低空微型智能一體化無(wú)人機(jī)的安全航拍實(shí)測(cè)分析

鄺 磊

近年來(lái)出現(xiàn)的低空微型一體化無(wú)人機(jī)，讓民用無(wú)人機(jī)進(jìn)一步向低成本、輕量化和智能化發(fā)展，令航拍操作更為便捷。但當(dāng)航拍技術(shù)走向普及的同時(shí)，人們的著眼點(diǎn)大都在航拍作品的創(chuàng)作上，對(duì)飛行安全的關(guān)注度并不足夠。作者以“無(wú)人機(jī)”“航拍”“航拍安全”“無(wú)人機(jī)飛行條件”等關(guān)鍵詞在中國(guó)知網(wǎng)中進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，共篩選出關(guān)聯(lián)度較高的12 篇文獻(xiàn)資料。研究論文的研究著眼點(diǎn)主要涉及無(wú)人機(jī)航拍的技術(shù)應(yīng)用（3 篇），無(wú)人機(jī)航拍創(chuàng)作技法（6 篇）和無(wú)人機(jī)航拍的基礎(chǔ)操作（3 篇），涉及無(wú)人機(jī)航拍安全的專門(mén)研究甚少。通過(guò)查閱無(wú)人機(jī)安全飛行操作手冊(cè)，專業(yè)書(shū)籍和網(wǎng)絡(luò)論壇資料，結(jié)合作者利用DJI Mavic Air 微型無(wú)人機(jī)的航拍實(shí)踐案例，將主要觀點(diǎn)提煉和總結(jié)如下文所示。

1 無(wú)人機(jī)的產(chǎn)品說(shuō)明手冊(cè)及免責(zé)聲明和安全操作指引手冊(cè)的解讀及相關(guān)項(xiàng)目分析

查閱DJI Mavic Air 機(jī)型的產(chǎn)品說(shuō)明手冊(cè)和免責(zé)聲明和安全操作指引手冊(cè)，將其中有關(guān)安全飛行的內(nèi)容和分析如下：

1.1 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中對(duì)飛行極限參數(shù)的描述

了解飛行器的飛行極限參數(shù)是對(duì)航拍安全的最重要的保障。Mavic Air 的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中明確指出，該款無(wú)人機(jī)的最大起飛海拔高度為5 000m；在無(wú)風(fēng)環(huán)境下，最長(zhǎng)飛行時(shí)間為21 分鐘，最長(zhǎng)懸停時(shí)間為20 分鐘；最遠(yuǎn)續(xù)航里程為10km；最大可抗風(fēng)力為五級(jí)風(fēng)；工作環(huán)境溫度范圍為0℃至40℃。

1.2 飛行條件要求

飛行條件指的是飛行器賴以正常工作的氣象和地形環(huán)境等條件。在Mavic Air 的飛行要求中，明確規(guī)定在四級(jí)或以上的風(fēng)力、雨、雪、雷電和有霧的惡劣天氣下不能飛行。該要求的“注意”事項(xiàng)中特別指出，智能飛行電池性能會(huì)受到空氣密度和環(huán)境溫度的影響，且在遭遇火災(zāi)、爆炸、雷擊、暴風(fēng)、龍卷風(fēng)、暴雨、洪水、地震、沙暴等災(zāi)害時(shí)不得使用飛行器。

1.3 無(wú)線通信的要求

無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信過(guò)程是雙向的。一方面，無(wú)人機(jī)需要接收遙控器發(fā)出的指令，完成相應(yīng)的飛行操作；另一方面，無(wú)人機(jī)也會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)出飛行和影像數(shù)據(jù)返回至遙控器中，讓操控者看見(jiàn)飛行器當(dāng)前的狀態(tài)和影像畫(huà)面，這就是俗稱的圖傳。在飛行過(guò)程中，圖傳的丟失是最重要的飛行安全隱患之一。

Mavic Air 的免責(zé)聲明和安全操作指引手冊(cè)中對(duì)無(wú)線通信環(huán)境的要求包括：拍攝環(huán)境開(kāi)闊空曠和排除其他無(wú)線設(shè)備干擾。

