測(cè)量教學(xué)無人機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王星捷

(1. 核工業(yè)西南物理研究院,四川 成都 610041; 2. 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614007)

利用無人機(jī)進(jìn)行低空航空測(cè)繪是目前工程測(cè)量重要的發(fā)展方向[1]。在實(shí)際使用中，其速度較快，測(cè)量結(jié)果精度較高，應(yīng)用范圍與方式不斷的多樣化。無人機(jī)航空攝影測(cè)量在工程測(cè)量行業(yè)及其他相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用中都有很大的行業(yè)應(yīng)用價(jià)值，因此，在測(cè)量教學(xué)中無人機(jī)測(cè)量是當(dāng)今重點(diǎn)的發(fā)展方向。

針對(duì)高校的教學(xué)測(cè)量，通過對(duì)學(xué)校的地理情況的實(shí)際分析發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)產(chǎn)品在測(cè)量教學(xué)上存在一些局限性，如場地限制、購置成本高[2]、維護(hù)復(fù)雜及飛手訓(xùn)練成本高等。

綜合產(chǎn)品無人機(jī)的弊端，本文與學(xué)校測(cè)量教學(xué)實(shí)際相結(jié)合，研究了各項(xiàng)參數(shù)，自制了測(cè)量教學(xué)無人機(jī)，用于在教學(xué)上代替專業(yè)測(cè)繪產(chǎn)品無人機(jī)。相對(duì)價(jià)格高昂的測(cè)繪無人機(jī)來說自制無人機(jī)的制造成本僅6000～8000元，而其測(cè)量效果基本上可滿足日常的航空攝影測(cè)量的教學(xué)需求，同時(shí)自制無人機(jī)也填補(bǔ)了航空攝影測(cè)量校園教學(xué)設(shè)備上的空白。

1 無人機(jī)產(chǎn)品在教學(xué)中存在的弊端

1.1 校內(nèi)場地限制

學(xué)校最大的場地為學(xué)校的運(yùn)動(dòng)場，相對(duì)無人機(jī)起降還是較小。通過實(shí)際測(cè)量，學(xué)校運(yùn)動(dòng)場能為無人機(jī)起降提供安全的距離為100 m。而校園內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，無人機(jī)飛行高度本身不高，且校內(nèi)樹木較多，房屋教學(xué)樓密集，飛行器容易與這些障礙發(fā)生碰撞，造成安全事故，而且在大風(fēng)環(huán)境下起降對(duì)無人機(jī)本身會(huì)造成極大的安全威脅。

目前市場上的大部分測(cè)繪級(jí)無人機(jī)體積相當(dāng)龐大。如中海達(dá)公司的iFly U5型測(cè)繪無人機(jī)，該機(jī)單機(jī)體尺寸就達(dá)到了2.2 m×0.8 m×0.225 m，即翼展達(dá)到了2.2 m，機(jī)體滿載達(dá)到7.5 kg。如果使用該機(jī)在學(xué)校進(jìn)行測(cè)量教學(xué)，那么將會(huì)面臨起飛后無法安全降落這一難題。多款測(cè)繪無人機(jī)具體參數(shù)見表1。

表1 測(cè)繪無人機(jī)參數(shù)對(duì)比

通過表1中幾款無人機(jī)的數(shù)據(jù)對(duì)比，能直觀感受到專業(yè)測(cè)繪級(jí)無人機(jī)對(duì)降落場地的要求較高，即便是采用開傘降落的方式，也需要是在松軟地面、開闊場地的情況下進(jìn)行。

1.2 購置成本高

測(cè)繪無人機(jī)購置成本相對(duì)較高。目前主流測(cè)繪無人機(jī)價(jià)格對(duì)比見表2。

表2 價(jià)格對(duì)比

通過表2的價(jià)格對(duì)比，能直觀地感受到一套測(cè)繪無人機(jī)系統(tǒng)的成本非常高，而且稍微有操作不當(dāng)就會(huì)造成極其高昂的經(jīng)濟(jì)與設(shè)備損失。

