复杂山地环境下微型无人机安全起降研究及应用

2016-12-26胡继勋

地理空间信息 2016年3期

关键词：山地测绘优化

袁超，胡继勋，罗鼎，胡艳，连蓉，钱进

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

复杂山地环境下微型无人机安全起降研究及应用

袁超1，胡继勋1，罗鼎1，胡艳1，连蓉1，钱进1

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

通过技术整合和原型机研发，解决了复杂山地环境下微型无人机起飞、降落、航迹规划等关键技术环节，并通过多次试飞实验验证了研究成果的稳定性和有效性，对山地环境下无人机在国情监测、资源调查、灾害应急等领域的推广应用具有重要意义。

微型无人机；山地环境；安全起降；航摄应用

我国山地面积约占国土面积的2/3，西南地区更是典型山地地区，山高坡陡、地形复杂。因为山区云雾多影响了高分辨率遥感卫星影像的获取，所以无人机遥感技术成为山区空间数据获取的重要手段[1]。普通固定翼飞行器的发动机一般为汽油内燃驱动，且飞机翼展较大，对起降场地的面积和平整度有较高要求，且油动的发动机坠毁后可能引发二次灾害，特别是在树木较多的林区，易引发火灾。对于复杂山地环境，固定翼无人机的航摄应用十分困难，时常出现失联或坠机事故[2]。微型无人机具有质量轻、成本低、电动续航和执行任务灵活等特点，正逐渐成为山区高分辨率遥感影像获取的重要手段[3]。本文从微型无人机对复杂山地环境大比例航摄任务的适应性入手，对微型无人机在定向弹射、受控快速降落等控制系统优化集成关键技术进行了探索，研究解决了在山区地形受限情况下无人机安全起降问题，经多次试飞实验，采集处理了符合精度要求的1：2 000比例尺DOM生产成果，具有较高的可靠性和稳定性。

1 关键技术研究

1.1 快速发射技术

无人机的发射是指在一定的起飞场地，通过一定方式使无人机达到空中一定高度、速度的过程，该过程被认为是无人机使用中最困难、最关键的环节。无人机的发射方式众多，如滑跑起飞、弹射起飞、手抛发射、空中投放等。本研究中微型无人机发射方式采用弹射起飞，既避免了手抛起飞方式由于动作不规范而发生操作人员受伤的危险，又解决了滑跑起飞对场地平整度过高的限制。微型无人机弹射起飞可获较大的加速度，节省了上升过程30%左右的电池耗电量[4]。本研究优化设计了无人机弹射架系统，弹射架外框采用航空铝合金材质，强度大、质量轻，内部缠绕伸缩性很强的橡皮筋，弹射架起飞仰角可灵活调整；并改造了无人机机翼与弹射架快速锁紧装置。同时，机载飞行控制器经过一系列优化，免去起飞前传感器校准繁琐步骤，减少了外业工作人员发射前的准备工作环节，到达起飞现场后可在3 min内快速完成发射起飞。

1.2 安全降落技术

无人机最常见的降落方式有着陆滑跑、迫降回收、撞网回收和伞降回收等。综合场地要求、操作难度和安全性等因素，伞降回收是微型无人机降落的最适合方式[5]。本研究设计了一套适合复杂山地环境的无人机降落程序——尾旋失速下降的改进伞降方式。当无人机处于尾旋失速状态时，因升力不够可使无人机在小半径内快速盘旋下降。为防止下降速度太快而坠毁，到达预设高度后，快速解除尾旋，同时打开无人机伞仓，让伞衣快速充气迫使无人机平稳降落到指定区域。

2 微型无人机总体设计与实现

2.1 技术路线

微型无人机总体设计采用“理论论证-模型设计-程序优化-典型应用”的技术路线图。①开展复杂山地环境下的多类型轻型无人机航摄系统适应性理论研究，然后依据功能需求建立合适的数学模型，通过可行性分析后进行无人机整机设计。②选择合适的无人机模型机，采购飞控原型机等电子设备，通过自主设计加工机身、改装机翼装配成载机，搭载遥感航摄仪（微单相机），根据山区地形起伏差异特征，优化无人机起降飞控程序和相机曝光自适应处理，保障航飞的安全性与影像获取的高效性。③选择重庆某山区场地为实验区，验证自主设计生产的微型无人机对复杂山地环境的适应性与可靠性，并对其获取的高分辨率影像的质量精度进行验证，技术路线见图1。

图1 微型无人机设计技术路线图

2.2 起降模型

1）无人机的弹射过程，实际上就是飞机和弹射托架在动力系统的作用下，沿导轨倾斜面加速运动的过程，整个起飞过程由弹射架安装、橡皮筋张拉、无人机加速与释放等步骤组成。无人机弹射出的速度与弹射架内橡皮筋张力大小有关，且无人机俯冲起飞角度与弹射架导轨仰角有关。依据弹射架的Solid Works动力仿真实验，要想让荷载为5 kg的无人机获得10～15 m/s的发射初速度，弹射架导轨设置适宜仰角为25°～30°；弹射架中橡皮筋张拉力大小应为80～100 N；等效直径1.5 cm橡皮筋张拉2～2.5 m。