1.4 智能飛行電池的使用說(shuō)明

智能化無(wú)人機(jī)的電池性能是直接影響飛行安全的主要因素之一。電量不足會(huì)引發(fā)飛行性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的不正常停機(jī)，造成墜機(jī)意外。Mavic Air 的智能飛行電池類型為L(zhǎng)iPo 3S，容量為2375 mAh。這款電池屬于鋰電池，因其在低溫環(huán)境下性能降低可致飛行時(shí)間縮短，故此說(shuō)明書(shū)另列出了在低溫下使用電池的注意事項(xiàng)，提示在-10℃至5℃下使用電池，電池容量將驟減，在-10℃以下的環(huán)境下電池將無(wú)法使用。同時(shí)，說(shuō)明書(shū)提示了低溫條件下使用電池的注意事項(xiàng)。

1.5 關(guān)于自動(dòng)返航

自動(dòng)返航功能是智能化無(wú)人機(jī)的重要安全保障之一。在丟失圖傳，GPS 信號(hào)不穩(wěn)定，電池容量低等情況下，智能化無(wú)人機(jī)可自主切入返航模式，根據(jù)起飛時(shí)最新記錄的返航點(diǎn)自動(dòng)返航并降落。說(shuō)明書(shū)中也特別提到了自動(dòng)返航需滿足的條件，以及遇到不利因素影響時(shí)可能出現(xiàn)的返航安全問(wèn)題。

1.6 關(guān)于視覺(jué)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)又稱為“視覺(jué)避障系統(tǒng)”，主要由一系列避障鏡頭和傳感器、處理器組成，可讓無(wú)人機(jī)在一定的飛行模式下實(shí)現(xiàn)自主剎車、提高飛行高度以實(shí)現(xiàn)避障。Mavic Air 的視覺(jué)系統(tǒng)由前視、后視和下視覺(jué)系統(tǒng)組成，主要用于識(shí)別觀察范圍之內(nèi)的障礙物，在有效距離內(nèi)剎車并后退到安全距離，之后自主升高至無(wú)法檢測(cè)到障礙物，再以當(dāng)前高度繼續(xù)飛行。此外手冊(cè)還對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的工作條件作了詳細(xì)描述。

2 Mavic Air 在各類臨界飛行條件下的航拍實(shí)測(cè)及技術(shù)分析

出于安全飛行考慮，無(wú)人機(jī)駕駛員必須在產(chǎn)品所限定的飛行條件下完成飛行和航拍。然而，戶外航拍有諸如氣象條件變化等諸多不可控因素，在臨界飛行條件下執(zhí)飛是不可避免的。以下是作者在幾種常見(jiàn)的臨界飛行條件下航拍實(shí)測(cè)及技術(shù)分析。

2.1 飛行途中突遇降雨

航拍地點(diǎn)：杰古沙龍冰河湖（J?kulsárlón）的鉆石沙灘。

航拍時(shí)刻及天氣條件：夏季午后，多云轉(zhuǎn)陰有小雨，氣溫8℃，風(fēng)力1-2 級(jí)。

航拍設(shè)備：DJI Mavic Air。

當(dāng)日起飛時(shí)刻為多云天氣，返航途中突遇小雨。考慮到雨勢(shì)不大，且距離起飛點(diǎn)不足400m，作者并未實(shí)施緊急迫降，而是手動(dòng)控制Mavic Air 遠(yuǎn)離人群，升高到30m 后返航。

重放返航視頻，可見(jiàn)畫(huà)面右方大面積的，呈同心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的條狀陰影（應(yīng)為槳影）。降低飛行速度后，畫(huà)面中能清晰地看到槳翼激起的雨花。兩者都影響了航拍圖像的清晰度（圖1）。除此之外，航拍過(guò)程中并未出現(xiàn)任何異常。

圖1 無(wú)人機(jī)的槳影和水花影響航拍圖像清晰度

Mavic Air 沒(méi)有特殊的防水設(shè)計(jì)，雨天航拍有可能導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)水，形成短路而引發(fā)動(dòng)力系統(tǒng)失靈。因此，為了延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的使用壽命，應(yīng)遵守飛行安全守則，不在雨天飛行。若在飛行途中突遇降雨，應(yīng)立即將無(wú)人機(jī)飛行至安全位置降落。

2.2 抗風(fēng)能力實(shí)測(cè)

