刘亚非

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

低空无人机航空摄影测量技术因其高时效、高分辨率、低成本及可重复性等优势，在诸多领域得到广泛应用[1]。首先通过无人机飞行平台所搭载的高分辨率CCD相机、激光扫描仪等机载遥感设备获取的信息，再利用计算机图像处理软件根据实际的使用环境和特定的精度要求，制作符合要求的图像。无人机测绘搭载的设备有可见光相机、激光雷达(LIDAR)、合成孔径雷达等，后端数据处理程序有Smart 3D、PIX4D等。无人机摄影成图的基本流程见图1。

图1 无人机摄影成图基本流程

无人机测绘作业时，受外界环境条件影响较大，且对“飞手”操控水平要求较高。一旦发生“炸机”情况，就需要送厂返修，来回耽误时间很长，这对于工期要求很紧的现场测绘作业项目来说很难接受。为了解决该问题，基于开源固件Ardupilot，采用市场很方便就能购得的相关零部件，自制4轴多旋翼无人机。自制无人机除了能够大幅度降低成本外，如果飞机在作业现场发生损坏，飞手很容易地能够修复飞机，从而不耽误现场的测绘作业进度；另外，还能够根据搭载设备的重量、种类、续航时间要求，配置不同的飞行平台，以适应不同领域的测绘需求，满足现场生产需要。大疆最新的两款机型和作者自制机对比见图2，其中，开源4轴、荷载10 kN无人机可用于CCD相机作业；开源8轴、荷载60 kN无人机可满足激光雷达(LIDAR)作业需求(见图2)。

图2 开源机与成品机外观比较

2 测绘无人机组成

测绘用无人机一般由两部分构成，一部分是飞行系统(飞行平台)，另一部分是荷载系统(机载设备系统)。飞行平台有多旋翼、直升机、固定翼、垂直起降固定翼等，具体选用哪种飞行平台，主要由作业要求和荷载重量决定；机载设备有数字相机、激光雷达等，具体选用哪种设备，主要由数据需求决定[2]。

飞行平台一般分为两大部分，一部分是硬件部分，一部分是软件部分。硬件部分采用市场上常用零部件，包括：F450机架、无刷电机(980 kV)、Pixhawk飞控、M8N的GPS、乐迪遥控器及配套接收机、好盈20A电调、螺旋桨、数传电台、图传等；软件部分主要是飞控固件，采用基于开源APM生成的多旋翼Copter固件。

APM项目至诞生到现在，大约有十多年的历史，其固件版本也由当时的V2.0版本发展到现在的V4.1版本，APM固件开源且免费，运行性能稳定，功能强大，其中的Copter系列固件为自制多旋翼无人机的首选。

2.1 飞行平台的组装

飞行平台为典型的F450多旋翼无人机套装配件(见图3)，整个套件价格不超过￥2000元。自制无人机原则：首先确定无人机的用途，进而确定无人机的荷载，荷载确定后要考虑无人机的标准，并注意各项指标均衡。另外，最重要的一点就是安全性，其次才是操控性、性价比、续航时间、负载能力等。

图3 F450多旋翼无人机套材

在无人机组装的时候要重点注意几个问题：①焊接问题，电烙铁建议选取150W的电烙铁，焊锡的连接处要使用热缩管绝缘，不要使用绝缘胶布。②在进行螺丝连接的时候，一定要打螺丝胶(无人机工作时整体处于震动状态，容易出现螺丝松动的现象，打螺丝胶能够有效地避免螺丝松动)[3]；③无人机组装是个细致耐心的工作，要仔细熟悉无人机各部件的性能指标，如接收机PWM信号与SBUS信号的区别，SERIAL接口与IIC接口的区别，GPS接收机5针和6针的区别等。

2.2 无人机固件编译环境的建立

无人机固件编译是自制无人机的核心工作。Windows环境下无人机固件编译环境需要的工具主要有以下几种[4]。

(1)Cygwin64-set.exe

该工具为一个运行于Windows系统上轻量化的Linux虚拟机，可以在Windows环境下运行Linux命令。在Cygwin64中有很多软件包，包括Python、Pip、Pymavlink等库文件[5]。

MavproxySetup.exe：该工具主要功能为建立无人机模拟飞行仿真环境的；配置脚本：通过Github下载APM官网提供的自动脚本文件，以便建立APM的编译环境。

(2)Gcc编译器

由于飞控固件运行在单片机上(STM32系列)，需要用到Gcc编译器，下载地址为：Https://firmware.ardupilot.org./Tools/STM32-tools/gcc-arm-none-eabi-6-2017-update-win32-sha2.exe，编译器安装完毕后，应添加路径到环境变量。

(3)Git系统

Git是一种分布式版本控制系统，应用此系统，可以使若干个不同的远端代码仓库进行交互，安装完毕后，需要输入命令 “git config-global core.autocrlf false”进行配置[6]。

2.3 飞控固件的克隆及版本的切换

下载开源APM的飞控固件前，需要先注册一个Github账号，同时还需要下载安装Github Desktop，以实现远端代码复制，然后进行编辑、编译、Debug等工作。编辑软件选取种类较多，建议采用Vscode，具体步骤如下。