1.3 維護(hù)復(fù)雜

通過對(duì)目前主流無人機(jī)的架構(gòu)及性能分析，得到如下結(jié)論：

從無人機(jī)動(dòng)力源來看，目前小型無人機(jī)大多采用鋰聚合物電池為飛機(jī)提供動(dòng)力，留空時(shí)間遠(yuǎn)不及使用燃油的大型無人機(jī)，而且電池對(duì)保養(yǎng)要求極高，稍有不慎，過度放電等就會(huì)對(duì)電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，其帶來的直接結(jié)果就是續(xù)航時(shí)間大幅減少，且鋰聚合物電池在低溫環(huán)境下放電能力不佳。

從鋰聚合物電池的特性可知，零攝氏度情況下電壓比常溫20攝氏度下，下降速率快70%左右，同時(shí)降壓點(diǎn)比常溫提前了近一半時(shí)間，而且低溫放電同樣會(huì)損害電池電芯，長久以來續(xù)航時(shí)間只會(huì)越來越少。

1.4 飛手訓(xùn)練成本高

從無人機(jī)飛手的訓(xùn)練時(shí)間上來看，訓(xùn)練一個(gè)無人機(jī)飛手極其耗時(shí)，假如飛手有一定基礎(chǔ)，那么訓(xùn)練一個(gè)無人機(jī)飛手也需要一到兩個(gè)月，而在這期間需要進(jìn)行大量的實(shí)際飛行訓(xùn)練，且耗時(shí)費(fèi)力，需要消耗大量的時(shí)間。在實(shí)際飛行訓(xùn)練中也可能發(fā)生各種意外導(dǎo)致飛機(jī)損壞，這些都是直接的經(jīng)濟(jì)損失。無人機(jī)飛手首先需要進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，包含飛行器原理、電路原理、空氣動(dòng)力學(xué)等科目；在電腦上通過模擬軟件進(jìn)行飛行訓(xùn)練；當(dāng)模擬飛行訓(xùn)練達(dá)到一定水平后，由教練進(jìn)行帶飛訓(xùn)練，通過兩個(gè)遙控器控制一架飛機(jī)的模式進(jìn)行實(shí)際飛行；最后達(dá)到能單人進(jìn)行起降飛行后可進(jìn)行單機(jī)放飛實(shí)操。

2 自制無人機(jī)設(shè)計(jì)

綜合上述弊端，通過對(duì)校園的實(shí)際地理情況進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)學(xué)校內(nèi)樹木較多，教學(xué)樓與宿舍樓較為密集，平地較少，且存在人工湖區(qū)，平地開闊地帶狹小，不具備起降固定翼無人機(jī)的場地條件。同時(shí)校內(nèi)電磁環(huán)境較為復(fù)雜，移動(dòng)手機(jī)信號(hào)基站數(shù)目多且分布密集，校內(nèi)安保所使用的對(duì)講機(jī)數(shù)量多且功率較大，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)通信及遙測(cè)產(chǎn)生較大干擾。

因此自制教學(xué)測(cè)量無人機(jī)選用多旋翼無人機(jī)為飛行載具。多旋翼無人機(jī)通常軸距在500～1600 mm之間，可進(jìn)行垂直起降作業(yè)，穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)好，同時(shí)航飛速度也可以隨意控制，可以做到在任意拍攝點(diǎn)上懸停。且在短時(shí)間內(nèi)即可完成對(duì)多旋翼無人機(jī)的操控學(xué)習(xí)。

自制教學(xué)測(cè)量無人機(jī)飛行硬件平臺(tái)由無人機(jī)機(jī)體、飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、影像系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)組成。自制教學(xué)測(cè)量無人機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)見表3。

2.1 飛行平臺(tái)

無人機(jī)機(jī)體采用六旋翼[3]作為飛行平臺(tái)的基本架構(gòu)，六旋翼無人機(jī)具有6個(gè)動(dòng)力設(shè)備，其可靠性及抗風(fēng)性都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的四旋翼無人機(jī)，且在失去一個(gè)動(dòng)力設(shè)備的情況下依然可以安全的降落，該機(jī)主要使用碳纖維作為機(jī)體主要材料。機(jī)臂于中心板連接折疊件采用6051-T651標(biāo)號(hào)鋁合金制造，通過陽極氧化處理后外形美觀、不易磨損氧化，可折疊的設(shè)計(jì)大幅降低無人機(jī)空間占用率，方便收納及儲(chǔ)存。其機(jī)臂采用18 mm空心碳卷管制造，重量輕強(qiáng)度高。