航拍地點(diǎn)：大西洋海濱公路（Atlanterhavsveien）。

航拍時(shí)刻及天氣條件：夏季上午，晴天，氣溫22℃，風(fēng)力4-6 級(jí)。

航拍設(shè)備：DJI Mavic Air。

大西洋海濱公路是位于挪威默勒-魯姆斯達(dá)爾郡的一條高速公路，連接埃德自治市和阿沃島自治市之間一系列島嶼。由于地處大西洋海灣的特殊地理位置，海平面風(fēng)力較高，可達(dá)4～6 級(jí)。飛行器在起飛上升過(guò)程中受風(fēng)力影響顛簸幅度較大。但升高至80m～100m 高度后，顛簸漸趨平穩(wěn)。從懸停航拍照片上看，圖像的清晰度并未受到風(fēng)力的影響。飛行和拍攝過(guò)程一切正常（圖2）。

圖2 4～6級(jí)風(fēng)力下80m高度懸停拍攝的畫(huà)面

在網(wǎng)上查閱Mavic Air 極限風(fēng)力下的飛行案例，發(fā)現(xiàn)其與同級(jí)別機(jī)型相比抗風(fēng)能力較強(qiáng)。部分駕駛員甚至飛出了6 級(jí)以上的抗風(fēng)參數(shù)。但隨著風(fēng)力的增加，飛行器動(dòng)力系統(tǒng)要額外增加輸出以確保飛行平穩(wěn)，這將增加電池續(xù)航壓力。此外，在過(guò)高的風(fēng)力下，懸停拍照的穩(wěn)定性可通過(guò)HDR 處理彌補(bǔ)，但風(fēng)力引起的顛簸會(huì)直接影響航拍視頻的穩(wěn)定性。

2.3 在高溫天氣下的航拍

航拍地點(diǎn)：普羅旺斯石頭城（Gordes）。

航拍時(shí)刻及天氣條件：夏季中午，晴天，氣溫38℃～40℃，風(fēng)力2 級(jí)。

航拍設(shè)備：DJI Mavic Air。

夏季的普羅旺斯天氣晴熱干燥，日間地面最高溫度可達(dá)40℃以上。飛行器在起飛后不久即出現(xiàn)了動(dòng)力過(guò)載警報(bào)，降低飛行速度后得到一定改善。飛行過(guò)程中并未受其影響，航拍畫(huà)面清晰（圖3），電池續(xù)航能力正常。唯降落后發(fā)現(xiàn)電池有發(fā)熱過(guò)度的現(xiàn)象。

圖3 夏季正午40℃氣溫下的航拍畫(huà)面

Mavic Air 的產(chǎn)品手冊(cè)中提示40℃氣溫是極限飛行條件。實(shí)測(cè)顯示在接近高溫極限時(shí)系統(tǒng)會(huì)收到動(dòng)力飽和警報(bào)。查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)此報(bào)警是電機(jī)散熱不良引起的，嚴(yán)重時(shí)可致動(dòng)力系統(tǒng)失靈。此外，在高溫下飛行還有可能導(dǎo)致電池過(guò)熱，電壓下降過(guò)快，續(xù)航能力大大降低。

2.4 在低溫天氣下的航拍

航拍地點(diǎn)：上川郡美瑛町。

航拍時(shí)刻及天氣條件：冬季午后，晴天，氣溫-5℃，無(wú)風(fēng)。

航拍設(shè)備：DJI Mavic Air。

航拍點(diǎn)位于上川郡美瑛町郊外的一片天然林，積雪達(dá)50cm 以上。起飛地點(diǎn)為天然林前的停車場(chǎng)，當(dāng)日天氣晴好，無(wú)風(fēng)無(wú)雪。升空懸停時(shí)即收到GPS信號(hào)弱的提示，飛行過(guò)程中有動(dòng)力飽和警告，升空至30m 后轉(zhuǎn)向飛至天然林上空時(shí)，再次出現(xiàn)GPS 信號(hào)弱的警示，飛行器進(jìn)入姿態(tài)模式，隨后圖傳信號(hào)丟失、黑屏，飛行器與遙控器失聯(lián)。當(dāng)即停止撥桿，調(diào)整遙控器天線多次嘗試與飛行器重聯(lián)，直至再次出現(xiàn)圖傳信號(hào)后，手動(dòng)開(kāi)啟自動(dòng)返航。此刻再次收到GPS 信號(hào)弱的提示，隨即從圖傳畫(huà)面上看到飛行器失控側(cè)翻，隨后DJI Go 4 卡停，重啟軟件后，飛行器與遙控器無(wú)法再次重聯(lián)。10 分鐘后，從飛行記錄參數(shù)上判斷飛行器已墜落山間密林中（圖4）。

