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

袁 超，胡繼勛，羅 鼎，胡 艷，連 蓉，錢(qián) 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(wú)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(qián) 進(jìn)1

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

通過(guò)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(wú)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(guò)多次試飛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了研究成果的穩(wěn)定性和有效性，對(duì)山地環(huán)境下無(wú)人機(jī)在國(guó)情監(jiān)測(cè)、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(wú)人機(jī)；山地環(huán)境；安全起降；航攝應(yīng)用

我國(guó)山地面積約占國(guó)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?yàn)樯絽^(qū)云霧多影響了高分辨率遙感衛(wèi)星影像的獲取，所以無(wú)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(dòng)機(jī)一般為汽油內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)，且飛機(jī)翼展較大，對(duì)起降場(chǎng)地的面積和平整度有較高要求，且油動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)墜毀后可能引發(fā)二次災(zāi)害，特別是在樹(shù)木較多的林區(qū)，易引發(fā)火災(zāi)。對(duì)于復(fù)雜山地環(huán)境，固定翼無(wú)人機(jī)的航攝應(yīng)用十分困難，時(shí)常出現(xiàn)失聯(lián)或墜機(jī)事故[2]。微型無(wú)人機(jī)具有質(zhì)量輕、成本低、電動(dòng)續(xù)航和執(zhí)行任務(wù)靈活等特點(diǎn)，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(wú)人機(jī)對(duì)復(fù)雜山地環(huán)境大比例航攝任務(wù)的適應(yīng)性入手，對(duì)微型無(wú)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(wú)人機(jī)安全起降問(wèn)題，經(jīng)多次試飛實(shí)驗(yàn)，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(wú)人機(jī)的發(fā)射是指在一定的起飛場(chǎng)地，通過(guò)一定方式使無(wú)人機(jī)達(dá)到空中一定高度、速度的過(guò)程，該過(guò)程被認(rèn)為是無(wú)人機(jī)使用中最困難、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。無(wú)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(wú)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(dòng)作不規(guī)范而發(fā)生操作人員受傷的危險(xiǎn)，又解決了滑跑起飛對(duì)場(chǎng)地平整度過(guò)高的限制。微型無(wú)人機(jī)彈射起飛可獲較大的加速度，節(jié)省了上升過(guò)程30%左右的電池耗電量[4]。本研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)了無(wú)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(wú)人機(jī)機(jī)翼與彈射架快速鎖緊裝置。同時(shí)，機(jī)載飛行控制器經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(wú)人機(jī)最常見(jiàn)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(chǎng)地要求、操作難度和安全性等因素，傘降回收是微型無(wú)人機(jī)降落的最適合方式[5]。本研究設(shè)計(jì)了一套適合復(fù)雜山地環(huán)境的無(wú)人機(jī)降落程序——尾旋失速下降的改進(jìn)傘降方式。當(dāng)無(wú)人機(jī)處于尾旋失速狀態(tài)時(shí)，因升力不夠可使無(wú)人機(jī)在小半徑內(nèi)快速盤(pán)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(shí)打開(kāi)無(wú)人機(jī)傘倉(cāng)，讓傘衣快速充氣迫使無(wú)人機(jī)平穩(wěn)降落到指定區(qū)域。

2 微型無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 技術(shù)路線

微型無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)采用“理論論證-模型設(shè)計(jì)-程序優(yōu)化-典型應(yīng)用”的技術(shù)路線圖。①開(kāi)展復(fù)雜山地環(huán)境下的多類(lèi)型輕型無(wú)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(guò)可行性分析后進(jìn)行無(wú)人機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)。②選擇合適的無(wú)人機(jī)模型機(jī)，采購(gòu)飛控原型機(jī)等電子設(shè)備，通過(guò)自主設(shè)計(jì)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(wú)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(chǎng)地為實(shí)驗(yàn)區(qū)，驗(yàn)證自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的微型無(wú)人機(jī)對(duì)復(fù)雜山地環(huán)境的適應(yīng)性與可靠性，并對(duì)其獲取的高分辨率影像的質(zhì)量精度進(jìn)行驗(yàn)證，技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 微型無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖

2.2 起降模型

1）無(wú)人機(jī)的彈射過(guò)程，實(shí)際上就是飛機(jī)和彈射托架在動(dòng)力系統(tǒng)的作用下，沿導(dǎo)軌傾斜面加速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，整個(gè)起飛過(guò)程由彈射架安裝、橡皮筋張拉、無(wú)人機(jī)加速與釋放等步驟組成。無(wú)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(wú)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(dòng)力仿真實(shí)驗(yàn)，要想讓荷載為5 kg的無(wú)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(guò)程，主要利用尾旋特性以小半徑盤(pán)旋降落，在復(fù)雜山地環(huán)境下操作可有效避開(kāi)周?chē)呱蕉鴮?shí)現(xiàn)安全著陸。按照正常操作程序，無(wú)人機(jī)在完成飛行任務(wù)后會(huì)自動(dòng)返航至起飛點(diǎn)上空并原地盤(pán)旋等待地面指令。此時(shí)，地面操作人員發(fā)送降落指令，無(wú)人機(jī)收到后開(kāi)始以半徑為100 m的圓作盤(pán)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(hào)，無(wú)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(jì)偵測(cè)到無(wú)人機(jī)航高達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值后，重新啟動(dòng)姿態(tài)傳感器，自動(dòng)糾正姿態(tài)，解除尾旋狀態(tài)。然后，在經(jīng)過(guò)2～3 s的延遲后，打開(kāi)降落傘控制按鈕，無(wú)人機(jī)緩慢下降。為避免發(fā)生意外故障，整個(gè)降落過(guò)程可通過(guò)一鍵快速切換至手動(dòng)操作模式，完全由人工操作無(wú)人機(jī)降落至安全區(qū)域。起降模型示意圖見(jiàn)圖2。

