于主分支狀態(tài)(master分支)，此時(shí)，不可以用主分支文件編譯飛控固件，必須切換到穩(wěn)定版本才能進(jìn)行編譯。然后進(jìn)入Git終端，打開Git Bash，依此輸入命令(見圖7，圖8)[7-8]。

圖7 APM系列固件版本

圖8 更新CRDC-2021A240505子模塊

2.4 飛控固件的編譯及燒寫

切換完分支后，應(yīng)對APM文件進(jìn)行編譯，以生成能在單片機(jī)上運(yùn)行的文件(后綴為.apj)，編譯飛控文件的編譯器為 Gcc，飛控硬件選擇FMUV3框架(目前開源飛控硬件對應(yīng)的框架有FMUV3框架和FMUV5框架，V3框架對應(yīng)STM32的427系列單片機(jī)，V5框架對應(yīng)STM32的7系列單片機(jī))，運(yùn)行終端Cygwin64 Terminal，依此輸入以下命令。

①cd d://進(jìn)入APM文件所在盤符d盤。

②cd ardupilot//進(jìn)入ardupilot文件。

③./waf list_boards//查看所有支持版本，以確認(rèn)文件包含飛控類型。

④./waf configure-board fmuv3//選擇飛控板為FMUV3類型。

⑤./waf copter//編譯文件為多旋翼固件。

編譯成功后，本地電腦的Dardupilotuildfmuv3inardupilot.apj文件即為飛控寫入文件(見圖9)。

圖9 飛控固件編譯

安裝地面站軟件MissionPlanner，飛控連接到電腦，依此選擇初始設(shè)置安裝固件加載自定義固件，選擇Dardupilotuildfmuv3inarducopter.apj.文件，按提示完成固件燒寫(見圖10)。

圖10 飛控固件位置

3 測繪無人機(jī)校準(zhǔn)

固件寫入飛控，無人機(jī)各部件連接完畢后，方可進(jìn)行校準(zhǔn)工作。主要有加速度校準(zhǔn)、磁羅盤校準(zhǔn)、遙控器校準(zhǔn)、電流計(jì)校準(zhǔn)、電調(diào)油門校準(zhǔn)[9-12]。

3.1 加速度校準(zhǔn)

進(jìn)入MissionPlanner頁面，依此選擇“始設(shè)置→必要硬件→加速度計(jì)校準(zhǔn)”，進(jìn)入加速度計(jì)校準(zhǔn)，然后分別按提示進(jìn)行“平放、飛控向左、飛控向右、飛控向下、飛控向上”等操作，俗稱無人機(jī)業(yè)界的“加速度舞蹈”，校準(zhǔn)成功后，提示Successful，即為校準(zhǔn)成功，然后重啟(見圖11)。

圖11 加速度校準(zhǔn)界面

3.2 磁羅盤校準(zhǔn)

無人機(jī)羅盤有內(nèi)置羅盤和外置羅盤之分，內(nèi)置羅盤是飛控內(nèi)的羅盤，外置羅盤是外接GPS的羅盤，為防止各種外界因素對磁羅盤的干擾(震動(dòng)、溫度等因素)，應(yīng)盡量選用GPS外置羅盤。進(jìn)入MissionPlanner頁面，依此選擇初始設(shè)置→必要硬件→指南針選項(xiàng)，進(jìn)入磁羅盤校準(zhǔn)，根據(jù)校準(zhǔn)進(jìn)度條提示進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成磁羅盤校準(zhǔn)，校準(zhǔn)成功后，頁面會(huì)有校準(zhǔn)誤差提示(見圖12)。

圖12 羅盤校準(zhǔn)界面

3.3 遙控器校準(zhǔn)

進(jìn)入MissionPlanner頁面，依此選擇初始設(shè)置→必要硬件→遙控器校準(zhǔn)選項(xiàng)，進(jìn)入遙控器校準(zhǔn)，然后分別對roll(橫滾)、pitch(俯仰)、yaw(旋轉(zhuǎn))、throttle(油門)各搖桿及遙控器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按提示完成遙控器校準(zhǔn)(見圖13)。

圖13 遙控器校準(zhǔn)界面

3.4 電調(diào)油門校準(zhǔn)

步驟為：遙控開機(jī)油門打滿→飛機(jī)上電→飛機(jī)斷電重新上電→開啟飛控switch開關(guān)→遙控油門撥最低→飛機(jī)斷電→重新上電→完成校準(zhǔn)。

4 測繪無人機(jī)的控制

開源無人機(jī)既可以使用開源地面站進(jìn)行操控，也可以單獨(dú)使用遙控器進(jìn)行操控[13-16]。將飛控與MP地面站進(jìn)行連接，點(diǎn)擊“飛行計(jì)劃”圖標(biāo)，進(jìn)入“飛行計(jì)劃”窗口頁面，通過該窗口的“UTM” “地圖”等按鈕設(shè)置時(shí)間和地圖模式，從而實(shí)現(xiàn)對時(shí)間、空間基準(zhǔn)的設(shè)置。在該窗口右鍵單擊鼠標(biāo)，彈出功能窗口，根據(jù)窗口提示內(nèi)容插入航點(diǎn)，編輯航線。選擇自動(dòng)航點(diǎn)工具，依據(jù)測繪任務(wù)需求在彈出窗口，可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)類型選擇、飛行高度、航線角度、航向重疊率、起始點(diǎn)位置、相機(jī)參數(shù)等功能的設(shè)置。

5 實(shí)測飛行

5.1 飛行前注意事項(xiàng)

根據(jù)《民用無人駕駛航空器實(shí)名制登記管理規(guī)定》，最大起飛質(zhì)量≥250g的民用無人機(jī)必須在“中國民用航空局民用無人機(jī)實(shí)名登記系統(tǒng)”上申請賬戶，并將系統(tǒng)給定的登記標(biāo)記粘貼在無人機(jī)上，由于無人機(jī)測繪作業(yè)的敏感性，在飛行作業(yè)中，應(yīng)嚴(yán)格遵守《中華人民共和國測繪成果管理規(guī)定》《中華人民共和國測繪法》《中華人民共和國保守國家秘密法》等相關(guān)法律法規(guī)。

5.2 實(shí)測飛行

經(jīng)多次實(shí)測飛行，采用本方法制造的4軸無人機(jī)在荷載10 kN、1塊5 200 mA動(dòng)力鋰電池情況下，留空時(shí)間為20 min；如果并聯(lián)1塊備用電池，10 kN荷載下留空時(shí)間能達(dá)到30 min。可滿足鐵路測繪行業(yè)基本使用要求。

6 結(jié)語

實(shí)踐證明，基于APM的開源自制無人機(jī)能滿足在鐵路測繪現(xiàn)場的使用，同時(shí)也能節(jié)約一定的生產(chǎn)成本。另外，無人機(jī)測繪在鐵路測繪行業(yè)的推廣使用應(yīng)結(jié)合本行業(yè)的特點(diǎn)，如鐵路既有線測量若采用無人機(jī)技術(shù)，會(huì)對鐵路運(yùn)營線路的安全產(chǎn)生一定的威脅，未來鐵路測繪無人機(jī)發(fā)展應(yīng)結(jié)合智能硬件的使用，走出一條適合本行業(yè)發(fā)展的道路。