周卫锋

【摘 要】随着机器人技术以及通讯网络技术的高速发展，传统航空技术结合这两者衍生的现代无人机技术同样也在产生飞跃，国内的无人机市场将进入高速发展阶段，拥有新技术的无人机产品层出不穷。需要什么样的无人机？成为困扰想要借助无人机开展测绘应用者的首要问题。笔者作为测繪应用无人机从业人员，从实际应用的角度出发，辅以实例为读者剖析无人机选择的关键点供读者参考。

【关键词】无人机;智能飞行机器人;测绘

中图分类号： P217;P231文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）14-0019-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.009

【Abstract】With the rapid development of robot technology and communication network technology，the modern UAV technology derived from the combination of traditional aviation technology is also making a leap.The domestic UAV market will enter a stage of rapid development，and the UAV products with new technologies emerge in an endless stream.What kind of drones are needed？It has become a primary problem for those who want to carry out surveying and mapping with the help of drones.As a practitioner of surveying and mapping application UAV，the author analyzes the key points of UAV selection for readers' reference from the perspective of practical application supplemented by examples.

【Key words】UAV;intelligent robots; surveying and mapping

0 引言

利用无线电遥控设备和自动驾驶仪，由遥测站人员对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输，通过无线电遥控或自动控制程序，手抛、滑跑、弹射或借助推火箭升空的无人驾驶飞机简称“无人机”。

近10年，无人机产业如雨后春笋般迅猛发展。据媒体报道，截至2018年，国内无人机厂家已超过400余家，其民用产品已经覆盖了包括科学探测、应急保障、农业植保、治安管理、通信中继等多个应用领域。

如何在繁多的产品中找到一款适合开展航测的无人机，成为困扰即将进入无人机测绘行业应用者的首要问题。笔者将从传统航空技术、机器人技术以及通讯网络技术在无人机系统的应用着手，辅以案例加以分析，总结微型电动无人机在测绘行业应用现状，供读者参考。

1 传统航空技术

1.1 无人机分类

在对无人机分类之前，我们先要对无人机系统加以说明。无人机系统（UAS：Unmanned Aircraft System），也称无人驾驶航空器系统（RPAS：Remotely Piloted Aircraft Systems），是指由飞行器、对应的遥控遥测站、配套的指令和数据链路以及批准的型号设计规定的任何其他部件组成的系统。所以，我们一般所说的无人机实际上指的是无人机系统，其组成如下图：

根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》，无人机分为国家无人机和民用无人机。民用无人机：用于民用航空活动的无人机;国家无人机：用于民用航空活动之外的无人机，包括用于执行军事、海关、警察等飞行任务的无人机。根据运行风险大小，民用无人机分为微型、轻型、小型、中型、大型。其中：

微型无人机：空机重量<0.25kg;

轻型无人机：空机重量≤4kg，最大起飞重量≤7kg，最大飞行速度不超过100km/h，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被监视能力的遥控驾驶航空器，但不包括微型无人机;

小型无人机：空机重量≤15kg或者最大起飞重量≤25kg的无人机，但不包括微型、轻型无人机;

中型无人机：25千克<最大起飞重量≤150千克，且空机重量>15kg的无人机;

大型无人机，最大起飞重量>150kg的无人机。

此外，无人机还可以根据任务半径分类：超近程无人机（15km以内）、近程无人机（15-50km之间）、短程无人机（50-200km之间）、中程无人机（200-800km之间）、远程无人机（大于800km）;根据任务高度分类：超低空无人机（0-100m）、低空无人机（100-1000m）、中空无人机（1000-7000m）、高空无人机（7000-18000m）、超高空无人机（大于18000m）;根据飞行平台的构型划分：固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、垂直起落无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。最后，无人机的动力系统还各有不同，民用无人机主要采用汽油活塞式发动机和电动机两种。

无人机应用的开展，首先要考虑的是社会因素，就是在国家法律法规允许的情况下开展作业。纵观《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》中，针对无人机飞行空域和飞行运行的内容只涉及到微型和轻型无人机，并没有对小型及更大重量的无人机进行规定，那么表明，目前，国家在非应急状态下只开放了微型和轻型无人机这两种无人机的空域申请和飞行运行。再之，国家加强了对汽油等易燃易爆物品的管理;根据公安部《关于迅速采取超常措施建立完善严控严查散装购、销汽油制度的通知》的规定，使用汽油作为无人机动力会提高管理维护成本。综合以上因素，轻型电动无人机是测绘无人机应用的首选。