①登录GitHub，进入注册页面(见图4)。

图4 GitHub登录注册界面

②点击SignUp按提示要求注册，注册成功后界面见图5。

图5 GitHub注册成功界面

③在搜索框输入“Ardupilot”，界面见图6。

图6 APM文件夹界面

④右键选择“open with Github Desktop”，根据网速不同，ardupilot全部分支会自动下载到本地电脑的D盘，下载成功后，然后生成一个名为ardupilot的文件夹。

⑤下载到D盘的ardupilot文件处于主分支状态(master分支)，此时，不可以用主分支文件编译飞控固件，必须切换到稳定版本才能进行编译。然后进入Git终端，打开Git Bash，依此输入命令(见图7，图8)[7-8]。

图7 APM系列固件版本

图8 更新CRDC-2021A240505子模块

2.4 飞控固件的编译及烧写

切换完分支后，应对APM文件进行编译，以生成能在单片机上运行的文件(后缀为.apj)，编译飞控文件的编译器为 Gcc，飞控硬件选择FMUV3框架(目前开源飞控硬件对应的框架有FMUV3框架和FMUV5框架，V3框架对应STM32的427系列单片机，V5框架对应STM32的7系列单片机)，运行终端Cygwin64 Terminal，依此输入以下命令。

①cd d://进入APM文件所在盘符d盘。

②cd ardupilot//进入ardupilot文件。

③./waf list_boards//查看所有支持版本，以确认文件包含飞控类型。

④./waf configure-board fmuv3//选择飞控板为FMUV3类型。

⑤./waf copter//编译文件为多旋翼固件。

编译成功后，本地电脑的Dardupilotuildfmuv3inardupilot.apj文件即为飞控写入文件(见图9)。

图9 飞控固件编译

安装地面站软件MissionPlanner，飞控连接到电脑，依此选择初始设置安装固件加载自定义固件，选择Dardupilotuildfmuv3inarducopter.apj.文件，按提示完成固件烧写(见图10)。

图10 飞控固件位置

3 测绘无人机校准

固件写入飞控，无人机各部件连接完毕后，方可进行校准工作。主要有加速度校准、磁罗盘校准、遥控器校准、电流计校准、电调油门校准[9-12]。

3.1 加速度校准

进入MissionPlanner页面，依此选择“始设置→必要硬件→加速度计校准”，进入加速度计校准，然后分别按提示进行“平放、飞控向左、飞控向右、飞控向下、飞控向上”等操作，俗称无人机业界的“加速度舞蹈”，校准成功后，提示Successful，即为校准成功，然后重启(见图11)。

图11 加速度校准界面

3.2 磁罗盘校准

无人机罗盘有内置罗盘和外置罗盘之分，内置罗盘是飞控内的罗盘，外置罗盘是外接GPS的罗盘，为防止各种外界因素对磁罗盘的干扰(震动、温度等因素)，应尽量选用GPS外置罗盘。进入MissionPlanner页面，依此选择初始设置→必要硬件→指南针选项，进入磁罗盘校准，根据校准进度条提示进行旋转，完成磁罗盘校准，校准成功后，页面会有校准误差提示(见图12)。

图12 罗盘校准界面

3.3 遥控器校准

进入MissionPlanner页面，依此选择初始设置→必要硬件→遥控器校准选项，进入遥控器校准，然后分别对roll(横滚)、pitch(俯仰)、yaw(旋转)、throttle(油门)各摇杆及遥控器进行旋转，按提示完成遥控器校准(见图13)。

图13 遥控器校准界面

3.4 电调油门校准

步骤为：遥控开机油门打满→飞机上电→飞机断电重新上电→开启飞控switch开关→遥控油门拨最低→飞机断电→重新上电→完成校准。

4 测绘无人机的控制

开源无人机既可以使用开源地面站进行操控，也可以单独使用遥控器进行操控[13-16]。将飞控与MP地面站进行连接，点击“飞行计划”图标，进入“飞行计划”窗口页面，通过该窗口的“UTM” “地图”等按钮设置时间和地图模式，从而实现对时间、空间基准的设置。在该窗口右键单击鼠标，弹出功能窗口，根据窗口提示内容插入航点，编辑航线。选择自动航点工具，依据测绘任务需求在弹出窗口，可以实现相机类型选择、飞行高度、航线角度、航向重叠率、起始点位置、相机参数等功能的设置。

5 实测飞行

5.1 飞行前注意事项

根据《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》，最大起飞质量≥250g的民用无人机必须在“中国民用航空局民用无人机实名登记系统”上申请账户，并将系统给定的登记标记粘贴在无人机上，由于无人机测绘作业的敏感性，在飞行作业中，应严格遵守《中华人民共和国测绘成果管理规定》《中华人民共和国测绘法》《中华人民共和国保守国家秘密法》等相关法律法规。

5.2 实测飞行

经多次实测飞行，采用本方法制造的4轴无人机在荷载10 kN、1块5 200 mA动力锂电池情况下，留空时间为20 min；如果并联1块备用电池，10 kN荷载下留空时间能达到30 min。可满足铁路测绘行业基本使用要求。

6 结语

实践证明，基于APM的开源自制无人机能满足在铁路测绘现场的使用，同时也能节约一定的生产成本。另外，无人机测绘在铁路测绘行业的推广使用应结合本行业的特点，如铁路既有线测量若采用无人机技术，会对铁路运营线路的安全产生一定的威胁，未来铁路测绘无人机发展应结合智能硬件的使用，走出一条适合本行业发展的道路。