多旋翼无人机在库区水域环境监测中的应用

李翔

摘 要 本文介绍了丹江口水库行政执法行动出现的问题。通过分析固定翼式及旋翼式无人机的优缺点，结合丹江口库区环境特点分析使用需求，认为使用微型多旋翼无人机系统是合适的；并针对微型多旋翼无人机系统缺点提出结合使用的方式。最后为避免使用不同型号的微型多旋翼无人机导致安全性问题，阐述了保证不同微型多旋翼无人机系统使用的典型流程。

关键词 UAV监测；微型多旋翼UAV；应用选型；作业流程

中图分类号 X8

文献标识码 A

文章编号 1674-6708（2016） 154-0073-02

1 概述

目前南水北调中线工程的主要任务由大坝加高及相关工作，转向了水库水域面积内相关水源地的保护。2014年，水利部开展了丹江口水库“打非治违”专项执法行动，上述行动中暴露了卫星遥感受观测点周边环境、空间分辨率影响，很难提供实时快速的监测。

无人机是无人驾驶航空器的简称，英文的缩写为UAV （Unmanned Aerial Vehicle）。具有受气候的影响小，无卫星运行的瞬时效应，高效快速、精细准确、升空准备时间短、操作控制容易等特点。整个系统运行稳定，经济性能高（一般无人机工作成本是有人飞机1/10左右），因此适用于小面积重点区域拍摄。无人机通过搭载不同类型的传感器，可直观、全面地掌握水域环境动态情况。

2 无人机系统的分类

2.1 无人机系统的分类

无人机目前更多的称为无人机系统UAS （UnmannedAircraftSystems），一般由飞行平台、有效载荷（日间相机或日间摄像机、红外相机）、控制站、保障设备等组成。无人机系统的分类方法有多种，较为典型的有以下两种方法。

2.1.1 按飞行质量分类

2013年颁布的《民用无驾驶航空器系统》的规定如下。

微型无人机，是指空机质量小于等于5，7kg的无人机。

轻型无人机，是指空机质量大于7kg，但小于等于116kg的无人机，且全马力平飞中，校正空速小于lOOkm/h（55海里/小时），升限小于3000m。

小型无人机，是指空机质量小于等于5700kg的无人机，微型和轻型无人机除外。

2.1.2按起降飞行方式分类

依据应用广泛程度及起飞和着陆方式可分为以下两种：1）水平起降式。2）垂直起降式。水平起降式以固定翼式飞机为主，垂直起降式以旋翼式飞机为主。

（1） 水平起降式

优点：飞行速度快，动力效率比高，飞行高度高，续航远。

缺点：受低空紊流响应较大，无法在指定位置悬停，在复杂地形飞行需要以较高的高度维持运行。对目标只能进行“盘旋观察”，微型固定翼无人机受限于比例效应，较易发生机身跟随气流的线运动和角运动，进而影响其获得连续稳定清晰的图像。起飞和降落场地要求相对较高，要求起飞及着陆航线上无障碍物，且要迎风发射或降落，使用限制相对较多。失控情况下有闯入其它飞行器所处空域高度的可能。

（2） 垂直起降式

优点：对低空紊流响应较低，可在空中悬停。可以对指定目标进行“悬停凝视”观测，获得连续稳定清晰的图像，有利于发现小目标。具有垂直起降能力，其对场地及气象条件要求低，应用范围也较广。

缺点：翼载荷较高，动力效率比低，续航力低，控制系统较为复杂，发生故障后坠毁率高，故障坠毁对地面危害较大。

3 无人机系统类型的选择

3.1 无人机系统使用环境分析及目标设定

3.1.1使用环境分析

无人机系统的使用环境因素主要由自然环境（气象、地形、无线电），政策环境（法律法规、空域环境）组成：

3.1.2自然环境

丹江口库区所处鄂西北地区，地形上属于四类困难地区，对普通航空观测系统而言全年有效作业时间短，且易受气候、天气、起降场等因素影响。库区四季明显，春季多大风天气，秋季凉爽雨水减少，受山区地形等因素影响，局地小气候明显。近年来人类活动加剧，导致库区生态环境遭到了破坏，灾害性天气及雾霾天气时间日益增多。由于地形原因较适合中等频率的频带（低于1GHz）的无线电工作。

3.1.3政策环境

1）法律法规

中国民用航空局飞行标准司于2013年11月18日颁布的《民用无驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》AC61-FS-2013-20其中下列情况下，无人机系统驾驶员自行负责，无须证照管理自行负责。

