應(yīng)急測(cè)繪交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張皓琳

1.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

2.天津市智能遙感信息處理技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠全天候自動(dòng)獲取高精度激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，為應(yīng)急測(cè)繪提供及時(shí)、準(zhǔn)確、高效的保障服務(wù)，對(duì)提升應(yīng)急測(cè)繪保障服務(wù)效率，提高應(yīng)急事件第一時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)信息快速獲取、處理和服務(wù)能力具有重大意義。

圖2 交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)。

近年來(lái)，我國(guó)自然災(zāi)害和突發(fā)事件呈現(xiàn)出日益加重的趨勢(shì)，這其中有地震、火山爆發(fā)、泥石流、海嘯、臺(tái)風(fēng)、洪水、火災(zāi)等突發(fā)性災(zāi)害；也有地面沉降、土地沙漠化、干旱、海岸線變化等經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間才能逐漸顯現(xiàn)的漸變性災(zāi)害；還有化工廠爆炸、水體污染、水土流失、臭氧層變化、酸雨等人類活動(dòng)導(dǎo)致的環(huán)境災(zāi)害。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生之時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，獲得災(zāi)情數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)場(chǎng)處理獲取的數(shù)據(jù)，初步分析災(zāi)情及其發(fā)展態(tài)勢(shì)，并將第一手資料實(shí)時(shí)快速傳給后方應(yīng)急指揮部，為應(yīng)急指揮部領(lǐng)導(dǎo)者會(huì)商和決策，提供實(shí)時(shí)災(zāi)情數(shù)據(jù)，盡可能保障人身安全、減少財(cái)產(chǎn)損失。

系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)上述需求，選用中型交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)掛載光電吊艙、航攝儀、激光雷達(dá)，獲取災(zāi)區(qū)可見光、紅外熱成像視頻、影像、三維激光等地理信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理軟硬件設(shè)備和衛(wèi)星通信、4G通信等設(shè)備集成在測(cè)控運(yùn)輸一體車內(nèi)，在現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸及通信，形成交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖。

系統(tǒng)功能

機(jī)動(dòng)飛行與控制

（1）能夠從突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)周邊起飛，到達(dá)人員難以進(jìn)入?yún)^(qū)域作業(yè)，具備較好的續(xù)航能力和近距離控制能力；

（2）能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜天氣和地形環(huán)境的影響，最大限度保障應(yīng)急測(cè)繪作業(yè)的有效開展；

（3）能夠根據(jù)突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)的氣候條件和地形環(huán)境，快速設(shè)計(jì)或調(diào)整應(yīng)急攝影方案；

（4）能夠自主起飛和降落，可低空定點(diǎn)懸停。

多源遙感信息獲取

（1）具備全天時(shí)地理信息數(shù)據(jù)獲取能力，以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件；

（2）可同時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)可見光、紅外熱成像視頻、光學(xué)影像信息、三維激光數(shù)據(jù)，滿足不同應(yīng)急工作對(duì)信息類型及精度的要求。

數(shù)據(jù)快速處理

（1）實(shí)時(shí)接收并顯示現(xiàn)場(chǎng)可見光、紅外熱成像視頻；

（2）能夠?qū)?shí)時(shí)接收的可見光視頻進(jìn)行視頻拼接；

（3） 飛行中能夠在機(jī)上對(duì)影像進(jìn)行必要的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)回傳至車內(nèi)，在地圖上拼接顯示；

（4）無(wú)人機(jī)降落后，能夠在測(cè)控車內(nèi)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域原始影像數(shù)據(jù)、三維激光數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，獲取高精度數(shù)據(jù)成果。

應(yīng)急通信

衛(wèi)星通信和4G通信雙備份實(shí)現(xiàn)與后方應(yīng)急指揮部的通信和數(shù)據(jù)回傳。

夜間作業(yè)

系統(tǒng)能夠在夜間飛行作業(yè)，利用紅外熱成像儀及激光雷達(dá)完成應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)組成

應(yīng)急測(cè)繪無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)和測(cè)控運(yùn)輸一體車分系統(tǒng)組成。

交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)

交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)分系統(tǒng)是任務(wù)載荷設(shè)備和機(jī)載測(cè)控通信設(shè)備的載體，為系統(tǒng)提供空對(duì)地觀測(cè)的飛行平臺(tái)，主要包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)、任務(wù)載荷設(shè)備和地面控制站。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)是一款油動(dòng)交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)，在安全性、穩(wěn)定性及可靠性方面均表現(xiàn)良好。該機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)采用高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，具備出色的承載能力和高海拔作業(yè)能力。平臺(tái)具有常規(guī)直升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，起降靈活、任務(wù)載荷能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，適宜執(zhí)行抬起重物、吊掛作業(yè)。交叉雙旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)尾槳，因此具有更加出色的載重比，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，對(duì)配重和槳葉的精確匹配要求都比普通旋翼無(wú)人機(jī)低。使用4槳葉交叉雙旋翼設(shè)計(jì)，有效降低了故障率，使用維護(hù)更方便，僅需三名操控人員便可完成飛行任務(wù)，適用于野外機(jī)動(dòng)作業(yè)。

任務(wù)載荷設(shè)備是系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集的工具，收集任務(wù)目標(biāo)的影像和測(cè)繪數(shù)據(jù)。主要包括航攝儀、光電吊艙、激光雷達(dá)。通過(guò)任務(wù)載荷通用掛載設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)載荷組合掛載、快速換裝。