1.1.1 固定翼无人机

固定翼无人机具有结构简单、航程远、续航时间长、飞行速度快、飞行高度高、效率高等特点，一般包括机身、机翼、尾翼、起落装置等部分组成。轻型无人机平台通常设计为可拆卸的模块化机体，既方便携带，又能够在短时间内完成组装、调试和起飞。常用于侦查监视、测绘等需要长距离、长续航的拍摄情况，而采用上单翼布局的固定翼无人机更是具备干扰阻力小和很好的向下视野，是航测应用的首选平台。

目前能开展测绘应用的轻型固定翼无人机，其材质大致可分为两类：碳纤维复合材料和EPO。碳纤维复合材料被认为是解决减轻无人机质量难题的最佳选择，它具有比强度和比刚度大，它的应用对无人机结构的轻质化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用，同时还具有抗疲劳、耐热性和防盐雾侵蚀的特性，可在恶劣环境下长期使用，降低使用维护的寿命周期成本。

EPO是一种塑料泡沫，由聚烯烃和乙烯基芳族单体互聚物树脂颗粒发泡而成。它具有很强的材料韧性，抗剪切力、抗压强度大，具有出色的抗冲击性，特别是其多次跌落冲击性能表现优秀，在冲击后不会碎裂和产生碎屑，还具备易于模制成型各种复杂形状，加工性优越的特点。

采用这两种材料的固定翼无人机各有所长，也同时有着明显的短板，下面用案例为大家介绍其各自的优缺点。

由碳纤维复合材料+芳纶纸基蜂窝复合材料制作的某国产无人机，参数为：翼展2.5m，机长1.6m，起飞重量4.5kg，巡航速度60km/h，最大作业时间90min，实用升限海拔5000m，抗风能力5级，作业半径15km，起降方式为手掷/滑降、手掷/撞网。

任务载荷分为视频模块和照相模块。视频模块集成高清数码摄像机，配备双轴陀螺增稳指令云台，具备实时控制、数码变焦、实时视频回传等功能。

照相模块集成数码微单相机，配备滚转轴陀螺增稳云台，相机通过云台改变倾角实现正射影像和倾斜影像获取，照相模块还可以选择配备红外相机，具备多元化的数据获取能力。

由EPO为主要材质制作的某国产无人机，其参数为：翼展1.9m，机长1.07m，起飞重量3.7kg，巡航速度60km/h，最大作业时间80min，实用升限海拔5000m，抗风能力5级，作业半径10km，起降方式为手掷起飞/滑降、伞降。任务载荷同样为模块化设计，提供视频模块、红外视频模块、正射模块、四拼倾斜模块和红外模块。视频模块和红外视频模块配备了单轴增稳云台，具备实时控制、数码变焦、实时视频回传等功能。其余照相模块没有配备云台，全部为固定模式，保持固定倾角进行数据采集。

碳纤维固定翼无人机由于其优异的比强度比刚度，能够预留更多的载荷安装增稳云台，还能够确保机身强度，保证飞行安全。这使得数据采集方式更为灵活，获取的数据成果质量较高。而EPO泡沫塑料材质由于其韧性好、耐多次冲击性能优秀，可以为其配备降落伞，实施伞降作业，极大降低了无人机对飞行场地要求，笔者的三人双机飞行小组在飞行条件适宜的情况下，能够保证18架次/天的正射影像数据采集作业量。极大提高了生产效率。

从实际作业中我们归纳出这两种材质固定翼无人机的使用特点：对于数据成果质量或精度要求较高，且作业面积小的测绘应急项目来说，使用碳纤维复合材质的固定翼无人机实施作业，能够取得更好的效果;如果项目所需成果范围过大，那么，出于项目运行成本来考虑，采用多架EPO泡沫塑料材质的固定翼无人机，进行分区并行、同步实施数据采集策略，是最合适的数据获取方式。

1.1.2 多旋翼无人机

2006年至2010年，由于多旋翼的控制算法不断成熟，国内民用小型无人机公司如雨后春笋般出现。到了2012年，某疆发布的四旋翼无人机，推出到手即飞的世界首款航拍一体机，将单纯的飞行体验拓展至航拍体验，把产品从专业市场推广至消费市场并大获成功。多旋翼甚至一度成为了无人机的标签，凡提无人机就是多旋翼。那么为大众称道的多旋翼无人机到底能做些什么，笔者下面为大家从其结构到实际应用来分析说明多旋翼无人机在测绘行业的应用。

