一套垂直起降固定翼無人機系統開發及性能評估*

閆 勇，岳光波，柳昭琰，董 祥，李 彪，楊長坤

(1.山東唐口煤業股份公司，山東 濟寧 272100；2.中國礦業大學 環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

垂直起降固定翼無人機是結合常規多旋翼無人機和固定翼無人機而在近幾年新興的一種無人機[1]。與常規的固定翼和多旋翼無人機相比，垂直起降無人機兼具固定翼無人機巡航速度高、續航久和多旋翼無人機受起飛場地影響小、能夠定點懸停的優點[2-3]。垂直起降無人機具有多方面的優勢，應用前景較廣，發展趨勢較好，以后將可能發展成為一種重要的飛行器門類[4]。

目前，國內外研究團隊針對垂直起降無人機的應用研究已經取得了很多成果：成都縱橫自動化技術有限公司研發的CW-20無人機在塔克拉瑪干沙漠綠洲處完成了超過10 000 km2的大比例尺航測任務；美國Dronetech UAV公司研制的復合四旋翼飛行器AV-2，采用全電力系統，配裝自動駕駛儀，續航時間可達12 h，用于執行海上監視任務[5]；德國Aerolution公司研發的SonGBIRD 500系列復合翼垂直起降無人機，能夠在8級大風(風速高達20 m/s)、高溫高熱環境等惡劣的極端環境中正常飛行，并且有效荷載為500 g，可以搭載可見光相機、多光譜相機、近紅外和熱成像相機等，完成各種所需任務；垂直起降固定翼無人機在近年取得了巨大的發展[6-10]。

為此，基于無人機的配置，開發了一套多功能垂直起降固定翼無人機系統，以飛行控制系統為核心，同時協調飛機飛行平臺和任務設備進行作業，并以某港口儲煤盤點為例，對該無人機系統數據采集的性能和獲取數據的精度進行評估。

1 系統概述

1.1 無人機飛行平臺

飛行平臺是整個無人機系統的基礎，也是保障飛行性能的根本。飛行平臺包括了機身結構、動力設備、電氣系統、飛行控制系統以及任務設備等[11]。

1.1.1 機架結構

機架結構決定著無人機飛行的穩定性。目前垂直起降固定翼無人機機架結構大致可分為復合傾轉式，傾轉旋翼式，尾座式及動力復合式4類。動力復合式無人機的優點在于將無人機在水平方向的推進系統與在豎直方向的起降系統分離開來，2個系統分別單獨作業，技術可實現性好，穩定性高，具有其余3種所不具備的獨特優勢。本研究采用如圖1所示的“4+1”形動力復合式無人機[12]。

在圖1所示的機架中，機身整個采用泡沫模具，機翼碳管加厚處理，可以承受最大8 kg的起飛重量，空速管安裝在機翼前端以避開干擾氣流，機身相較于其他機型容量更大，采用“8+2”集成模塊，滿足各種飛行任務的要求。

圖1 “4+1”形動力復合式無人機

1.1.2 飛控系統

飛控系統是整個無人機的核心，其主要功能是穩定無人機的飛行姿態[13]，自主或半自主的控制無人機的飛行狀態和任務設備等。本次研究采用的是赫星PIXHAWK2開源飛控系，作為新一代的開源飛控系統，其核心部件——飛控計算機主要由STM-32F437(核心處理器)芯片和STM32F1(故障保護協處理器)芯片組成，在雙處理器共同作用下，可以為飛行提供更為穩定的飛行方案。該系統完全兼容RTK差分GPS[14]，可實現厘米級精確定位；還采用了三余度慣性導航系統即3組IMU傳感器[15]，其中內含3個加速度計、3個陀螺儀、3個磁羅盤以及2個氣壓計，為了增強其抗干擾能力和穩定性，對IMU傳感器進行了減震處理，同時設置了發熱電阻，使其在低溫環境下依然能夠保持恒溫作業，大幅度提升了飛行的安全性。飛控系統硬件設備如圖2所示。

圖2 飛控系統

1.1.3 電氣系統

電氣系統是無人機的動力來源，而電池又是電氣系統中的重中之重，鋰聚合物電池具有重量輕、質能比高、散熱好等優點，因此本次選擇鋰聚合物電池；同時考慮到無人機組裝后的重量情況，采用標稱電壓為22.2V的電池為無人機供電。電池具體參數見表1。

表1 電池參數

1.1.4 影像采集系統

任務設備是無人機系統的眼睛，它直接決定著飛行成果的好壞。本次研究選擇了索尼A7R2相機作為任務設備來采集地面影像數據，該相機機身相較于其他相機小巧輕便，易于在無人機機艙內進行安裝和固定以取得更好的拍攝效果，相機拍攝的影像分辨率為7 752像素×4 472像素，能夠獲得清晰的地面數據；同時還配備鏡頭防抖和五軸防抖技術，以保證在飛行時即使飛機遇到強風等情況導致姿態偏轉時，也能夠使相機穩定地拍攝地面影像。相機的具體參數見表2。