2）改进的伞降过程，主要利用尾旋特性以小半径盘旋降落，在复杂山地环境下操作可有效避开周围高山而实现安全着陆。按照正常操作程序，无人机在完成飞行任务后会自动返航至起飞点上空并原地盘旋等待地面指令。此时，地面操作人员发送降落指令，无人机收到后开始以半径为100 m的圆作盘旋降高，达到设定航高后（通常在真高大于200 m以下省去此步骤），程序给出相应操作信号，无人机进入尾旋失速状态，姿态传感器停止工作。当气压计侦测到无人机航高达到预设数值后，重新启动姿态传感器，自动纠正姿态，解除尾旋状态。然后，在经过2～3 s的延迟后，打开降落伞控制按钮，无人机缓慢下降。为避免发生意外故障，整个降落过程可通过一键快速切换至手动操作模式，完全由人工操作无人机降落至安全区域。起降模型示意图见图2。

2.3 整机设计与加工

1）可行性验证。本研究使用改造后的国产航模作为载机，采用国外开源飞行控制系统，电气、起降相关挂载设备自行设计加工，因此可行性验证为首要任务。验证内容包括：①空气动力特性验证，由于设计无人机为三角翼型机翼布局，需保证飞行器空中稳定性，有必要对其最大平飞速度、巡航速度、失速速度、飞行姿态稳定性、最大飞行半径等关键参数进行获取和验证。②电气设备运行可靠性验证，设计采用的飞行控制元件为开源飞控系统，需对其可靠性、稳定性进行验证。③重要部件设计及加工可行性验证，无人机将进行较大改造来满足航摄任务要求，涉及空气动力学、结构力学等多方面问题，提前对重要部件进行设计和试加工，可减小在任务机制造阶段因工艺、技术问题而造成的时间和经济损失。

图2 山地环境下微型无人机起降模型示意图

验证机采用国产FX-61航模为载机，使用Pixhawk开源飞控，搭载Sony卡片相机，进行了飞行性能、航线规划、相机触发等关键技术的测试。经反复测试与优化，最终结果如下：优化后的飞控系统精准可靠，与飞翼类载机结合使用，飞行姿态平稳，相机触发功能正常，可进行下一步的任务机设计与加工。

2）任务机设计与加工。无人机载机采用改进、优化后的国内某航模无人机。①考虑到无人机可靠性、经济性等方面因素，选用的某款X8型航模采用三角翼布局，翼展超过2 m，机翼面积80 dm2，具有较高的气动效率。②对任务机模型相关配件进行改造与优化，主要包括机翼连接件、弹射挂钩和降落伞仓等部件的设计与加工，改变原有模型中机翼连接处为塑料件的缺陷，改为铝合金锁紧件，既保证连接部件有一定刚度，又大大提高了强度。经多次测试后，没有出现连接部份损坏的情况。为了保证无人机起飞安全，弹射挂钩需要承受弹射架弹绳近100 N的拉力，经有限元相关分析，在安全系数取1.2时，弹射挂钩材料采用3 mm厚6061-T6铝合金，可确保弹射过程安全[5]。伞仓安装在无人机中起构造作用，不承受静止和飞行过程中的应力，保证一定质量和材料刚度即可。伞仓设计位置较为重要，综合考虑降落伞收放便捷性、开伞可靠性等因素，最终将伞仓设计于发动机固定座前方20 cm处（中心距离），见图3。

2.4 整机试飞验证

经过3个月的飞行实验，微型航摄型无人机进行了50余架次整机性能测试，对部分零件重新优化设计、载机重心调整、航线设计、相机触发和飞行控制等进行了优化处理，最终实现了无人机平稳安全飞行、定点曝光和正常航摄，整机技术参数如表1 。

图3 无人机降落伞仓布置图

表1 微型无人机相关技术参数

3 应用案例

本研究选取重庆市西部某工业园区进行了大比例尺航摄影像采集实验。该区域地形起伏大于100 m，单架次飞行时间约30 min，飞行高度为300 m。搭载Sony A5100微型单反相机，相机镜头采用检校后16 mm定焦镜头，设定航向重叠率为70%，旁向重叠率为60%，获取影像124张，POS信息124条。经高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid的无人机模块快速处理后，完成地面分辨率为0.1 m的3 km2的DOM，与已有1：2 000 DLG进行精度校核可知，该DOM成果可满足1：2 000数字测绘产品精度要求[6]。实践表明，经优化改造后的微型无人机应用于山区大比例尺地形图测绘项目是切实可行的，并具有安全、经济、高效等特点（图4～6）。

图4 微型无人机起飞过程

4 结语

微型无人机作为一种新型的遥感数据获取平台，正深入应用到各个相关领域。为解决复杂山地环境下无人机安全起降控制难的问题，研制了一套适合山地环境低空飞行的微型无人机系统。经过试飞测试，验证了无人机弹射起飞、任务控制、影像获取、伞降着陆等功能的合格有效性。研究成果表明，微型无人机应用于低空航摄遥感不仅是可行的，而且是安全、可靠的。限于理论和技术的不足，微型无人机在电力续航、抗风干扰、电磁屏蔽等方面的缺陷有待改进[7-10]。随着信息技术的进步发展，微型无人机将在国土资源调查、森林监测、灾害应急、突发事件等高时效性的空间信息采集方面发挥越来越大的作用。