航拍無人機(jī)的“秘密”

丁厚文

摘 要：科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，航拍無人機(jī)離我們的生活越來越近，已經(jīng)滲透到影片制作、城市管理、消防救援等諸多領(lǐng)域。本文將用通俗易懂的語(yǔ)言對(duì)航拍無人機(jī)的組成系統(tǒng)、行業(yè)應(yīng)用和未來展望進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：航拍無人機(jī); 行業(yè)應(yīng)用; 未來展望

中圖分類號(hào)：TB22? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2019）11-022-002

自古以來，人類就想像鳥兒一樣在空中展翅自由翱翔，俯視人間美好的一切。14世紀(jì)末期，明朝士大夫萬(wàn)戶坐在綁了47個(gè)自制火箭的椅子上，雙手舉著兩只大風(fēng)箏，點(diǎn)火發(fā)射，用生命開啟人類的飛天夢(mèng)想。1902年萊特兄弟成功制造了第一架飛機(jī)， 首創(chuàng)的飛行控制系統(tǒng)，至今仍被應(yīng)用在所有的飛機(jī)上。盡管如此，時(shí)至今日人們?cè)诳罩懈╊蟮厝孕枰还P不菲的費(fèi)用，起飛與降落也要受限。于是，無人機(jī)誕生了。

無人機(jī)的種類按機(jī)翼形式分主要有兩種，固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)在軍事偵察、固定目標(biāo)打擊等領(lǐng)域起到巨大作用。而多旋翼無人機(jī)已與人們生活息息相關(guān)，在航拍、救援、農(nóng)業(yè)、電力巡查等方面必不可少。平日里與我們關(guān)系最為緊密的就是航拍無人機(jī)了，無論是新聞報(bào)道的航拍畫面，還是電影中炫酷的航拍鏡頭都已成為一大亮點(diǎn)，航拍無人機(jī)是怎樣工作的？今天我們就揭開航拍無人機(jī)的面紗。

簡(jiǎn)單歸納，航拍無人機(jī)主要有以下幾個(gè)系統(tǒng)組成;飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、拍攝系統(tǒng)、通信系統(tǒng)。

一、飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)（Flight control system）簡(jiǎn)稱飛控系統(tǒng)，是航拍無人機(jī)的核心，擔(dān)負(fù)著無人機(jī)飛行及安全的保障作用，該系統(tǒng)可以視為無人機(jī)的大腦，也可理解為一名資深的飛行員。飛控系統(tǒng)的傳感器主要有用來確定機(jī)頭方向的指南針，用來感知姿態(tài)的陀螺儀，用來定位的GPS，還有用來確定高度的氣壓計(jì)，再加上飛行控制系統(tǒng)的算法，從而使飛機(jī)安全穩(wěn)定的飛行。

飛控系統(tǒng)在無人機(jī)起飛前，會(huì)進(jìn)行一系列的飛前準(zhǔn)備工作。包括指南針的校準(zhǔn);確定機(jī)頭的朝向;搜索GPS信號(hào)或者使用視覺定位確定飛機(jī)的位置;通過氣壓計(jì)，確定無人機(jī)的初始高度。飛控系統(tǒng)經(jīng)過厲兵秣馬，確保無人機(jī)飛行的萬(wàn)無一失。

起飛后，無人機(jī)根據(jù)操作人員通過遙控器發(fā)出的指令，進(jìn)行上升下降、左旋右轉(zhuǎn)等操作。如遇到惡劣天氣，超過飛控系統(tǒng)調(diào)整范圍，無人機(jī)也會(huì)失控墜落（俗稱炸機(jī)），這就建議操作人員在風(fēng)大及氣流不穩(wěn)定的地方，謹(jǐn)慎飛行。

然而在一些室內(nèi)航拍中，沒有GPS的定位，無人機(jī)是怎么實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的懸停呢？新一代的航拍無人機(jī)，在室內(nèi)無GPS的情況下也能通過機(jī)身自帶的避障攝像頭，通過強(qiáng)大的飛控系統(tǒng)算法，運(yùn)用光流法計(jì)算無人機(jī)的漂移，飛控系統(tǒng)則不斷修正，保證無人機(jī)能穩(wěn)定懸停。

二、動(dòng)力系統(tǒng)

航拍無人機(jī)一般是由四旋翼組成的十字型結(jié)構(gòu)，在十字型結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)分別安裝槳葉，每個(gè)旋翼上則安裝一個(gè)電機(jī)，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)度，實(shí)現(xiàn)各種飛行姿態(tài)。