表2 相機參數

相機安裝到無人機機艙內并固定好后，再通過線路與飛控系統相連，就能在作業過程中到達指定位置時通過飛控控制自動觸發快門開關，獲取影像。在使用原始鏡頭焦距為35 mm的情況下，設置航高為140 m，獲取的影像數據生成的正射影像圖地面分辨率能夠達到1.72 cm。

1.2 地面控制站與數傳電臺

地面控制站和數傳電臺的主要作用是規劃、控制、接收和監測飛行平臺的運行情況。數傳電臺采用了XROCK數傳V3模塊[16]，電臺機身小巧，單只重量僅有22.5 g，便于攜帶和拆卸，同時無線通信距離可達2 km，保證在作業中實時地將飛行平臺數據(空速、高度、方向等)傳輸到地面控制站，能夠實時監測飛機的飛行狀態。

地面控制站包括一套遙控系統與一臺便攜式計算機。遙控器用來輔助計算機完成飛行工作，擁有多個通道，可以根據任務的不同給出不同的飛行指令，當遇到緊急情況時也可使用遙控器來進行人工干預使無人機安全著陸。計算機是地面控制站的核心部分，能夠對整個無人機的作業過程進行管控，任務開始前在計算機中設置好各種相關參數，無人機便會自動進行飛行任務，獲取成果影像。飛行過程中飛機的狀態信息能夠實時地傳輸到計算機端并顯示在屏幕上，便于操作和監管，屏幕顯示如圖3所示。

圖3 地面控制站界面

本研究開發的無人機飛行平臺可根據任務需要進行模塊化定制，相較于其他公司的同類型無人機，該平臺注重的是飛行時的穩定性，因而拓展性較差，同時價格遠低于其他同類機型。

2 試驗方案

以徐州市某港口貨場儲煤盤點為例，進行無人機系統飛行測試。在飛行測試前，首先使用REGIL VZ-1000三維激光掃描儀獲取整個貨場煤堆的三維點云數據，該儀器短距離掃描點位精度可達毫米級，長距離點位精度可達厘米級，平均點位精度為0.004 3 m[17]，精度較高，因此將三維激光掃描得到的數據作為真值，該掃描儀具體參數見表3。

表3 REGIL VZ-1000掃描儀參數

之后進行無人機飛行試驗，設置航高為140 m，航向重疊度70%，旁向重疊度60%，飛行模式為全自動模式，同時設置好航拍點等。在試驗結束后，提取飛行數據得到每張照片拍攝時的高度和位置信息，就能分析得到無人機作業時的穩定性；再將原始照片進行處理生成三維模型成果數據并與三維激光掃描獲取的貨場數據進行精度對比，進一步分析就能得到任務成果的精度。單次飛行航線示意圖，如圖4所示。

圖4 單次飛行航線示意

3 結果與分析

3.1 航高穩定性測試

無人機設置的航高是相對于起飛點的高度，若在理想條件下，無人機應該始終保持該高度飛行，此時飛機的高程等于起飛點高程與航高之和，將其稱為理論高程，但飛機在空中作業過程中，不可避免地會受到空氣摩擦阻力以及風力等的阻礙，因此飛機的高度以及姿態是不斷變化的，其中飛機高度的穩定情況直接影響照片的地面分辨率從而影響成果精度，因此在飛行中保持高度尤為重要[18]。在飛行任務結束后，通過提取和轉換無人機POS數據中的高程信息并與理論高程進行對比，可以得到無人機在空中的穩定狀況。

無人機在空中的高度是通過氣壓高度計進行測量的，由于大氣壓強會隨著海平面高度以及氣溫值的改變而變化，因此三者之間的對應關系能夠按照公式(1)表達

Altitude=44 300×[1-(P/P0)]1/5.255

(1)

式中，P0為當前溫度的海平面壓強；P為所求位置的壓，通過傳感器采集到的溫度和氣壓信息通過運算以及轉換就能得到飛機當前的高程信息并儲存在飛控系統中。實際高程與理論高程的中誤差和相對誤差可以按照公式(2)、(3)求取

(2)

(3)

式中，Mh為實際高程的中誤差；h理論為飛機的理論高程值；hi為每一張照片拍攝時的實際高程；M相對為實際高程中誤差相對于理論高程的誤差。

在港口進行飛行試驗時天氣狀況為多云，風向為東北風，風速為4.6 m/s，達到了三級風，由于設置的航線大致為東西方向，因此風力會對飛機高度保持情況產生一定影響。為了后續與POS數據中的高程信息進行對比，還需要測出起飛點的高程數據，經RTK測量并進行坐標轉換得到起飛點的高程為30.86 m，由于試驗時航高設置為140 m，則飛機飛行過程中理論上高程應保持為170.86 m，同時測區范圍較小，將測區曲面近似看作平面，在飛行任務完成后，將POS信息中的高程信息提取出來進行坐標轉換并與理論高程進行對比得到圖5所示結果。