表3 自制教學(xué)測(cè)量無人機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 航電系統(tǒng)

(1) 飛行控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的Pixhack飛控，該飛控板搭載32位STM32F427 Cortex M4處理器及STM32F103備份協(xié)處理器，飛控采用IMU(慣性測(cè)量單元)分離設(shè)計(jì)，避免了飛控內(nèi)部的電流干擾；其內(nèi)置通用性減震設(shè)計(jì)在配合外置飛控減震墊的情況下大幅降低飛行平臺(tái)帶來的高頻振動(dòng)，同時(shí)提高飛行穩(wěn)定性，保障了無人機(jī)的安全。飛控板上同時(shí)內(nèi)置了L3GD20三軸數(shù)字陀螺儀、LSM303D及MPU6000三軸加速度計(jì)及磁力計(jì)，同時(shí)配備MS5611高精度氣壓計(jì)，以滿足±10 cm高精度的定高需求。

(2) 動(dòng)力系統(tǒng)采用了國內(nèi)非常成熟的DJI(大疆創(chuàng)新)E600動(dòng)力系統(tǒng)，采用了無刷電機(jī)為動(dòng)力，具有壽命長、可靠性高、高效省電的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)電機(jī)軸采用了自緊正反螺紋的設(shè)計(jì)，避免了裝錯(cuò)螺旋槳和因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速突然降低導(dǎo)致的射槳，提高了飛行的安全性。

(3) 通信系統(tǒng)采用915 MHz的數(shù)傳電臺(tái)，與飛控采用57 600波特率Mavlink通信協(xié)議，功率在100 MW時(shí)可實(shí)現(xiàn)在1 km的可視空距距離與無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)無線通信。

(4) 電源系統(tǒng)采用22.2 V 8000 mAh鋰聚合物為動(dòng)力來源，通過電流計(jì)將總電壓降為5 V 3 A的電流供給飛控及其他電子器件使用。

采用該套電源系統(tǒng)可為無人機(jī)提供長達(dá)15 min的續(xù)航時(shí)間，該無人機(jī)可在航帶高度110 m情況下進(jìn)行單架次測(cè)繪800 m×300 m的矩形區(qū)域測(cè)繪作業(yè)，根據(jù)校園占地面積為866.67 km2，該無人機(jī)航飛4～5個(gè)架次即可完成對(duì)整個(gè)學(xué)校的低空攝影。

(5) 操控系統(tǒng)采用國內(nèi)成熟的天地飛8遙控器，可使用9通道PPM接收機(jī)，采用DSSS擴(kuò)頻和FHSS調(diào)頻技術(shù)，抗干擾性極強(qiáng)，其遙控半徑為1 km可視空距。自制無人機(jī)采用了較為便宜的遙控器作為無人機(jī)操作器，其價(jià)格低廉，同時(shí)通道數(shù)(一個(gè)通道控制無人機(jī)一種功能或飛行模式)相對(duì)測(cè)量無人機(jī)來說處于剛好夠用的數(shù)量，避免了通道浪費(fèi)。

(6) 定位導(dǎo)航系統(tǒng)采用U-blox M8導(dǎo)航模塊，可并行接收GPS和GLONASS或者北斗信號(hào)，也可同時(shí)接收GLONASS和北斗信號(hào)，導(dǎo)航模塊同時(shí)也內(nèi)置了羅盤，保障了飛控導(dǎo)航的安全性。其定位精度HDOP值能達(dá)到0.5～1，滿足測(cè)繪使用需求。

2.3 航攝系統(tǒng)

該機(jī)影像系統(tǒng)采用三軸無刷電機(jī)云臺(tái)及鷹眼6s運(yùn)動(dòng)相機(jī)組成，三軸無刷電機(jī)云臺(tái)下掛于飛行器正下方，可進(jìn)行正攝和傾斜攝影。選取該相機(jī)基本符合在測(cè)量教學(xué)任務(wù)上的精度需求，同時(shí)具有價(jià)格低廉、不易損壞、可防水等特點(diǎn)。相對(duì)較專業(yè)的全畫幅單反相機(jī)，運(yùn)動(dòng)相機(jī)具有價(jià)格低廉、重量輕的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在畫幅上基本達(dá)到4 K的圖像尺寸，滿足了測(cè)量教學(xué)的基本需求。