圖4 冬季-5℃下飛行器失聯(lián)后墜機(jī)的DJI GO 4飛行記錄頁(yè)

查看飛行記錄，判斷此次墜機(jī)意外由以下三個(gè)因素造成：

其一是低溫天氣嚴(yán)重影響了電池續(xù)航能力。此次飛行前對(duì)電池預(yù)熱時(shí)間不足，電池未能達(dá)到理想的工作溫度（25℃）。且因GPS 信號(hào)弱，飛行器與遙控器多次失聯(lián)，導(dǎo)致電池電量回饋信息不準(zhǔn)確。由于低溫影響，亦不排除電池有主動(dòng)關(guān)機(jī)以避免電芯過(guò)放的情況發(fā)生，直接導(dǎo)致動(dòng)力系統(tǒng)停車。

其二是低溫天氣加重了動(dòng)力系統(tǒng)能耗，動(dòng)力系統(tǒng)最大推力不足以維持飛行。此次起飛時(shí)有滿油爬升的撥桿操作。飛行器在持續(xù)大功率工作時(shí)，電池維持大電流放電；而冬日的低溫會(huì)使電池壓降進(jìn)一步加大。同時(shí)由于電池本體溫度偏低，電壓會(huì)被迅速拉低，造成電壓嚴(yán)重不足而進(jìn)一步導(dǎo)致了動(dòng)力系統(tǒng)失靈。

其三是GPS 信號(hào)弱影響了自動(dòng)返航功能的實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)返航功能的正常運(yùn)行有賴于以下幾個(gè)條件：GPS 信號(hào)足夠強(qiáng)、智能返航功能已啟動(dòng)、足夠的返航高度以及飛行器處于遙控器的通訊范圍內(nèi)。由于GPS 信號(hào)弱，飛行器與遙控器歷經(jīng)多次失聯(lián)和重聯(lián)，自動(dòng)返航功能無(wú)法正常啟動(dòng)，飛行器無(wú)法及時(shí)自動(dòng)返航。

2.5 亞高海拔地區(qū)航拍

航拍地點(diǎn)：瓦娜色國(guó)家公園(Vanoise National Park)海拔2 600m 左右。

航拍時(shí)刻及天氣條件：夏季午后，晴天，氣溫16℃，風(fēng)力3 級(jí)。

航拍設(shè)備：DJI Mavic Air。

此航拍點(diǎn)位于阿爾卑斯山區(qū)的瓦娜色國(guó)家公園內(nèi)。起飛當(dāng)日天氣晴好。起飛后因右側(cè)大型山體的遮擋，曾一度出現(xiàn)GPS 信號(hào)短暫變?nèi)酢？傦w行距離不足500m，升空高度為110m，主要為懸停拍照。飛行時(shí)長(zhǎng)將近6 分鐘，耗電卻已達(dá)72%。其間數(shù)次出現(xiàn)動(dòng)力飽和警告（圖5）。

圖5 亞高海拔環(huán)境下的航拍畫(huà)面

Mavic Air 的高海拔飛行極限為5 000m。在高海拔地區(qū)飛行作業(yè)時(shí)，空氣稀薄，導(dǎo)致槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)力不足。此時(shí)應(yīng)在遙控操作盡量保持平緩姿態(tài)，避免大幅度的撥桿操作，并隨時(shí)檢查動(dòng)力系統(tǒng)和電池容量，縮短航拍時(shí)間，及時(shí)返航。

2.6 大面積反光水面、雪地表面環(huán)境下的航拍

航拍地點(diǎn)：老斯特林山路(Old Strynefjell Mountain Road)。

航拍時(shí)刻及天氣條件：夏季上午，多云，氣溫14℃，風(fēng)力3 級(jí)。

航拍設(shè)備：DJI Mavic Air。

老斯特林山路是位于挪威的Videseter 和Grotli 之間一段27 公里長(zhǎng)的國(guó)家旅游公路。航拍當(dāng)日天氣條件佳，起飛時(shí)刻GPS 信號(hào)強(qiáng)，卻在飛入下圖所示的大片湖泊上方時(shí)頻頻提示避障功能失效，飛行器自動(dòng)切入返航模式?？紤]到航拍工作狀態(tài)良好，且周邊無(wú)障礙物，手動(dòng)取消自動(dòng)返航，完成航拍后安全降落（圖6）。