地面控制站用于無(wú)人機(jī)的操控，由飛控地面站、配套飛控軟件和硬件組成，實(shí)物見圖4。

圖4 便攜式地面控制站。

測(cè)控運(yùn)輸一體車分系統(tǒng)

測(cè)控運(yùn)輸一體車分系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)處理軟硬件、測(cè)控、衛(wèi)星通信、4G通信等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備及機(jī)組人員的運(yùn)輸，以及測(cè)控、通信、數(shù)據(jù)處理等功能，并為外場(chǎng)作業(yè)供電、提供操控與會(huì)議工作環(huán)境。

圖3 任務(wù)載荷通用掛載部件。

作業(yè)模式與應(yīng)用成果

接到應(yīng)急任務(wù)后，測(cè)控運(yùn)輸一體車運(yùn)輸所有設(shè)備奔赴災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，到達(dá)后快速展開，根據(jù)受災(zāi)類型、受災(zāi)區(qū)域選擇任務(wù)載荷類型，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，同時(shí)進(jìn)行任務(wù)載荷安裝、設(shè)備檢查，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃開展監(jiān)測(cè)，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)快速完成數(shù)據(jù)處理，將成果傳回應(yīng)急指揮部；任務(wù)結(jié)束后撤收所有設(shè)備，測(cè)控運(yùn)輸一體車將設(shè)備運(yùn)回儲(chǔ)備庫(kù)。

光電吊艙+航攝儀作業(yè)模式

針對(duì)地震、洪水、火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害，無(wú)人機(jī)掛載光電吊艙和航攝儀在白天飛行作業(yè)時(shí)，光電吊艙利用可見光攝像機(jī)和紅外熱成像儀搜尋地面目標(biāo)，操控人員通過(guò)實(shí)時(shí)回傳的可見光視頻數(shù)據(jù)搜尋無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的可視地面目標(biāo)；紅外熱成像儀對(duì)車輛、建筑物內(nèi)的人員、火源等發(fā)熱目標(biāo)進(jìn)行熱成像搜索，具有重要作用；航攝儀對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行航空攝影，并在機(jī)上實(shí)時(shí)處理影像數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)通信鏈路回至地面，在車內(nèi)完成實(shí)時(shí)影像拼接并顯示；飛行任務(wù)結(jié)束后，進(jìn)一步對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的影像進(jìn)行快速拼接，獲取高精度測(cè)繪成果，便于對(duì)災(zāi)區(qū)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)分析。最終數(shù)據(jù)成果包括實(shí)時(shí)影像鑲嵌圖、正射影像圖、可見光及紅外視頻。災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻、影像拼接成果均可通過(guò)衛(wèi)星通信或4G通信回傳應(yīng)急指揮部顯示。

光電吊艙+激光雷達(dá)作業(yè)模式

圖5 實(shí)時(shí)影像鑲嵌圖。

圖6 后處理正射影像圖。

圖7 可見光監(jiān)測(cè)視頻截圖。

圖8 紅外熱成像監(jiān)測(cè)視頻截圖。

圖9 視頻實(shí)時(shí)拼接圖。

圖10 彩色激光點(diǎn)云圖。

針對(duì)泥石流、山體滑坡、坍塌、爆炸等災(zāi)害，無(wú)人機(jī)掛載光電吊艙和激光雷達(dá)在白天或夜間飛行作業(yè)，光電吊艙利用可見光攝像機(jī)和紅外熱成像儀搜尋地面目標(biāo)，操控人員通過(guò)實(shí)時(shí)回傳的可見光視頻數(shù)據(jù)搜尋監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的可視地面目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)可見光視頻實(shí)時(shí)拼接，生成視頻拼接圖，實(shí)時(shí)觀察全區(qū)域情況，紅外熱成像儀可全天候?qū)囕v、建筑物內(nèi)的人員、火源等發(fā)熱目標(biāo)進(jìn)行熱成像搜索，并將現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)傳回應(yīng)急指揮部；激光雷達(dá)內(nèi)置可見光照相機(jī)完成空對(duì)地作業(yè)，能夠全天候自動(dòng)獲取目標(biāo)區(qū)域高精度激光點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理形成數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字地面模型（DSM）等信息產(chǎn)品，并進(jìn)一步處理建立真實(shí)可量測(cè)三維模型，進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)及評(píng)估、土石方量測(cè)算、洪水評(píng)估、泄洪區(qū)選址、道路走廊帶勘測(cè)及線路走向優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。成果形式包括三維激光點(diǎn)云圖、正射影像圖、視頻拼接圖、可見光及紅外視頻。

應(yīng)急測(cè)繪無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具備災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)快速獲取、數(shù)據(jù)快速處理、應(yīng)急通信等功能，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)可見光和紅外視頻數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維激光數(shù)據(jù)快速獲取，輔助救援人員全面掌握災(zāi)區(qū)地形地貌，發(fā)現(xiàn)受災(zāi)目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)精確測(cè)繪，可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)獲取的災(zāi)情數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理或快速處理，快速預(yù)判災(zāi)情，同時(shí)為災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)與后方應(yīng)急指揮部之間的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)傳輸提供支持。系統(tǒng)從2015年起應(yīng)用于工程實(shí)踐，經(jīng)過(guò)水利監(jiān)測(cè)、應(yīng)急測(cè)繪、電網(wǎng)巡檢等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用驗(yàn)證、優(yōu)化改進(jìn)，各種任務(wù)載荷掛載模式飛行穩(wěn)定，可以作為系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品繼續(xù)推廣。