2.4 系統(tǒng)軟件組成

航飛作業(yè)及影像處理不同于一般的航空測(cè)繪，為了確保成像質(zhì)量，需要進(jìn)行較為精確的規(guī)劃，此時(shí)需要航攝任務(wù)規(guī)劃軟件，在航飛完成后需要航攝影像處理軟件[4]。在自制教學(xué)測(cè)量無人機(jī)系統(tǒng)里面采用Missionplanner無人機(jī)遙測(cè)軟件及Pix4D mapper圖像處理軟件。

3 自制無人機(jī)教學(xué)應(yīng)用

本教學(xué)應(yīng)用主要使用自制無人機(jī)對(duì)學(xué)校內(nèi)部分區(qū)域進(jìn)行航空攝影測(cè)量、空三測(cè)量，采集航片。并通過Pix4D軟件對(duì)航攝采集的信息進(jìn)行處理。

測(cè)區(qū)面積約0.26 km2，西起學(xué)院正門，東至南坡丁字路口，北到萬景園宿舍，地形多為平地，地勢(shì)東高西低，且中間為人工湖，呈三級(jí)階梯分布，高度由東向西遞減。測(cè)區(qū)范圍如圖1所示。

根據(jù)被測(cè)區(qū)域面積，將該次測(cè)繪分為一個(gè)區(qū)域，同時(shí)結(jié)合自制無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，得出該次試驗(yàn)任務(wù)時(shí)間大致為10～15 min。

本次試驗(yàn)任務(wù)的相機(jī)為Firefly6s，其像元大小為0.005 45 mm，1∶2000對(duì)應(yīng)地表分辨率為0.2 m，鏡頭焦距為3 mm。通過H=(f×GSD)/a=(3×0.2)÷0.005 45=110 m，得出自制無人機(jī)航飛高度設(shè)為110 m，曝光間距為51 m，曝光間隔為10.16 s。

依據(jù)地形圖航空攝影測(cè)量[5]規(guī)范的要求，其航向重疊率為70%，旁向重疊率為60%。每條航帶末端設(shè)置10 m的緩沖范圍，使無人機(jī)在測(cè)區(qū)外部進(jìn)行轉(zhuǎn)向及校準(zhǔn)航向[6]，以更好的飛行航向進(jìn)入測(cè)區(qū)。整個(gè)航飛任務(wù)時(shí)長預(yù)計(jì)14 min，共采集121張航攝像片，及其對(duì)應(yīng)的外方位元素，航線如圖1所示。

根據(jù)航飛任務(wù)的航帶數(shù)量，控制點(diǎn)基線數(shù)為4條，控制點(diǎn)數(shù)量為8個(gè)。通過全站儀，GPS等采集控制點(diǎn)[7]信息，控制點(diǎn)見表4。

表4 控制點(diǎn)

4 試驗(yàn)分析與數(shù)據(jù)處理

在本文試驗(yàn)中數(shù)據(jù)分析和處理的軟件主要使用Pix4Dmapper軟件，這款軟件可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)空三測(cè)量，并自動(dòng)生成DSM、DOM[8]和數(shù)字點(diǎn)云[9]。

4.1 飛控原始數(shù)據(jù)分析整理

首先將飛控原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過分析整理出所需外方位元素。對(duì)原始的POS數(shù)據(jù)進(jìn)行修正、篩選，刪除不必要的數(shù)據(jù)，并對(duì)航拍圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)等處理，數(shù)據(jù)格式的處理，采用Pix4Dmapper軟件進(jìn)行修正，設(shè)置對(duì)應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目的坐標(biāo)系，將修正后的POS點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入試驗(yàn)項(xiàng)目中。

4.2 像片糾正

由于自制無人機(jī)采用的相機(jī)為Firefly6s相機(jī)，這款相機(jī)的鏡頭為魚眼鏡頭，拍攝的單張照片邊緣畸變較為嚴(yán)重，在做好像片導(dǎo)入工作后，進(jìn)入圖像編輯器進(jìn)行相機(jī)參數(shù)矯正。