2.3 整機(jī)設(shè)計(jì)與加工

1）可行性驗(yàn)證。本研究使用改造后的國(guó)產(chǎn)航模作為載機(jī)，采用國(guó)外開(kāi)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(jì)加工，因此可行性驗(yàn)證為首要任務(wù)。驗(yàn)證內(nèi)容包括：①空氣動(dòng)力特性驗(yàn)證，由于設(shè)計(jì)無(wú)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(duì)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(yàn)證。②電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性驗(yàn)證，設(shè)計(jì)采用的飛行控制元件為開(kāi)源飛控系統(tǒng)，需對(duì)其可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。③重要部件設(shè)計(jì)及加工可行性驗(yàn)證，無(wú)人機(jī)將進(jìn)行較大改造來(lái)滿足航攝任務(wù)要求，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多方面問(wèn)題，提前對(duì)重要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和試加工，可減小在任務(wù)機(jī)制造階段因工藝、技術(shù)問(wèn)題而造成的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)損失。

圖2 山地環(huán)境下微型無(wú)人機(jī)起降模型示意圖

驗(yàn)證機(jī)采用國(guó)產(chǎn)FX-61航模為載機(jī)，使用Pixhawk開(kāi)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(cè)試。經(jīng)反復(fù)測(cè)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(lèi)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(jì)與加工。

2）任務(wù)機(jī)設(shè)計(jì)與加工。無(wú)人機(jī)載機(jī)采用改進(jìn)、優(yōu)化后的國(guó)內(nèi)某航模無(wú)人機(jī)。①考慮到無(wú)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(guò)2 m，機(jī)翼面積80 dm2，具有較高的氣動(dòng)效率。②對(duì)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(cāng)等部件的設(shè)計(jì)與加工，改變?cè)心Ｐ椭袡C(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(cè)試后，沒(méi)有出現(xiàn)連接部份損壞的情況。為了保證無(wú)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(shí)，彈射掛鉤材料采用3 mm厚6061-T6鋁合金，可確保彈射過(guò)程安全[5]。傘倉(cāng)安裝在無(wú)人機(jī)中起構(gòu)造作用，不承受靜止和飛行過(guò)程中的應(yīng)力，保證一定質(zhì)量和材料剛度即可。傘倉(cāng)設(shè)計(jì)位置較為重要，綜合考慮降落傘收放便捷性、開(kāi)傘可靠性等因素，最終將傘倉(cāng)設(shè)計(jì)于發(fā)動(dòng)機(jī)固定座前方20 cm處（中心距離），見(jiàn)圖3。

2.4 整機(jī)試飛驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)3個(gè)月的飛行實(shí)驗(yàn)，微型航攝型無(wú)人機(jī)進(jìn)行了50余架次整機(jī)性能測(cè)試，對(duì)部分零件重新優(yōu)化設(shè)計(jì)、載機(jī)重心調(diào)整、航線設(shè)計(jì)、相機(jī)觸發(fā)和飛行控制等進(jìn)行了優(yōu)化處理，最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)平穩(wěn)安全飛行、定點(diǎn)曝光和正常航攝，整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 。

圖3 無(wú)人機(jī)降落傘倉(cāng)布置圖

表1 微型無(wú)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(shí)驗(yàn)。該區(qū)域地形起伏大于100 m，單架次飛行時(shí)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(cè)圖系統(tǒng)PixelGrid的無(wú)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(cè)繪產(chǎn)品精度要求[6]。實(shí)踐表明，經(jīng)優(yōu)化改造后的微型無(wú)人機(jī)應(yīng)用于山區(qū)大比例尺地形圖測(cè)繪項(xiàng)目是切實(shí)可行的，并具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效等特點(diǎn)（圖4～6）。

圖4 微型無(wú)人機(jī)起飛過(guò)程

4 結(jié) 語(yǔ)

微型無(wú)人機(jī)作為一種新型的遙感數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，正深入應(yīng)用到各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域。為解決復(fù)雜山地環(huán)境下無(wú)人機(jī)安全起降控制難的問(wèn)題，研制了一套適合山地環(huán)境低空飛行的微型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)試飛測(cè)試，驗(yàn)證了無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)將在國(guó)土資源調(diào)查、森林監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急、突發(fā)事件等高時(shí)效性的空間信息采集方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

圖5 微型無(wú)人機(jī)傘降過(guò)程

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

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P231

B

1672-4623（2016）03-0007-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.003

袁超，高級(jí)工程師，從事3S技術(shù)應(yīng)用研究工作。

2015-12-23。

項(xiàng)目來(lái)源：地理空間信息工程國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（201404）；2014年國(guó)家測(cè)繪地理信息局青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研計(jì)劃資助項(xiàng)目。