無人機遙感航拍系統(tǒng)的減震策略分析

柯斌

摘要：隨著無人機技術(shù)的普及，多軸無人機遙感航拍系統(tǒng)迅速發(fā)展日漸成熟，在農(nóng)林監(jiān)測和森林防火等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是無人機遙感航拍系統(tǒng)的減震技術(shù)仍是急需解決的問題，此研究對各個相關(guān)因素進行分析以期望將機震降低到最小，最終提高遙感視頻圖像的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無人機；航空遙感；視頻；減震

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）22-0286-02

Abstract： With the popularization of UAV technology， multi axis UAV aerial remote sensing system is developing rapidly， widely used in the fields of agriculture and forestry monitoring and forest fire prevention. However， the shock absorption technology of UAV aerial remote sensing system is still an urgent problem to be solved. This paper analyzes the related factors in order to reduce the machine shock to the minimum， and ultimately improve the quality of remote sensing video images.

Key words： UAV； aerial remote sensing； video； shock absorption

近年來，隨著無人機技術(shù)的高速發(fā)展，結(jié)合各個領(lǐng)域的整合利用，已經(jīng)取得了優(yōu)異的成績。其中無人機遙感航拍在農(nóng)林監(jiān)測和森林前期煙霧識別防火、火情監(jiān)測等領(lǐng)域以成本低，入手易，效果明顯等優(yōu)點逐漸占領(lǐng)市場，但是由于高清遙感視頻對鏡頭的震動較敏感，機震是影響高清遙感視頻質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，于是減震技術(shù)成為多軸無人機遙感航拍系統(tǒng)的瓶頸，文章就系統(tǒng)中各個可能的造成震動的因素及其相應(yīng)的減震策略進行簡單的研究，以提高高清遙感視頻的質(zhì)量，下面就機種的選擇，震源和減震分析三個方面進行分析。

1 機種的選擇

市面上，用于專業(yè)航拍的機器大部分是六旋翼或八旋翼無人機，因其較好的載重能力，優(yōu)秀的飛行穩(wěn)定性靈活性，對飛行環(huán)境較好的適應(yīng)性成為眾多機種中航拍的首選機器。

1.1 載重能力

無人機的載重能力直接決定了它所能搭載的云臺及攝影機的類型即它的拍攝能力。多軸無人機因其強勁的動力及載重能力明顯比其他機種更適合高清遙感航拍，筆者組裝的六軸無人機總負(fù)載8.5KG，減去自重4.5KG，仍有4KG的載重能力，足夠使用市面上常用的中小型云臺和單反或微單攝影系統(tǒng)，如佳能5D4，尼康D850，松下GH5，索尼A7S、Gopro等。

1.2 飛行穩(wěn)定性、靈活性

多軸無人機的飛行穩(wěn)定性、靈活性滿足了高清遙感航拍的各項基本要求。在拍攝中，如果飛行不穩(wěn)會導(dǎo)致構(gòu)圖不穩(wěn)以至于素材不能用，多軸無人機在穩(wěn)定性上占有優(yōu)勢，可以做到空中定點拍攝，另外由于其靈活性可以實現(xiàn)高難度的跟拍飛行路線?；诙噍S無人機的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和優(yōu)秀的飛控系統(tǒng)、飛行模式，無疑使其成為高清遙感航拍的不二之選。

1.3 場地適應(yīng)性

多軸無人機優(yōu)秀的場地適應(yīng)性決定了其便利性和適應(yīng)性。固定翼起飛降落需要較長較開闊的跑道使它不能適應(yīng)各種復(fù)雜的地勢環(huán)境，所以并不適合做低空高清航拍。多軸無人機可以適應(yīng)各種復(fù)雜的地勢環(huán)境，起飛降落都十分便利，基本沒有場地限制的問題。

2 震源

多軸無人機震源主要來自電機和螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的低頻和高頻震動，經(jīng)由機臂、機身、懸掛系統(tǒng)、云臺傳遞到攝影機，其中低頻震動會直接導(dǎo)致畫面構(gòu)圖抖動，高頻震動會產(chǎn)生畫面果凍效應(yīng)。經(jīng)相關(guān)人員測試，120Khz是小型四旋翼震動頻率段，80Khz是大型多旋翼震動頻率段。果凍效應(yīng)，簡單來說，就是使用卷簾快門的攝影機在拍攝高速運動物體，或者攝影機本身在高速運動、震動的情況下拍攝時產(chǎn)生的抖動、扭曲、傾斜等現(xiàn)象。市面上大部分中低端相機及攝像機都采用的是CMOS傳感器卷簾快門，其工作方式是讓像素從上到下進行逐行感光產(chǎn)生了微小的曝光時間差，特別是在拍攝高速運動的物體時最終成像就會造成傾斜、畸變。所以，對于很多高清遙感航拍而言，降低飛行器的高頻震動帶來的果凍效應(yīng)是必須解決的難題之一。另外，云臺自動補償和執(zhí)行指令時也會產(chǎn)生微弱的震動，也是震源之一。