（1） 在室内运行的无人机。

（2） 在视距内运行的微型无人机。

（3） 在人烟稀少、空旷的非人口稠密区进行试验的无人机。

其相关术语定义如下：视距内运行（VLOS：VisualLine of Sight operations），无人机驾驶员或无人机观测员与无人机保持直接目视视觉接触的操作方式，航空器处于驾驶员或观测员目视视距内半径500m，相对高度低于120m的区域内。

超出上述情况的，无人机系统驾驶员需要相关证照，飞行任务需要执行空域申报手续。

2） 空域环境

在丹江口库区上空，有来自库区周边地区的空军及航校进行飞行训练。而库区核心区域附近正在建设十堰武当山机场，其定位为支线机场，以国内旅游为主，兼顾通用航空服务。机场为核心的区域周边20km内，禁止任何未经批准的无人机飞入。

3.2 无人机系统的选择要点

1） 飞行平台及传感器——水平起降式无人机对场地要求高，虽可通过倾斜弹射、定点伞降等方式获得垂直起降能力，但维护保障难度将加大，限制了水平起降式无人机的使用便利性。平台需要考虑到携行问题，全系统体积重量不能太大。平台可携带三轴稳定器，在低空紊乱气流下中保持视场稳定，并能保证传感器视场始终对准目标区域，生成清晰的高分辨率影像。

2） 安全性——在飞行平台发生失控及故障时，应能保证在指定区域盘旋或悬停，飞行平台不能随气流飘飞。无人机自身安全性受各系统的各环节制约，目前国内缺乏统一的适航标准及质量标准，安全性与无人机的制造成本直接相关。但过高的价格又会限制使用，需在各个方面有一个折衷。

3） 数据链路——数据链路应具有较好的抗干扰性，同时可传输高清高分辨率画面。高清高分辨率实时画面可以在第一时间帮助发现疑点目标，而不用等数据采集后分析，同时地面站应拥有数据接口，借助通信设备连接卫星转播系统或移动互联网络，将其采集到的图像信息实时转发。

4） 用户数量——民用无人机系统中用户数量多，则代表该机型生产总量大，应用领域广。可显著降低采购价格和全寿命期内的维护价格，还可以通过交流观察这种机型在不同的用户及不同环境下的实际运行情况。

较大型、航程较远的无人机，使用成本相对较高且不易获批，这种类型的无人机更适合较长时间内定期的巡查。而日常随机巡查，应对突发事件微型无人机是较好的选择；微型固定翼无人机一般采用较大的展弦比，机翼载荷普遍较小，使用受到风的限制；使用中发生故障有飞入机场区域、禁止飞行器进入的其它区域或其它飞机运行空域的可能；而由于实时传输高清图像的要求，无人机的工作距离限定在了近距离使用。结合市场的发展以及实际应用成效，较为适合的微型无人机系统是具有高清数据链路的电动多旋翼式无人机系统。这种无人机系统的运用可通过多次发射 回收转移的方式弥补监测范围和航程的不足。

3.3 微型多旋翼无人机系统使用目标设定及定位

针对卫星及传统航空器、其它类型无人机的不足，对复杂水域、面积相对小且污染类型多样的区域，制作高分图像进行监测。使用时要求飞行平台能在6级风力情况下使用，受场地等外界制约小，能灵活使用、携行方便、安全高效、操作简单、价格适中的特点，能在阴云、雾霾能见度不良天气下低空快速简便的获取水域环境的高清晰图像。

实时追踪和监测突发环境事件的发展。为弥补航程上的不足，可采用多次发射飞行器方式，到达指定高度和地点后，进行悬停并凝视动作；同时利用机载数据链路高清实时的特性，借助地面站外部通信设备连接移动通信网络转发，实时转播飞行巡查地点的情况至上级机构。

4 微型多旋冀无人机的使用方式

微型多旋翼无人机的使用方式：

1） 在疑似地点附近起飞，以起飞点为中心120m以下，500m范围内飞行或已申请并批准的超低空隔离空域内飞行。

2） 利用多旋翼飞行器可以垂直起降的特点，在库区内机动的船舶上起飞，飞往疑似地点或者兴趣地点，在飞行中保持与起飞点（机动中的船舶）500m距离，飞行器在以船舶为中心的500m范围内；或申请的超低空隔离空域范围内与船只保持一定安全距离飞行，而船舶则保持安全航线，在不同高度，角度，距离上观测船舶运行航线周围的疑似地点区域。采用此种方式需考虑到船体金属材料对飞行器导航系统的影响，应优先考虑非金属结构的船舶。由于航线变化相对动态，因此对任务规划、飞行器操作者都有非常高的要求。

需要注意的是若一次性出动一架以上的微型多旋翼无人机时，应在各机组之间设立总的指挥员，协调各机组运行的高度层和范围，禁止在同一高度层上运行多架无人机，在改变高度飞出规定范围时应通报总指挥员，保证任务的安全顺利。