無人直升機航空攝影問題研究

田建宏 王 毅

1.61243 部隊；2.61175 部隊

無人直升機在數字航空攝影中應用越來越廣泛。分析了視距程控無人直升機在航空攝影中的適用性，研究了傾斜角、飛行振動、風等因素對作業的影響及相關解決方法。給出了一個面積為5km2的工程實驗案例。`

引言

隨著我國國民經濟的快速發展，各行各業對地理信息的需求越來越大，對時效性要求越來越高，尤其是各種工程規劃、工程勘測、工程施工對大比例尺地理信息產品的需求更加旺盛。

無人直升機以尺寸小、結構緊湊、懸停和中速飛行效率高、故障率低和有利于無人駕駛情況下的安全著陸等特點而廣泛應用于軍事和民用。把無人直升機應用于數字航空攝影，有如下優勢：

設備造價低。無人機較普通航攝飛機價格便宜很多，且不需要飛行員。

起飛條件限制小。無人直升機可以在狹小的地帶垂直起降，不需要專用的跑道，所以在復雜地形條件下仍可以進行航空攝影。

影像分辨率高。無人直升機一般是低空飛行，因此使用普通相機也可獲取高分辨率影像，適合大比例尺地理產品生產。

無人直升機的選擇

低速和小尺寸共同決定了無人直升機雷諾系數很低（105 左右），這遠低于傳統飛行器的飛行雷諾數范圍（106～108 以上）.在低雷諾系數條件下仍要保持良好的氣動性能，是較為困難的。同時，無人直升機是一個非線性，多變量，強耦合的動態系統。因此，設計無人機的控制器是一個很困難的任務。這些因素的存在決定了無人直升機技術指標主要體現在自主飛行控制系統和自主飛行的安全距離上。目前世界各國的無人直升機技術水平參差不齊，從初級的視距遙控飛行到美國諾斯羅普·格魯曼公司生產的千公里自主飛行ROBOCOPTER，不一而足，并且無人直升機的尖端技術在各國均是高度保密的，不易引進，本文著重就我國自主技術和可引進技術展開論述。

從航空攝影的角度看，我們對飛行安全、飛行姿態、飛行高度的穩定有很高要求，因此，目前在我國技術條件下，一般采用視距程控飛行直升機，其涵蓋如下內容：飛行階段利用控制系統進行程控飛行，飛行范圍在視距內；起飛與降落采取人工遙控方法，起飛到達一定航高切入程控飛行狀態，降落時到達一定航高切入到人工遙控降落。

該飛行模式對對數字航空攝影的可適用性是很高的。①程控飛行可以進行教精確的航線（航跡）設計，能很好滿足航向重疊度與旁向重疊度要求。②飛行姿態可以根據天氣情況程控調節，能很好滿足航攝姿態要求。③安全保障較好。人工遙控起降可以有效避免起飛降落階段地面障礙情況復雜帶來的安全隱患；即使直升機機械故障空中停車，操作員在視距范圍內可通過操縱旋翼使其自轉，仍可產生一定升力，減緩直升機下降趨勢，尋求安全降落；控制系統故障如果出現故障，可采用控制備份的方法強制飛機自動返航，然后人工遙控降落；視距范圍內可掌握測區上空障礙情況，可以預先做出應對計劃，出現突發障礙，如飛來風箏等，也可快速作出反應；視距內受其他信號干擾、偷襲可進行及時的探測并作出反應。

飛行作業中的幾個問題

傾斜角r 的改正

無人直升機相對于速度軸系平飛時，作用在直升機上的力主要有旋空拉力T，全機重力 G，機體的廢阻力 X身及尾槳推力T 尾。前飛時速度軸系選取的原則是：X鈾指向飛行速度V 方向；Y 軸垂直于X 軸向上為正，2軸按右手法則確定。保持直升機等速直線平飛的力的平衡條件為（參見圖1）。

X 軸：T2=X 身，Y 軸：T1=G，Z 軸：T3 約等于T 尾。

圖1

圖2

圖3

圖4

其中 Tl，T2，T3 分別為旋翼拉力在 X，Y，Z 三個方向的分量。對于單旋翼帶尾槳直升機，由于尾槳軸線通常不在旋翼的旋轉平面內，為保持側向力矩平衡，直升機稍帶傾斜 r（參見圖2）。r 的度數一般在2.5～3.2度之間。為了攝影時相機主光軸盡量保持與地面垂直，在安裝載有相機的云臺時，應對傾斜角r 加以改正，即把云臺向r 的反方向傾斜約3 度。

飛行振動影響

在飛行中，與直升機飛行方向一致的旋翼前行槳葉相對于空氣的速度較快，槳葉產生的氣動升力要大一些；而后行槳葉相對于空氣的速度較慢（失速），產生的氣動升力相對較小，這樣，在整個旋翼面就出現升力的不平衡，引起旋翼乃至直升機機體的振動。機體振動會影像相片的銳度，使得相片不清晰。消除振動的影響主要有兩個技術途徑：①采用自適應旋翼技術或其他贈穩技術消除飛機振動，但目前這些技術應用還不是很成熟。②降低攝影曝光時間，但這也限制了光圈的選擇度。

風對飛行方式選擇的影響

本文3 所述采用數字控制算法，實現三個姿態的閉環控制，保證無人機姿態與指令一致的目標是在沒有風的影響以及理想大氣的前提下，由于直升機復雜的空氣動力學特性，加上實際飛行中受到風的影響，一般不能完全達到該目標。因此飛行時必須考慮到風的影響。

無人直升機在逆風的條件下飛行機體受到風的影響最小，飛機氣動性能最好，但是飛機逆風飛行是一種絕對狀態，當風速V 風=0，飛機地速V gps ＞0，V gps ＞ V 風，風相對于飛機有相對風速V 風相對=-V gps，所以此時飛機是絕對狀態下的逆風飛行；同理，當V 風 ＜V gps時，即使飛機是順風飛行，絕對狀態下，飛機仍是逆風飛行。所以當風速在小于地速的情況下，一般采用順風飛行來達到絕對逆風飛行的狀態，因為如果飛機在逆風過大的情況下，燃料消耗過大，同時姿態控制也比較困難，圖3給除了無風時飛機的受力分析。

因旋翼每旋轉一周分頂風、順風面，會產生一個升力差，速度越大越明顯會機體往右傾斜，需壓左副翼修正。如果在有風情況下再逆風飛行，那么飛機的傾斜會比較厲害，控制其姿態比較困難。

試驗案例

在許昌學院5km2的區域內進行了飛行航攝試驗。飛行參數：

程控飛行半徑 400m，風速3 級（飛行安全風速），航高240m 米，

影像GSD 10cm。

飛機參數：

最大有效載荷 30.00kg，總長度 3630mm，最大巡航速度60km/h，主旋翼：兩葉式螺旋槳，直徑3115mm，標準油箱1h。

飛行設計：

把測區化為10 個面積為0.5km2的飛行區，逐區順風飛行。

成果質量分析：

測區影像150 張，影像清晰，色彩均勻，無航攝漏洞，航向重疊度達標率（達到60%～65%）100%，旁向重疊度達標率（達到30%～35%）98%，最大象片傾斜角2°，最大旋偏角5°，最大航高差5m，航線的彎曲度1%，符合規范要求。如圖4。

結束語

通過對無人直升機的選擇分析，探討了無人直升機在飛行作業中要注意的問題，并通過試驗案例，使我們在以后的無人直升機作業中能夠更好地掌控和使用它。