多旋翼无人机的飞行平台一般包括机架、电机、电调、螺旋桨、起落架五部分。平台具有三个或以上旋翼轴，旋翼的总距固定而不像一般直升机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对转速改变飞行平面倾斜，实现控制飞行器运行轨迹，通过旋翼转速次序变化实现自转。多旋翼具备机械结构简单、能够垂直起降、空中稳定悬停的优点，缺点是续航时间短。

作为行业应用的多旋翼无人机，为增加产品续航能力，提高产品竞争力，一般整机平台都采用碳纤维复合材料。某品牌国产多旋翼无人机，其参数为：对称电机轴距1000mm，起飞重量6.9kg，续航時间48min，巡航速度13.5m/s，作业半径5km，实用升限4500m，抗风能力5级。任务载荷为模块化设计，提供正射影像模块，配备双轴云台（俯仰轴+滚转轴）系统;五拼倾斜模块，配备双轴云台（俯仰轴+滚转轴）系统;LiDAR（激光雷达）模块;配备三轴增稳云台的视频模块。

在实际应用中，由于多旋翼无人机飞行方式具备低空、低速、可悬停的特点，并且机体结构适合云台布局，可以抵近作业区在目视范围内作业，执行高精度地形测绘作业，下面是倾斜、正射、点云的高精度数据和成果精度。

使用LIDAR点云数据建立的城市三维模型白模，结合倾斜摄影测量模块获取同一地物的不同影像，通过iData_3D等数据处理软件，将纹理映射到城市三维模型上，所得成果定位精度高，具备可量测性，实现真三维实景建模。

2 通讯网络技术

数据链传输系统包括链路机载数据终端和地面数据终端，上行链路用于地面遥控遥测站对无人机传输遥控指令，下行用于无人机对遥控遥测站传输传感器信息及任务载荷信息。

随着对无人机执行任务的需求不断提升，单机执行任务很难满足现实需求，应此单站双控乃至单站多控应运而生，无人机获取的视频、图像的质量越来越好，数据量越来越大，相应数据传输就越发困难，那么还可以使用无线自组网技术，让部分无人机充当网络中继，提升数据链网络带宽、扩大通信距离。

“互联网+”在无人机系统应用也在不断深入，结合无人机系统的管理和控制提供包括：飞行设备管理、飞行计划申报、飞行态势实时监管、限飞区域查询、空域评估、飞行历史数据、政策法规查询等功能，帮助从业人员规范作业、提升管理能力。

3 机器人技术

机器人（Robot），一种自动执行工作的机器装置。它受人类指挥，可以运行预设程序，同时也能够通过传感器了解外部环境或自身状态的变化，根据人工智能技术，做出自己的逻辑推理、判断与决策。从以上对机器人和智能机器人的描述我们发现，无人机系统就是智能飞行机器人。

导航飞行控制系统简称飞控，可以认为它是无人机的大脑，无人机收到的各种飞行指令，都是由飞控下达的。那么飞控是如何工作的呢？这是由于飞控包含了多种感知器官，来获取外界信息。也就是说飞控通过这些传感器反馈的各种数据能够精准的判断无人机状态，从而下达各种有效指令来控制无人机。传感器一般包括：GPS：确定位置信息，目前采用DGPS来提高精度;高度传感器：测量大气压，提供无人机高度信息;空速传感器：提供与空气的相对速度;IMU：惯性测量单元，提供无人机三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置。当然，为了实现更多功能，有些无人机上加入了更多的传感器，例如：超声波传感器：短距离实现精准测距，帮助无人机实现自动起降和躲避障碍物;光流传感器：检测地面的状态，从而监测飞机的移动;主要用于保持飞机的水平位置，以及在室内无GPS实现定高和定点飞行。

4 现代无人机技术

结合了机器人技术、通讯网络技术而产生的现代无人机技术，拥有图像识别、信息處理一体系统，具备自行作业的能力;未来将进一步向自主控制、高生存力、高可靠性、互通互联等方向发展。

5 结束语

笔者根据自身实际作业经历，结合目前流行的理论总结了一些测绘类无人机应用的经验。由于目前无人机的行业应用产业群雄并起，产品类型同质化及服务同质化目前还不明显，读者可根据自身发展方向和项目具体情况来选择适合的智能无人机。

【参考文献】

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