懸停，是多旋翼無人機(jī)具有的一個(gè)顯著的特點(diǎn)。在懸停狀態(tài)下，產(chǎn)生的上升合力正好與自身重力相等。通過飛控系統(tǒng)不斷檢測(cè)其因受環(huán)境氣流等影響而產(chǎn)生的漂移，實(shí)時(shí)進(jìn)行修正，保證無人機(jī)在空中實(shí)現(xiàn)精確懸停。

上升及下降，是無人機(jī)飛行狀態(tài)中較為簡(jiǎn)單的一種，當(dāng)同時(shí)増加四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得旋翼產(chǎn)生的總升力大小超過無人機(jī)的重力時(shí)，即上升;反之，當(dāng)同時(shí)減小旋翼轉(zhuǎn)速時(shí)，使得每個(gè)旋翼產(chǎn)生的總升力小于自身重力時(shí)，即下降。

前進(jìn)和后退（向左和向右同理），前進(jìn)時(shí)，通過機(jī)頭槳葉轉(zhuǎn)速下降，使得推力下降，無人機(jī)機(jī)頭向前傾斜，機(jī)尾槳葉高于機(jī)頭，無人機(jī)在水平方向上形成前低后高的姿態(tài)，使得無人機(jī)向前運(yùn)動(dòng)。后退時(shí)，機(jī)尾槳葉轉(zhuǎn)速下降，使得無人機(jī)在水平方向上形成前高后低的姿態(tài)，使得無人機(jī)向后運(yùn)動(dòng)。

無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，是有一塊隨機(jī)攜帶的電池提供動(dòng)力，飛控系統(tǒng)根據(jù)飛行距離及高度，預(yù)留好返航電量。在飛行過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電量，當(dāng)檢測(cè)到電池電量低于操控人員設(shè)置的提示電量時(shí)，發(fā)送報(bào)警信號(hào)提示操控人員準(zhǔn)備返航。當(dāng)電量低于系統(tǒng)預(yù)留返航電量時(shí)，觸發(fā)自動(dòng)返航，無人機(jī)將根據(jù)起飛時(shí)記錄的返航位置，自動(dòng)返航。行業(yè)用戶配置的電池都比較大，飛行時(shí)間較長(zhǎng)。

三、拍攝系統(tǒng)

航拍無人機(jī)的拍攝系統(tǒng)主要由拍攝頭和云臺(tái)組成。

航拍無人機(jī)在飛行過程中，不可避免會(huì)帶來各種震動(dòng)，這就會(huì)給拍攝造成困擾，導(dǎo)致拍攝的圖像抖動(dòng)。但是我們?cè)陔娪爸锌吹降暮脚溺R頭，畫面都十分平穩(wěn)，這是為什么呢？設(shè)計(jì)者為了解決這個(gè)問題，一般航拍無人機(jī)都會(huì)搭載三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，利用云臺(tái)內(nèi)部電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)保持平衡，抵消外界帶來的震動(dòng)，相機(jī)便可在各種飛行姿態(tài)下，始終保持相對(duì)于地面平穩(wěn)。

四、通信系統(tǒng)

航拍無人機(jī)的通信系統(tǒng)有兩個(gè)部分組成，一個(gè)是傳送航拍圖像信號(hào)的圖傳系統(tǒng)，另一個(gè)是飛機(jī)控制通信系統(tǒng)。

1.圖傳系統(tǒng)

為了能實(shí)時(shí)看到所拍的畫面，航拍無人機(jī)采用三種技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸，Wife圖傳、數(shù)字圖傳、模擬圖傳。通過2.4Ghz/5.8Ghz頻段實(shí)時(shí)傳回低碼流的圖像信號(hào)以便人們能夠精確構(gòu)圖及監(jiān)控?zé)o人機(jī)狀態(tài)及位置。Wife圖傳一般用于低端無人機(jī)上，因?yàn)閃ife是雙向傳輸，在確認(rèn)一個(gè)數(shù)據(jù)包傳到后才會(huì)傳送下一個(gè)數(shù)據(jù)包，因此干擾比較嚴(yán)重時(shí)，恢復(fù)信號(hào)較慢，時(shí)延較大，很容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。數(shù)字傳輸是單向傳輸，Wife圖傳的缺點(diǎn)基本都已解決，恢復(fù)信號(hào)較快，時(shí)延較小，有更高的碼流，廣泛用于高端的無人機(jī)上。模擬圖傳常常用于穿越機(jī)上，畫面質(zhì)量較差，但是基本上可以做到“零時(shí)延”，對(duì)飛手操控飛機(jī)的精確度有很大的幫助。

2.飛機(jī)控制通信系統(tǒng)

