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(shù)字航空攝影中應(yīng)用越來越廣泛。分析了視距程控?zé)o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(fēng)等因素對作業(yè)的影響及相關(guān)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(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)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(guī)劃、工程勘測、工程施工對大比例尺地理信息產(chǎn)品的需求更加旺盛。

無人直升機以尺寸小、結(jié)構(gòu)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(yīng)用于軍事和民用。把無人直升機應(yīng)用于數(shù)字航空攝影，有如下優(yōu)勢：

設(shè)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(fù)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(chǎn)品生產(chǎn)。

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(shù)很低（105 左右），這遠低于傳統(tǒng)飛行器的飛行雷諾數(shù)范圍（106～108 以上）.在低雷諾系數(shù)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(tài)系統(tǒng)。因此，設(shè)計無人機的控制器是一個很困難的任務(wù)。這些因素的存在決定了無人直升機技術(shù)指標主要體現(xiàn)在自主飛行控制系統(tǒng)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(shù)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(chǎn)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(shù)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(shù)和可引進技術(shù)展開論述。

從航空攝影的角度看，我們對飛行安全、飛行姿態(tài)、飛行高度的穩(wěn)定有很高要求，因此，目前在我國技術(shù)條件下，一般采用視距程控飛行直升機，其涵蓋如下內(nèi)容：飛行階段利用控制系統(tǒng)進行程控飛行，飛行范圍在視距內(nèi)；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(tài)，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(shù)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(shè)計，能很好滿足航向重疊度與旁向重疊度要求。②飛行姿態(tài)可以根據(jù)天氣情況程控調(diào)節(jié)，能很好滿足航攝姿態(tài)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(fù)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(nèi)可通過操縱旋翼使其自轉(zhuǎn)，仍可產(chǎn)生一定升力，減緩直升機下降趨勢，尋求安全降落；控制系統(tǒng)故障如果出現(xiàn)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(nèi)可掌握測區(qū)上空障礙情況，可以預(yù)先做出應(yīng)對計劃，出現(xiàn)突發(fā)障礙，如飛來風(fēng)箏等，也可快速作出反應(yīng)；視距內(nèi)受其他信號干擾、偷襲可進行及時的探測并作出反應(yīng)。

飛行作業(yè)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(zhuǎn)平面內(nèi)，為保持側(cè)向力矩平衡，直升機稍帶傾斜 r（參見圖2）。r 的度數(shù)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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的氣動升力相對較小，這樣，在整個旋翼面就出現(xiàn)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(shù)途徑：①采用自適應(yīng)旋翼技術(shù)或其他贈穩(wěn)技術(shù)消除飛機振動，但目前這些技術(shù)應(yīng)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(fēng)對飛行方式選擇的影響

本文3 所述采用數(shù)字控制算法，實現(xiàn)三個姿態(tài)的閉環(huán)控制，保證無人機姿態(tài)與指令一致的目標是在沒有風(fēng)的影響以及理想大氣的前提下，由于直升機復(fù)雜的空氣動力學(xué)特性，加上實際飛行中受到風(fēng)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(fēng)的影響。

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

因旋翼每旋轉(zhuǎn)一周分頂風(fēng)、順風(fēng)面，會產(chǎn)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(fēng)情況下再逆風(fēng)飛行，那么飛機的傾斜會比較厲害，控制其姿態(tài)比較困難。

試驗案例

在許昌學(xué)院5km2的區(qū)域內(nèi)進行了飛行航攝試驗。飛行參數(shù)：

程控飛行半徑 400m，風(fēng)速3 級（飛行安全風(fēng)速），航高240m 米，

影像GSD 10cm。

飛機參數(shù)：

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(shè)計：

把測區(qū)化為10 個面積為0.5km2的飛行區(qū)，逐區(qū)順風(fēng)飛行。

成果質(zhì)量分析：

測區(qū)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(guī)范要求。如圖4。

結(jié)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(yè)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(yè)中能夠更好地掌控和使用它。