視距內(nèi)航拍無人機(jī)的研究

張壯壯 朱廣勇 李田

摘 要：視距內(nèi)航拍無人機(jī)是一種自帶動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、無人機(jī)上沒有駕駛艙和駕駛員、攜帶拍照攝像設(shè)備、執(zhí)行拍照、攝影、探測(cè)和搜救等任務(wù)。主要介紹了視距內(nèi)航拍無人機(jī)結(jié)構(gòu)原理和加工制備過程及拍攝應(yīng)用，以機(jī)架為載體，搭載遙感設(shè)備、控制系統(tǒng)及數(shù)碼相機(jī)等，從而實(shí)現(xiàn)其主要功能，視距內(nèi)航拍無人機(jī);由于重量輕、攜帶方便、操控容易等特點(diǎn)，可以一定程度上降低航拍成本費(fèi)用，具有一定現(xiàn)實(shí)實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);航拍;多旋翼

無人機(jī)自2007開始大量進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)之后，民用無人機(jī)的運(yùn)用隨之展開，2009—2012的無人機(jī)主要以飛控系統(tǒng)為核心，隨著技術(shù)的發(fā)展，到2012—2014無刷云臺(tái)、WiFi圖傳，一體機(jī)設(shè)計(jì)凸顯其優(yōu)勢(shì);到2015視覺懸停輔助裝置，高清成像相機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前在國(guó)內(nèi)共計(jì)有三百余家公司，無人機(jī)逐漸擁有環(huán)境感知，視覺追隨，自動(dòng)避障，精確視覺懸停輔助系統(tǒng);然而就目前貴州省內(nèi)而言，極少出現(xiàn)無人機(jī)的身影，更難尋找私人航拍定制業(yè)務(wù)。結(jié)合前期無人機(jī)研究基礎(chǔ)，研究制作多旋翼視距內(nèi)航拍無人機(jī)。

1 研究?jī)?nèi)容

視距內(nèi)航拍無人機(jī)采用多旋翼無人機(jī)，選型制備著重研究其結(jié)構(gòu)原理和使用情況，運(yùn)用過程中，尋求最佳視角，進(jìn)行圖像和視頻的拍攝高質(zhì)量的影像資料。主要研究?jī)?nèi)容包括擬定視距內(nèi)航拍無人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案，并通過資料查詢與實(shí)踐分析，對(duì)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分論證，根據(jù)方案進(jìn)行視距內(nèi)無人機(jī)的樣機(jī)試制與性能優(yōu)化。

2 方案設(shè)計(jì)

如下圖所示，總體方案設(shè)計(jì)包括初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制過程，初步設(shè)計(jì)包括無人機(jī)類型確定，旋翼數(shù)量為六的方案較佳，六翼無人機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，具備飛行時(shí)間長(zhǎng)，清晰度高，數(shù)據(jù)更新快等優(yōu)點(diǎn)，然后通過詳細(xì)設(shè)計(jì)選定工藝方案，制作完整樣機(jī)，在樣機(jī)試飛過程中對(duì)樣機(jī)進(jìn)行完善與優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)定型。

3 主要構(gòu)件

3.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)

3.1.1 機(jī)架

所謂“機(jī)架”，指的就是整個(gè)多旋翼無人機(jī)的承載平臺(tái)，為匹配方案設(shè)計(jì)六翼無人機(jī)，機(jī)架采用六軸飛行器的形式，機(jī)架的組成主要由中心板、力臂、腳架組成，總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，質(zhì)量輕便，能夠很好地承載飛行所需電池、機(jī)翼、云臺(tái)及相機(jī)等設(shè)備，保障無人機(jī)整體提升力，使無人機(jī)在飛行過程中保持平穩(wěn)的姿態(tài)和位置，總體靈巧輕便，在滿足功能的前提下有足夠飛行時(shí)間。

