固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)比和分析

趙旭

摘 要 在測(cè)繪行業(yè)中，無(wú)人機(jī)應(yīng)用在航測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，航測(cè)無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)、負(fù)載多樣性、對(duì)各類地形適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，航測(cè)無(wú)人機(jī)可以由固定翼或者多旋翼做載機(jī)，它們?cè)诤綔y(cè)領(lǐng)域中有著不同的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】固定翼 多旋翼 無(wú)人機(jī) 航測(cè)

航空攝影測(cè)量技術(shù)指飛機(jī)攜帶攝影器材對(duì)地面進(jìn)行拍攝，拍攝的照片要有一定重復(fù)率，根據(jù)攝影器材的傳感器尺寸，飛機(jī)飛行高度，照片重復(fù)率等參數(shù)，利用空中三角形計(jì)算將這些照片處理分析后，得到該區(qū)域的地形圖。早期對(duì)于地理信息進(jìn)行測(cè)量，是通過(guò)通用航空測(cè)繪和衛(wèi)星遙感應(yīng)用，由于通用航空飛機(jī)很難做到高精度低空速的飛行，并且沒(méi)有專業(yè)控制的地面站，無(wú)法精確對(duì)信息采集點(diǎn)精確控制；而衛(wèi)星遙感主要是大比例低分辨遙感測(cè)量，分辨率較低。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)應(yīng)用到航空測(cè)量越來(lái)越廣泛，通過(guò)專業(yè)的地面站分析規(guī)劃可以控制無(wú)人機(jī)非常精確的對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪，制作出來(lái)的地形圖影像質(zhì)量較高，甚至可以做到1厘米的分辨率，是衛(wèi)星遙感等高空測(cè)量做不到的，所以在低空高精度測(cè)繪方面，從成本、精度、場(chǎng)地等方面考慮，無(wú)人機(jī)航測(cè)已經(jīng)逐步取代通用航空飛機(jī)航測(cè)。

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)、飛行控制器和計(jì)算機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，一般由無(wú)線電遙控設(shè)備、飛行控制器、機(jī)載攝影設(shè)備、載機(jī)、地面站等構(gòu)成，作業(yè)流程通常從作業(yè)區(qū)域衛(wèi)星圖分析，地面站對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)置機(jī)載攝影照片重復(fù)率（航線拍照距離間隔和拍照時(shí)間間隔），起飛控制和返航控制等幾個(gè)方面入手。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于使用固定翼或者多旋翼作為載機(jī)的爭(zhēng)論一直沒(méi)有停止過(guò)，這兩種機(jī)型在都有明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本文就這兩種機(jī)型在航測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 固定翼航測(cè)無(wú)人機(jī)

固定翼無(wú)人機(jī)從結(jié)構(gòu)部分來(lái)看有常規(guī)布局、飛翼布局、V尾布局等，目前固定翼航測(cè)無(wú)人機(jī)都使用常規(guī)布局固定翼無(wú)人機(jī)，這種布局的無(wú)人機(jī)制作、調(diào)試和控制都很簡(jiǎn)單，但巡航穩(wěn)定性和續(xù)航時(shí)間不如飛翼布局的無(wú)人機(jī)，早期飛翼布局的無(wú)人機(jī)的飛行控制器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，控制起來(lái)不如常規(guī)布局無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)單，隨著飛行控制器的不斷升級(jí)和發(fā)展，目前飛翼布局無(wú)人機(jī)應(yīng)用在航測(cè)中也逐漸成為主力，比如常見(jiàn)的天行者X5、X8機(jī)型都是各大廠商航測(cè)機(jī)的載機(jī)類型之一。固定翼航測(cè)無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率非常高，源于其無(wú)人機(jī)氣動(dòng)效率較高；其續(xù)航時(shí)間較長(zhǎng)，故飛行距離較遠(yuǎn)，有些油動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)甚至可以作業(yè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)；飛行速度較快，飛行高度較高，由于固定翼獲得升力來(lái)源于機(jī)翼上下空氣流動(dòng)導(dǎo)致的壓差和氣流沖擊效應(yīng)，所以固定翼航測(cè)無(wú)人機(jī)在高原空氣密度較低的環(huán)境中仍可以可靠應(yīng)用。