圖5 照片實際高程與理論高程對比

經圖5數據分析可以得到，無人機在空中作業時飛行高度是在設置的航高上下波動，并且在航線變換進行掉頭轉彎時高度波動較大，在飛完第3條航線轉彎進入第4條航線時波動最大，此時實際高程高于理論高程3.91 m；高程最低點位于航線中部，根據地面控制站電腦端的反饋可知，是因為當時風速增大，導致飛機高度波動，最低點實際高程低于理論高程3.60 m；同時計算得到高程中誤差為±1.61 m，相對于理論高程的誤差為1.1%，對獲取照片的質量影響較小[19]，滿足測量精度要求。

3.2 任務成果

本次研究選擇PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D 3款軟件來處理航拍影像[20]。PIX4D軟件基本實現全自動一鍵處理，操作簡便，處理速度相對較快較快，處理過程僅需要人工操作刺點，能夠自動生成三維模型、DOM和DSM；Agisoft Metashape軟件空三算法更為嚴密，同時將操作流程按順序集成到一個下拉菜單中，方便操作，生成的三維模型較PIX4D更為清晰平滑，還可以進行批處理，將所需成果步驟添加到任務欄，便能一鍵執行；Smart3D軟件是一款強大的建模軟件，所建模型可操作性高，效果更好，同時能與Agisoft Metashape交互操作。將Agisoft Metashape軟件進行完空三測量的文件導入到Smart3D中建立模型，得到的成果質量會更好。

飛行試驗單次飛行拍攝照片357張，將飛行獲取的影像分別導入PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D中進行處理，經過加入像控點坐標平差后得到的三維模型分別如圖6、7、8所示。

圖6 PIX4D三維模型主界面

圖7 Agisoft Metashape三維模型主界面

圖8 Smart3D三維模型主界面

3.3 精度對比

為了驗證上述3款軟件生成成果模型的精度，把三維激光掃描得到的貨場數據視為真值，將3個影像處理軟件生成的三維模型和三維激光掃描數據同一個位置相同堆形的煤堆進行體積比較，并計算出相對誤差，進行分析。三維激光掃描得到的貨場點云數據在軟件RiSCAN PRO中經拼接、濾波、裁剪等處理后[21]，如圖9所示。

圖9 港口貨場三維激光掃描點云數據

為了保證對比結果的可靠性，4個軟件計算同一貨位煤堆體積時采用相同的基準面，同時為了驗證無人機成果數據精度能滿足于各種地形，在港口貨場地面為平面、斜面和不規則平面各選取一堆煤堆進行體積計算，煤堆分別命名為平面、斜面和不規則面。以斜面煤堆為例，RiSCAN PRO、PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D體積計算如圖10所示。

圖10 4款軟件計算斜面煤堆體積

3個煤堆體積和相對誤差在軟件中計算結果見表4。

表4 4款軟件計算體積結果及相對誤差

可知，當煤堆底面為平面時，由于基準面較好確定，干擾因素較少，因此計算結果精度最高；底面為不規則面的煤堆位于港口河邊，同時受到樹木遮擋以及基準面較難確定的影響，誤差略大；底面為斜面的煤堆，體積相對誤差介于上述兩者之間。總體來看，使用3款影像處理軟件計算得到的體積與三維激光數據計算的體積相差較小，最大誤差僅為3.77%，精度較高，根據貨場盤煤要求可知，該款無人機能夠滿足港口盤煤的精度要求。

4 結論

(1)通過將無人機獲取照片時的實際高程與理論高程進行對比可以發現，飛機在作業時高度持續變化并且在設置的航高上下波動。在三級風的天氣情況下，該款無人機實際高程的中誤差為±1.61 m，相對于理論高程的誤差為1.1%，在空中波動較小，飛行狀態穩定，能夠滿足飛行品質要求。

(2)影像數據在PIX4D、Agisoft Metashape和Smart3D中處理后，均能得到紋理清晰的三維模型，再將三維激光掃描數據與模型數據進行體積計算對比可以發現，3款影像處理軟件計算得到的體積與三維激光數據計算的體積相差較小，整體相對誤差保持在4%以內，能夠滿足港口盤煤要求，并在成本、效率以及可適用性上優于三維激光掃描，說明該款無人機系統能夠應用于貨場貨物盤點。

(3)為了使無人機在空中能夠更加穩定地獲取照片，可以在航線之間添加航點，讓飛機更加平穩地進行航線轉變進入新的航線，這樣在航線轉變的航高波動就會大大減?。槐粯淠菊趽醯牟糠钟跋裨谏擅芗c云時導致地面出現的空洞，可以使用三維激光掃描的點云進行修補，提高體積計算精度。

(4)經過港口盤煤項目，驗證了該款垂直起降無人機的性能以及精度的可靠性，在后續的實際應用中，將會根據需求對此無人機進行升級和進一步開發，使其能夠滿足更多的任務要求。