3.1.2 云臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的拍攝功能，在機(jī)架支撐的基礎(chǔ)上，就需要把相機(jī)、攝像機(jī)帶到空中，但各部分不可避免都會(huì)受重力作用，同時(shí)無人機(jī)在高速飛行中和懸停的時(shí)候還會(huì)受到不同程度的風(fēng)力作用。因此，無人機(jī)在飛行過程中，機(jī)身會(huì)不可避免的晃動(dòng)或震動(dòng)，一定程度上就會(huì)影響到拍攝質(zhì)量，這時(shí)就需要航拍云臺(tái)了。設(shè)計(jì)中為了更好發(fā)揮無人機(jī)性能，采用基石的三軸免調(diào)云臺(tái)，該云臺(tái)攜帶有位姿傳感器，在飛行過程及時(shí)反饋機(jī)身的位置和姿態(tài)，當(dāng)機(jī)身的位置和姿態(tài)發(fā)生偏移時(shí)，控制中心傳感器反饋的信息，使電機(jī)運(yùn)動(dòng)提供額外動(dòng)力，對(duì)機(jī)身和相機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和調(diào)整，使相機(jī)位置相對(duì)穩(wěn)定，消除機(jī)身晃動(dòng)或者震動(dòng)的影響，保證拍攝圖片與視頻的清晰度。另一方面，由于基石云臺(tái)是開源產(chǎn)品，所以后期使用過程中，根據(jù)使用需求，結(jié)合運(yùn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整或添加處理命令，適當(dāng)補(bǔ)充設(shè)備固件，在拍攝過程中便可以可以增加興趣點(diǎn)或者其他熱感應(yīng)搜尋功能等。

3.1.3 旋翼

旋翼是在無人機(jī)動(dòng)力作用下直接產(chǎn)生推力的部件，它的形狀性能很大程度上決定了無人機(jī)飛行性能和續(xù)航時(shí)間。旋翼采用9*4.7E的玻纖漿，玻纖漿的材質(zhì)堅(jiān)韌，抗張能力強(qiáng)，密度小、不導(dǎo)電、耐高溫、性能穩(wěn)定，是一種優(yōu)質(zhì)的旋翼材料。選用時(shí)，充分考慮與電機(jī)、電調(diào)搭配，可以將動(dòng)力發(fā)揮到最大限度，在相同的推力下節(jié)省電量耗損，這樣就能延長(zhǎng)無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

3.2 控制系統(tǒng)

3.2.1 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

為匹配六旋翼無人機(jī)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采用的是大疆NAZA自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，內(nèi)部主要包括主控器、多功能模塊（VU）、GPS指南針等;其主要功能是要找無人機(jī)的拍攝要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)起停和飛行控制，能在各種工作情況下保持機(jī)體的穩(wěn)定性和安全性，減輕地面操縱人員的勞動(dòng)程度。同時(shí)導(dǎo)航設(shè)備匹配GPS指南針，用于識(shí)別無人機(jī)在整個(gè)飛行和拍攝過程重大方向及其位置，能夠有效完成預(yù)定的航線和拍攝任務(wù)。

采用大疆NAZA自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠?yàn)榈透叨攘盹w行器在狹小的空間內(nèi)提供卓越的飛行特性?？梢栽贕PS姿態(tài)模式、氣壓定高增穩(wěn)模式和手動(dòng)模式三種模式下進(jìn)行調(diào)換。在GPS信號(hào)良好的情況下;主要使用GPS姿態(tài)模式，此模式可以保持機(jī)身穩(wěn)定，充分保證無人機(jī)功能，使無人機(jī)在飛行與拍攝過程中不會(huì)晃動(dòng)，保證拍攝畫面的清晰度。當(dāng)在一些特定情況下，比如有磁場(chǎng)干擾、GPS信號(hào)弱或者消失時(shí)，可以采用氣壓定高增穩(wěn)模式，該模式可以消除信號(hào)干擾，在空中飛行過程中產(chǎn)生顛簸與振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)功能最優(yōu)化。當(dāng)無人機(jī)執(zhí)行完拍攝任務(wù)時(shí)，為方便“駕駛員”的下操作與控制，可以轉(zhuǎn)換到手動(dòng)模式使無人機(jī)飛回。

3.2.2 飛行控制器

飛行控制器采用天地飛ET12，其主要結(jié)構(gòu)包括遙控器掛繩、接收機(jī)、遙控器雙回中組件、外部電壓檢測(cè)組件。整機(jī)撥柄開關(guān)一共有6個(gè)三段、2個(gè)兩段開關(guān)，2個(gè)旋鈕，2個(gè)撥桿，1個(gè)回中撥輪，1個(gè)脈沖撥輪，6個(gè)微調(diào)開關(guān)。內(nèi)部線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，維護(hù)方便，集成度很高，重量輕。具有Fn鍵的設(shè)計(jì)，實(shí)際可用的微調(diào)開關(guān)有8，通過Fn的切換，可以把右側(cè)的五向搖桿切換成通道開關(guān)來用。

ET12背部集成了USB數(shù)據(jù)孔、耳機(jī)孔、模擬器插孔。側(cè)部、背部4塊軟膠可拆，拆掉背部2塊后可以進(jìn)行搖桿彈力調(diào)整。電池倉(cāng)長(zhǎng)約95外側(cè)寬約35mm.內(nèi)部有效寬度：26mm外側(cè)深度越58mm有效深度約45mm。