3 減震分析

減震是指通過分析多軸無人機震動的根源，從各個相關(guān)因素入手盡可能地減少飛行中機器的震動，以此來提高高清遙感視頻的質(zhì)量，下面從電機及漿的材質(zhì)/安裝/動平衡、機身及云臺布局、飛控參數(shù)設(shè)置、云臺減震裝置、云臺參數(shù)設(shè)置五個方面進行分析：

3.1 電機及漿的安裝、材質(zhì)、動平衡

電機和螺旋槳既然是震源，所以必須把它們的震動降低到最小值，要求做到以下三點：

（1）漿的材質(zhì)大致分為三種：APC漿動平衡好效率很高，續(xù)航長優(yōu)于碳漿和木漿，缺點在于漿身比較軟，大載重、高速飛、大拉力時，漿會輕微變形產(chǎn)生額外的震動；木漿多為櫸木，硬度高、重量輕、靜平衡完美、無破風(fēng)聲、振動極小、但效率較低，木漿更容易緩解但不一定能完全消除果凍；碳漿有優(yōu)異的硬度、合適的漿型、不變形、破風(fēng)聲極小、效率高于木漿稍微低于APC，是大多數(shù)航拍多軸無人機的選擇。筆者選擇的就是復(fù)合碳纖工藝的碳漿：DJI 1552折疊槳，夠輕、夠硬，飛行起來聲音相對普通碳纖槳會小很多。

（2）電機的安裝：必須保證絕對水平，可以借助水平儀來完成，這樣不僅可以減小低頻震動還可以提高電機工作有效率。

（3）電機和漿的動平衡調(diào)節(jié)：因為電機和漿并不能保證重量和形狀絕對對稱，這些誤差會增加震動，所以調(diào)節(jié)動平衡是很有必要的。有條件的可以用專業(yè)的動平衡調(diào)節(jié)儀器，沒條件的也可以用簡便的方法來實現(xiàn)：用激光筆加小鏡子給電機上槳做動平衡，把鏡子貼在電機的安裝處，固定機臂的另一端，用激光筆照射小鏡子，使光源反射到墻上，然后通電，通過遙控控制電機的轉(zhuǎn)速，觀察墻面光源反射點的震動幅度，通過給電機的轉(zhuǎn)子不同方位粘膠帶，找到最佳位置使反射的光源振幅達(dá)到最小，同樣上漿后也可以給漿做動平衡。這樣可以保證飛行中電機和漿產(chǎn)生最小的震動。

做好以上三點，基本上可以把低頻震動降到最低，高頻震動明顯得到改善。

3.2 機身及云臺布局

機身內(nèi)部布局除了要簡潔外最好把重心安排在幾何中心，這樣從各個機臂傳來的震動可以互相抵消一部分，另外一方面可以保護電機電調(diào)不會因為重心不平衡而導(dǎo)致某部分電機電調(diào)過載。另外，懸掛系統(tǒng)及云臺安排在機身重心正下方，震動會小很多。經(jīng)筆者測試，因電池放在重心正下方而把云臺攝影系統(tǒng)懸掛在重心下面偏前位置時，機震會通過懸掛系統(tǒng)的杠桿放大反而增強了畫面的上下抖動，導(dǎo)致素材不可用。因此需要更改布局，把電源系統(tǒng)放在重心正上方即機頂上面，把云臺攝影系統(tǒng)懸掛在重心正下方才是最好的解決方案。