4.3 控制點(diǎn)導(dǎo)入與刺點(diǎn)

在將相片和POS點(diǎn)導(dǎo)入之后，開始進(jìn)行控制點(diǎn)的導(dǎo)入，該軟件支持TXT和CSV格式的控制點(diǎn)文件，在本次試驗(yàn)中使用的是TXT格式文件，在添加控制點(diǎn)文件時(shí)應(yīng)該注意選擇控制點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，本次使用的為WGS-84坐標(biāo)系，刺點(diǎn)過程如圖2所示。

在進(jìn)行控制點(diǎn)選點(diǎn)的過程中，軟件會(huì)根據(jù)該控制點(diǎn)自動(dòng)對(duì)可能含有該點(diǎn)位的像片進(jìn)行預(yù)覽，通過放大及平移操作，將控制點(diǎn)放在該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的圖像參照物上面。一個(gè)控制點(diǎn)一般情況下應(yīng)該在兩張圖片上同時(shí)被刺出，以保證其精度。在完成控制點(diǎn)刺點(diǎn)后，進(jìn)行全自動(dòng)的高精度處理、空三加密。

通過對(duì)輸出的質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告的分析得到，其圖像數(shù)據(jù)集中的121張航片與97張得到校準(zhǔn)，占總照片數(shù)的80%，有部分照片未能被校準(zhǔn)，未被校準(zhǔn)的部分照片為水域或密集樹林，不在有效處理區(qū)域范圍內(nèi)。相機(jī)優(yōu)化前參數(shù)與優(yōu)化后參數(shù)差值為20.54%。質(zhì)量報(bào)告如圖3所示。

控制點(diǎn)實(shí)測(cè)點(diǎn)與Pix4D計(jì)算點(diǎn)精度對(duì)比見表5。

表5 數(shù)據(jù)精度對(duì)比 (°)

通過對(duì)質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告中的控制點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)的分析，根據(jù)《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》對(duì)1∶2000測(cè)圖精度要求，平面位置誤差：平地和丘陵為0.7，山地和高山地位1.0。

學(xué)校從宏觀角度來看屬于平地地形，所測(cè)數(shù)據(jù)的精度誤差均在0.7以內(nèi)，符合精度要求。

在完成前面的高精度處理之后，已經(jīng)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行了規(guī)劃，之后只需進(jìn)行空三處理，以及DSM與DOM的生成。

軟件生成密集點(diǎn)云模型，在點(diǎn)云模型中，每一個(gè)點(diǎn)都包含了三維坐標(biāo)及顏色信息[10]，如圖4所示。

數(shù)字表面模型的生成，數(shù)字表面模型是對(duì)地表真實(shí)起伏情況的數(shù)字化描繪，其顏色深淺變化代表了其起伏的變化，顏色越深，地勢(shì)越高，如圖5所示。

正射影像圖生成，正射影像圖是對(duì)航攝像片進(jìn)行糾偏及拼接[11]，按制圖需求裁剪的數(shù)字影像集。具有高精度的幾何形態(tài)及影像特征，如圖6所示。

5 結(jié) 語

本文重點(diǎn)分析了當(dāng)前無人機(jī)產(chǎn)品的特點(diǎn)及其在校園教學(xué)測(cè)量中的弊端，探討了一種低成本、高效率的自制無人機(jī)的設(shè)計(jì)。通過分析校園的地理情況和教學(xué)的需求，對(duì)無人機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，設(shè)計(jì)了適合校園教學(xué)的測(cè)量無人機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)的自制測(cè)量無人進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)教學(xué)的具體應(yīng)用，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理，通過具體的試驗(yàn)分析，得出的數(shù)據(jù)符合《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》的要求，同時(shí)也展示了點(diǎn)云模型、數(shù)字表面模型以及正射影像圖生成的遠(yuǎn)離和過程，完成了實(shí)際的航空攝影測(cè)量教學(xué)的內(nèi)容。證明了本文設(shè)計(jì)的測(cè)量無人機(jī)滿足了日常的航空攝影測(cè)量教學(xué)的需求，同時(shí)為高校航空攝影測(cè)量教學(xué)無人機(jī)設(shè)備研究提供了技術(shù)性和理論性的參考。