ET12已經(jīng)內(nèi)置了諸如三角翼混控，副翼到方向舵，副翼差動(dòng)，副翼/襟翼剎車，蛇滾等已經(jīng)預(yù)先編輯好的函數(shù)，需要用的時(shí)候調(diào)整參數(shù)就好了。功能菜單主要分為4級(jí)：系統(tǒng)設(shè)置、通信設(shè)置、通用功能、模型功能，完全能夠滿足視距內(nèi)航拍無人機(jī)的使用需求。

3.2.3 顯示器

相機(jī)我們采用飛熒6S4K運(yùn)動(dòng)相機(jī)，飛螢6S在第一代5S的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)4K視頻拍攝的支持，并且還有更多的配件可供選擇。主要配件包括支架轉(zhuǎn)接頭，USB數(shù)據(jù)線，防水外殼套件，鏡頭蓋，3M泡沫雙面貼等。

飛螢6S采用聯(lián)詠96660方案以及SONY 1600萬像素背照式CMOS，配置F/2.87玻鏡片、水平120°、對(duì)角170°廣角鏡頭，能夠拍攝最高4K@24fps的視頻和4608*3456分辨率的照片;拍攝的視頻格式為MP4格式，拍攝的照片格式JPG格式;可攜帶最大64GB Micro SD高速卡，容量足夠。

飛螢6S外形尺寸59*21*41mm，并且采用數(shù)據(jù)線接口設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)線接口有USB 2.0、HDMI、AV三種格式，能夠兼容多種類型的云臺(tái)。其電池容量為3.7V;1680mAh;6.2Wh。由于運(yùn)動(dòng)相機(jī)安裝在無人機(jī)平臺(tái)上，所以重量不能太大。而飛螢6S的機(jī)身重量?jī)H有74.6g。很大程度上減輕了無人機(jī)的整體負(fù)重量。匹配7寸高清屏顯示器，集接受、顯示于一體，使用過程中支持可查找頻率。在實(shí)際飛行測(cè)試中，經(jīng)過不同分辨率的試驗(yàn)，當(dāng)將相機(jī)的分辨率設(shè)置為1080p，整機(jī)能夠支持60多分鐘的連續(xù)視頻錄制，續(xù)航能夠滿足拍攝功能的要求。

4 結(jié)論

介紹了六翼巡航飛行器的設(shè)計(jì)方案，并相應(yīng)進(jìn)行了各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選用配置，對(duì)其中的各構(gòu)成模塊及相關(guān)的技術(shù)理論作了一定的介紹。

空機(jī)重量為1390g加上電池和攝像頭為2218g外加機(jī)架為2428g，機(jī)身直徑為550mm，外加旋翼直徑為770mm，高度不加機(jī)架為15cm，含機(jī)架高達(dá)34cm，整體外觀為黑色。

飛機(jī)用鋰聚合電池供電，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，可充電反復(fù)利用。通過試驗(yàn)、計(jì)算尋找滯空時(shí)間最長(zhǎng)的動(dòng)力搭配，搭載1000mA的電池，最大載重量4.5kg情況下，可飛行40分鐘。

為了飛行穩(wěn)定，消除大自然天然磁場(chǎng)和無人機(jī)本身內(nèi)部電磁波對(duì)GPS信號(hào)的干擾，做了抗電子干擾處理，系統(tǒng)采用特制的吸波紙貼合在無人機(jī)的排線，線路板，電池等部位，有效內(nèi)容防止電磁干擾。通過飛行試驗(yàn)，該視距內(nèi)航拍無人機(jī)能夠滿足各類生活拍攝任務(wù)需要。通過視距內(nèi)無人機(jī)的研究使用，可使得婚慶、個(gè)人航拍影集等私人訂制服務(wù)得已展開。同時(shí)航拍無人機(jī)是小型區(qū)域范圍觀察、巡檢、巡邏、攝影的重要設(shè)備，通過無人機(jī)航拍業(yè)務(wù)的展開，為普通大眾提供便捷的私人定制的創(chuàng)意航空攝影業(yè)務(wù)，同時(shí)可以為礦山、工地、農(nóng)田提供巡檢服務(wù)。

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基金項(xiàng)目：六盤水師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：201510977002）;貴州礦山裝備數(shù)字化技術(shù)工程研究中心（黔教合KY子[2017]026號(hào)）;機(jī)械裝備應(yīng)用與研發(fā)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“LPSSYKJTD201802”機(jī)械工程專業(yè)綜合試點(diǎn)改革項(xiàng)目“LPSSYzyzhggsd201802”;機(jī)械工程重點(diǎn)培育學(xué)科“LPSSYZDPYXK201705”

*通訊作者：朱廣勇。