3.3 飛控參數(shù)設(shè)置

飛控參數(shù)的設(shè)置對飛行靈敏度、穩(wěn)定性的影響非常大，所以設(shè)置參數(shù)也是減震環(huán)節(jié)之一。

首先，PID參數(shù)的設(shè)置：Proportion比例，簡稱P；Integral積分，簡稱I；Derivative微分，簡稱D，可見PID 控制是基于微積分的數(shù)字化自動控制方式。在多軸無人機的飛行調(diào)試中，P值越大，多軸無人機執(zhí)行指令的響應(yīng)速度越快，控制力強，表現(xiàn)為越靈敏，但過大會產(chǎn)生強烈的震動，P值越小，多軸無人機執(zhí)行指令的響應(yīng)速度越慢，控制力弱，表現(xiàn)為動作遲鈍跟不上指令，好的調(diào)試原則是在不產(chǎn)生震動的情況下P值盡可能高；D是對P調(diào)節(jié)，修正消除P值過大產(chǎn)生的震蕩，D值越大，調(diào)節(jié)越平緩，表現(xiàn)為越平穩(wěn)，但D過大會使調(diào)節(jié)時間延長，表現(xiàn)為反應(yīng)遲鈍，所以D值盡可能?。籌是為了消除誤差而加入的參數(shù)，如果沒有I的作用，在多軸無人機平臺上的表現(xiàn)就是飛行器越來越傾斜，最終失去平衡，I的調(diào)節(jié)是建立在P、D的基礎(chǔ)上的，P、D的改變都會影響I的效果。所以最終的調(diào)節(jié)步驟就是先調(diào) P 確立靈敏度，接著調(diào)節(jié)D調(diào)整平穩(wěn)度，最后調(diào)節(jié)I確定精度，總的來說，I和D負(fù)責(zé)修正P值大了造成的錯誤，使P盡可能大而機震盡可能小，使多軸無人機盡可能靈敏、精準(zhǔn)、平穩(wěn)地飛行。具體的調(diào)試過程中，一般先調(diào)試Pitch、Roll方向的PID，再調(diào)試Yaw方向的PID，慢慢找到最理想的參數(shù)。另外，不同的拍攝項目也需要對PID參數(shù)進行細(xì)微調(diào)整以滿足拍攝要求。一般的遙感監(jiān)測要求構(gòu)圖流暢穩(wěn)定，不需要做大動作靈敏度要求不高， P值可以小點，火情監(jiān)測類跟拍需要極快的響應(yīng)速度和動力，所以P值要加大，D、I根據(jù)P做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

其次，飛行模式的設(shè)置。不同的項目可以選擇不同的飛行模式，以實現(xiàn)最佳的減震和拍攝效果，下面介紹兩種基本拍攝項目的飛行模式：一、航點模式自動飛行，通過地面站軟件預(yù)先設(shè)置好航點，無人機就可以按照事先定好的航點自動飛行，實現(xiàn)一般的掃描式的遙感監(jiān)測拍攝，無須全程人工的操作，人力成本很低；二、人工模式手動飛行，一些復(fù)雜的拍攝項目如現(xiàn)場火情監(jiān)測，必須考慮到無人機的安全問題，不宜用航點模式自動飛行，通常由飛手和云臺手同時手動飛行操作，一般用自穩(wěn)模式或手動模式來起飛和降落、用定點模式來空中定點觀測。

總的來說，參數(shù)設(shè)置要根據(jù)不同的拍攝項目，選擇不同的飛行模式，調(diào)整不同模式下的PID參數(shù)，不斷調(diào)試積累經(jīng)驗，達(dá)到最佳飛行狀態(tài)和最小機震效果。

3.4 云臺減震裝置

市面上大部分云臺減震裝置都是減震球，選擇合適的減震球至關(guān)重要，它是整個減震系統(tǒng)的軟組織吸震裝置，連接無人機機身和懸掛系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)和云臺系統(tǒng)，震動由機身經(jīng)過減震球傳遞給懸掛系統(tǒng)最終到達(dá)攝影機。減震球一般有硅膠、橡膠兩種材質(zhì)，硅膠偏軟橡膠偏硬；受力方式有下壓式、懸掛式兩種，下壓式偏軟懸掛式偏硬。減震球材質(zhì)的彈性系數(shù)，厚度，工藝結(jié)構(gòu)，承重能力等決定了其是否匹配不同的無人機、攝影機系統(tǒng)。

3.5 云臺參數(shù)設(shè)置

云臺的參數(shù)決定了云臺對飛行動作做逆向補償?shù)男Ч?，可以根?jù)不同的攝影機系統(tǒng)和拍攝項目設(shè)置不同的參數(shù)達(dá)到最佳的效果。云臺除了自動補償無人機機身的傾斜從而保持穩(wěn)定的構(gòu)圖，還可以在俯仰PITCH和水平旋轉(zhuǎn)YAW方向調(diào)整構(gòu)圖。其參數(shù)設(shè)置尤其是PID直接決定了云臺執(zhí)行指令時本身產(chǎn)生的震動導(dǎo)致畫面抖動，雖然云臺本身的震動比無人機的震動小很多，但也是震源之一，并且直接作用于攝影系統(tǒng)，所以設(shè)置合理的參數(shù)也是很有必要的。不同的云臺系統(tǒng)配合不同的攝影機系統(tǒng)，需要不同的PID參數(shù)才能實現(xiàn)最好的減震性能，一般來說，攝影機越重，P值也越大，以便提供更大的動力和更 快的響應(yīng)速度，這些需要從大量的航拍實踐中積累經(jīng)驗，逐步調(diào)試出最佳參數(shù)。

4 結(jié)語

在實際的航拍實踐中，需要從各個方面逐一入手，把每一個相關(guān)因素的影響降到最低，根據(jù)不同的航拍項目把飛行器調(diào)試到最佳的飛行狀態(tài)，不斷積累經(jīng)驗，最后制作出優(yōu)秀的高清遙感航拍視頻，為科研工作等提供良好的素材。

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【通聯(lián)編輯：王力】