但是固定翼無(wú)人機(jī)也有多缺點(diǎn)，如飛行過(guò)程中無(wú)法做過(guò)多機(jī)動(dòng)性動(dòng)作，無(wú)法懸停，對(duì)航測(cè)機(jī)載影像設(shè)備要求較高，需要空速傳感器，增加飛行控制器的設(shè)計(jì)難度，飛翼布局的航測(cè)無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大容易失速，浪費(fèi)過(guò)多續(xù)航時(shí)間和照片。以上是固定翼無(wú)人機(jī)本身的一些缺陷，而對(duì)于工作環(huán)境來(lái)講，固定翼無(wú)人機(jī)起飛需要跑道或者彈射架，飛機(jī)爬升一定高度需要一片空曠區(qū)域，不能做到垂直起降，飛機(jī)降落需要傘降或者滑跑降落，降落精度和安全性不高。

2 多旋翼航測(cè)無(wú)人機(jī)

多旋翼無(wú)人機(jī)是主要是利用氣流沖擊效應(yīng)，螺旋槳向下沖擊空氣使得空氣對(duì)旋翼產(chǎn)生反作用力得到的升力，拿四旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)講，X型布局的四旋翼獲得向前向后的推力是前后兩個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不一致造成的，比如后面兩個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，前面兩個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，那么后面的旋翼獲得的升力比前面的旋翼獲得的升力大，使得無(wú)人機(jī)向前飛行。通過(guò)飛行控制器的輔助控制，改變每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速可以精確的控制無(wú)人機(jī)姿態(tài)，如懸停、旋轉(zhuǎn)、翻滾等動(dòng)作，多旋翼無(wú)人機(jī)在航測(cè)領(lǐng)域特別是城市三維建模中具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，其飛行穩(wěn)定、定位精確、動(dòng)力充足、可攜帶記載設(shè)備較多，使得多旋翼無(wú)人機(jī)可掛載多個(gè)攝影設(shè)備，比如正攝影像和45°傾斜攝影等。由于其飛行較為穩(wěn)定，可以垂直起降，所以在城市或者地形較為復(fù)雜區(qū)域應(yīng)用較為廣泛，六旋翼以上機(jī)型在飛行控制器的支持下甚至可以做到一個(gè)旋翼出故障仍可以有效控制無(wú)人機(jī)返航，在無(wú)人機(jī)飛手訓(xùn)練中可以明顯看出多旋翼無(wú)人機(jī)在飛行控制器和GPS定位的輔助控制下可以迅速上手，易于控制。

而相對(duì)于固定翼無(wú)人機(jī)而言，多旋翼無(wú)人機(jī)作為航測(cè)載機(jī)的缺點(diǎn)也是非常明顯的，其飛行效率較低，由于多旋翼是由多個(gè)電動(dòng)機(jī)組成，造成其續(xù)航時(shí)間較短，航程也相應(yīng)降低，由于動(dòng)力設(shè)備較多，造成其成本較高。在高原空氣密度較低的環(huán)境中，旋翼獲得的推力明顯下降，效率和安全性大大降低。

3 總結(jié)

從以上的分析和對(duì)比來(lái)看，固定翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)在航測(cè)中的應(yīng)用領(lǐng)域不盡相同，固定翼航測(cè)無(wú)人機(jī)主要面向大面積長(zhǎng)航時(shí)測(cè)繪使用，多旋翼航測(cè)無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用在城市三維建模、小面積高精度測(cè)繪使用。隨著科技的發(fā)展，有些公司開(kāi)始研發(fā)固定翼垂直起降技術(shù)，如常規(guī)布局的固定翼加裝多旋翼裝置，使得固定翼可以垂直爬升到一定高度后切換到固定翼模式進(jìn)行飛行；飛翼布局無(wú)人機(jī)通過(guò)加裝穩(wěn)定性裝置垂直起飛后平穩(wěn)過(guò)渡等可以彌補(bǔ)固定翼無(wú)人機(jī)的某些缺點(diǎn)，不過(guò)固定翼加裝多旋翼裝置仍無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作在多旋翼狀態(tài)，其目的是讓固定翼可以垂直起降適應(yīng)更多場(chǎng)地，航測(cè)時(shí)工作狀態(tài)仍是以固定翼飛行為主，所以這兩種機(jī)型仍然在各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

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作者單位

吉林化工學(xué)院 吉林省吉林市 132102endprint