无人直升机航空摄影问题研究

田建宏 王 毅

1.61243 部队；2.61175 部队

无人直升机在数字航空摄影中应用越来越广泛。分析了视距程控无人直升机在航空摄影中的适用性，研究了倾斜角、飞行振动、风等因素对作业的影响及相关解决方法。给出了一个面积为5km2的工程实验案例。`

引言

随着我国国民经济的快速发展，各行各业对地理信息的需求越来越大，对时效性要求越来越高，尤其是各种工程规划、工程勘测、工程施工对大比例尺地理信息产品的需求更加旺盛。

无人直升机以尺寸小、结构紧凑、悬停和中速飞行效率高、故障率低和有利于无人驾驶情况下的安全着陆等特点而广泛应用于军事和民用。把无人直升机应用于数字航空摄影，有如下优势：

设备造价低。无人机较普通航摄飞机价格便宜很多，且不需要飞行员。

起飞条件限制小。无人直升机可以在狭小的地带垂直起降，不需要专用的跑道，所以在复杂地形条件下仍可以进行航空摄影。

影像分辨率高。无人直升机一般是低空飞行，因此使用普通相机也可获取高分辨率影像，适合大比例尺地理产品生产。

无人直升机的选择

低速和小尺寸共同决定了无人直升机雷诺系数很低（105 左右），这远低于传统飞行器的飞行雷诺数范围（106～108 以上）.在低雷诺系数条件下仍要保持良好的气动性能，是较为困难的。同时，无人直升机是一个非线性，多变量，强耦合的动态系统。因此，设计无人机的控制器是一个很困难的任务。这些因素的存在决定了无人直升机技术指标主要体现在自主飞行控制系统和自主飞行的安全距离上。目前世界各国的无人直升机技术水平参差不齐，从初级的视距遥控飞行到美国诺斯罗普·格鲁曼公司生产的千公里自主飞行ROBOCOPTER，不一而足，并且无人直升机的尖端技术在各国均是高度保密的，不易引进，本文着重就我国自主技术和可引进技术展开论述。

从航空摄影的角度看，我们对飞行安全、飞行姿态、飞行高度的稳定有很高要求，因此，目前在我国技术条件下，一般采用视距程控飞行直升机，其涵盖如下内容：飞行阶段利用控制系统进行程控飞行，飞行范围在视距内；起飞与降落采取人工遥控方法，起飞到达一定航高切入程控飞行状态，降落时到达一定航高切入到人工遥控降落。

该飞行模式对对数字航空摄影的可适用性是很高的。①程控飞行可以进行教精确的航线（航迹）设计，能很好满足航向重叠度与旁向重叠度要求。②飞行姿态可以根据天气情况程控调节，能很好满足航摄姿态要求。③安全保障较好。人工遥控起降可以有效避免起飞降落阶段地面障碍情况复杂带来的安全隐患；即使直升机机械故障空中停车，操作员在视距范围内可通过操纵旋翼使其自转，仍可产生一定升力，减缓直升机下降趋势，寻求安全降落；控制系统故障如果出现故障，可采用控制备份的方法强制飞机自动返航，然后人工遥控降落；视距范围内可掌握测区上空障碍情况，可以预先做出应对计划，出现突发障碍，如飞来风筝等，也可快速作出反应；视距内受其他信号干扰、偷袭可进行及时的探测并作出反应。

飞行作业中的几个问题

倾斜角r 的改正

无人直升机相对于速度轴系平飞时，作用在直升机上的力主要有旋空拉力T，全机重力 G，机体的废阻力 X身及尾桨推力T 尾。前飞时速度轴系选取的原则是：X铀指向飞行速度V 方向；Y 轴垂直于X 轴向上为正，2轴按右手法则确定。保持直升机等速直线平飞的力的平衡条件为（参见图1）。

X 轴：T2=X 身，Y 轴：T1=G，Z 轴：T3 约等于T 尾。

图1

图2

图3

图4

其中 Tl，T2，T3 分别为旋翼拉力在 X，Y，Z 三个方向的分量。对于单旋翼带尾桨直升机，由于尾桨轴线通常不在旋翼的旋转平面内，为保持侧向力矩平衡，直升机稍带倾斜 r（参见图2）。r 的度数一般在2.5～3.2度之间。为了摄影时相机主光轴尽量保持与地面垂直，在安装载有相机的云台时，应对倾斜角r 加以改正，即把云台向r 的反方向倾斜约3 度。

飞行振动影响

在飞行中，与直升机飞行方向一致的旋翼前行桨叶相对于空气的速度较快，桨叶产生的气动升力要大一些；而后行桨叶相对于空气的速度较慢（失速），产生的气动升力相对较小，这样，在整个旋翼面就出现升力的不平衡，引起旋翼乃至直升机机体的振动。机体振动会影像相片的锐度，使得相片不清晰。消除振动的影响主要有两个技术途径：①采用自适应旋翼技术或其他赠稳技术消除飞机振动，但目前这些技术应用还不是很成熟。②降低摄影曝光时间，但这也限制了光圈的选择度。

风对飞行方式选择的影响

本文3 所述采用数字控制算法，实现三个姿态的闭环控制，保证无人机姿态与指令一致的目标是在没有风的影响以及理想大气的前提下，由于直升机复杂的空气动力学特性，加上实际飞行中受到风的影响，一般不能完全达到该目标。因此飞行时必须考虑到风的影响。

无人直升机在逆风的条件下飞行机体受到风的影响最小，飞机气动性能最好，但是飞机逆风飞行是一种绝对状态，当风速V 风=0，飞机地速V gps ＞0，V gps ＞ V 风，风相对于飞机有相对风速V 风相对=-V gps，所以此时飞机是绝对状态下的逆风飞行；同理，当V 风 ＜V gps时，即使飞机是顺风飞行，绝对状态下，飞机仍是逆风飞行。所以当风速在小于地速的情况下，一般采用顺风飞行来达到绝对逆风飞行的状态，因为如果飞机在逆风过大的情况下，燃料消耗过大，同时姿态控制也比较困难，图3给除了无风时飞机的受力分析。

因旋翼每旋转一周分顶风、顺风面，会产生一个升力差，速度越大越明显会机体往右倾斜，需压左副翼修正。如果在有风情况下再逆风飞行，那么飞机的倾斜会比较厉害，控制其姿态比较困难。

试验案例

在许昌学院5km2的区域内进行了飞行航摄试验。飞行参数：

程控飞行半径 400m，风速3 级（飞行安全风速），航高240m 米，

影像GSD 10cm。

飞机参数：

最大有效载荷 30.00kg，总长度 3630mm，最大巡航速度60km/h，主旋翼：两叶式螺旋桨，直径3115mm，标准油箱1h。

飞行设计：

把测区化为10 个面积为0.5km2的飞行区，逐区顺风飞行。

成果质量分析：

测区影像150 张，影像清晰，色彩均匀，无航摄漏洞，航向重叠度达标率（达到60%～65%）100%，旁向重叠度达标率（达到30%～35%）98%，最大象片倾斜角2°，最大旋偏角5°，最大航高差5m，航线的弯曲度1%，符合规范要求。如图4。

结束语

通过对无人直升机的选择分析，探讨了无人直升机在飞行作业中要注意的问题，并通过试验案例，使我们在以后的无人直升机作业中能够更好地掌控和使用它。