航拍無人機(jī)在空中，任何動(dòng)作，都是靠飛手通過遙控器給飛機(jī)發(fā)送指令，無人機(jī)接收到指令后，做出相應(yīng)的動(dòng)作。無人機(jī)在起飛后，實(shí)時(shí)的垂直高度和水平距離、飛機(jī)的飛行姿態(tài)、電池的電量等，通過天線實(shí)時(shí)傳送給飛手的遙控器中，并在終端上顯示，以便飛手更好的控制無人機(jī)。

●航拍無人機(jī)的黑科技

避障系統(tǒng)，通過安裝在機(jī)身上雙目攝像頭或者紅外線距離感應(yīng)器，實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍阻擋物，發(fā)出警告，通知控制人員采取措施。若控制人員未采取有效避障措施，飛控系統(tǒng)將無人機(jī)懸?；蛘咦灾骼@開障礙物。

如今無人機(jī)飛行時(shí)所產(chǎn)生的噪音也備受關(guān)注，設(shè)計(jì)者已經(jīng)通過改變螺旋槳的形狀或其他方面降低飛行時(shí)的噪音。筆者認(rèn)為無論如何改變螺旋槳的形狀，只要轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生噪音，可以考慮用聲波相互抵消解決這一問題，這也必將成為無人機(jī)未來研究的方向。

●航拍無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用

從高成本到低成本更加方便靈活的航拍，現(xiàn)已經(jīng)逐漸走入千家萬(wàn)戶，不少攝影愛好者和視頻工作者都已經(jīng)將航拍元素加入自己的視頻創(chuàng)作之中。因?yàn)楹脚臒o人機(jī)體積較小，攜帶方便，可以靈活穿梭于街巷之中，如張藝謀導(dǎo)演的《影》不少鏡頭都是無人機(jī)在房屋間穿梭拍攝的。

在救援方面，航拍無人機(jī)可搭載熱成像攝像頭與光學(xué)變焦攝像頭，在茫茫冰川或山谷中，比起人力和直升機(jī)搜尋被困人員要更省時(shí)省力，也同時(shí)大大節(jié)約了救援成本。另外，無人機(jī)測(cè)繪比傳統(tǒng)的人工測(cè)繪更加凸顯優(yōu)勢(shì)，工期短精度高費(fèi)用低。運(yùn)用無人機(jī)的3D建模技術(shù)建立起來的模型更加真實(shí)、直觀，符合實(shí)際。今年山西大同懸空寺用無人機(jī)建立高精度實(shí)景三維模型獲得成功，推動(dòng)了文物的研究分析與技術(shù)保護(hù)。

●航拍無人機(jī)的問題與未來展望

雖然，航拍無人機(jī)飛行十分靈活，可穩(wěn)定懸停在空中，亦可向各個(gè)方向飛行。但是，空氣推力飛行也有很多缺點(diǎn)存在，機(jī)身和負(fù)載的重力都是空氣提供的推力，而不是像普通客機(jī)升力是由壓強(qiáng)差提供的。因此，航拍無人機(jī)飛行效率低下，飛行時(shí)間也較短。同時(shí)，氣流的不穩(wěn)定也極易導(dǎo)致無人機(jī)姿態(tài)變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成失控墜落。飛行事故頻發(fā)，無論是撞到高樓還是樹木，抑或是失控下墜，對(duì)人的傷害或者對(duì)生態(tài)的危害都是很嚴(yán)重的，針對(duì)這一情況一部分廠商已經(jīng)對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了禁飛的劃分，這是為了防止危害民航安全。國(guó)家為了加強(qiáng)無人機(jī)的管理，在深圳已經(jīng)進(jìn)行無人機(jī)管理的試點(diǎn)，飛手在飛行之前需要報(bào)備飛行計(jì)劃，所有無人機(jī)都應(yīng)通過手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)，管理機(jī)構(gòu)能實(shí)時(shí)看到無人機(jī)目前的高度和起飛地點(diǎn)。

未來，無人機(jī)可以使用低成本的雷達(dá)感知環(huán)境障礙，避免撞到障礙物，更穩(wěn)定的飛控算法也能使無人機(jī)更安全，相關(guān)政策的落實(shí)也使得無人機(jī)更加規(guī)范。城市建設(shè)與發(fā)展讓無人機(jī)更加深入到城市管理，交通巡查，消防救援，能源巡檢，環(huán)境監(jiān)測(cè)，三維建模等諸多方面。也許，未來天空中的無人機(jī)就像今日的汽車一樣，更有序、更規(guī)范地運(yùn)行，究竟是什么樣的誰(shuí)也不知道，就讓我們一起期待吧！