圖6 反光水面上方懸停正常的航拍畫(huà)面

此次避障功能失效的報(bào)警與飛行器懸停于湖面上方有關(guān)。在之后的航拍中作者發(fā)現(xiàn)，同樣的情況亦出現(xiàn)在雪地和大面積田地的航拍中。避障功能的實(shí)現(xiàn)有賴于視覺(jué)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。Mavic Air 的產(chǎn)品手冊(cè)中所列的視覺(jué)系統(tǒng)失效的環(huán)境中，就包含“純色的、透明的、有強(qiáng)烈反光或倒影的表面，如水面、雪地。”在這些特殊拍攝環(huán)境中，由于視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，避障功能將失效。此時(shí)駕駛員應(yīng)提前規(guī)劃航拍飛行路線，確保飛行器的無(wú)障礙飛行。

3 實(shí)測(cè)總結(jié)及飛行安全策略

無(wú)人機(jī)駕駛員必須重視飛行安全問(wèn)題。在航拍前必須嚴(yán)格進(jìn)行安全檢查，在起飛、飛行、航拍及返航降落過(guò)程中，密切關(guān)注各種系統(tǒng)警報(bào)，始終把飛行安全放在第一位。為此，作者提出以下幾點(diǎn)低空微型智能一體化無(wú)人機(jī)的飛行安全策略：

3.1 飛行前安全檢查

1）了解當(dāng)?shù)責(zé)o人機(jī)飛行和航拍的法律法規(guī)，禁止在禁飛區(qū)和飛行權(quán)限外的限飛區(qū)飛行。

2）避免駕駛非防水設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)在雨雪環(huán)境中飛行。

3）熟讀無(wú)人機(jī)產(chǎn)品說(shuō)明和安全飛行手冊(cè)，了解其安全飛行條件，并嚴(yán)格遵守安全飛行操作指引。

4）確保智能飛行器電池滿格，遙控器和手機(jī)電量充足。

5）正確安裝飛行器電池和槳翼。

6）完成電池預(yù)熱、指南針校準(zhǔn)、GPS 信號(hào)測(cè)試后再起飛。若發(fā)現(xiàn)以上指標(biāo)有任何不符合起飛的條件，或在飛行控制頁(yè)面發(fā)現(xiàn)任何指標(biāo)報(bào)警，都不應(yīng)盲目起飛。

7）啟動(dòng)飛行器確保槳翼運(yùn)轉(zhuǎn)良好，無(wú)異常聲音。

8）事先規(guī)劃的飛行路線，確定拍攝范圍、拍攝點(diǎn)、飛行路徑和返航策略。

3.2 飛行中安全策略

1）起飛后原地升高至10m 左右懸停，等待系統(tǒng)自動(dòng)記錄返航點(diǎn)后再飛離起飛點(diǎn)。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)飛行條件和航拍要求，選用合適的飛行模式，按預(yù)先規(guī)劃好的飛行路線，飛至航拍點(diǎn)進(jìn)行拍攝后返航降落至原起飛點(diǎn)。

3）飛行過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)關(guān)注警報(bào)提示，檢查GPS信號(hào)強(qiáng)度和電池剩余容量，保證留有充足的電量返航。

4）如遇天氣情況驟變，拍攝環(huán)境變化，飛行器異常報(bào)警，應(yīng)立即中止航拍并返航。遇到緊急情況時(shí)，則應(yīng)以保護(hù)地面的人、動(dòng)物和設(shè)施為主，手動(dòng)控制飛行器使其就近降落在安全地點(diǎn)。

3.3 降落后安全檢查

1）清潔飛行器鏡頭、視覺(jué)系統(tǒng)鏡頭、槳翼以及機(jī)身各部件。

2）檢查機(jī)身各部件和槳翼有無(wú)破損、變形。

3）檢查遙控器和手機(jī)的電量是否充足，待飛行器電池降溫后進(jìn)行充電。