无人机遥感航拍系统的减震策略分析

柯斌

摘要：随着无人机技术的普及，多轴无人机遥感航拍系统迅速发展日渐成熟，在农林监测和森林防火等领域得到广泛的应用。但是无人机遥感航拍系统的减震技术仍是急需解决的问题，此研究对各个相关因素进行分析以期望将机震降低到最小，最终提高遥感视频图像的质量。

关键词：无人机；航空遥感；视频；减震

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0286-02

Abstract： With the popularization of UAV technology， multi axis UAV aerial remote sensing system is developing rapidly， widely used in the fields of agriculture and forestry monitoring and forest fire prevention. However， the shock absorption technology of UAV aerial remote sensing system is still an urgent problem to be solved. This paper analyzes the related factors in order to reduce the machine shock to the minimum， and ultimately improve the quality of remote sensing video images.

Key words： UAV； aerial remote sensing； video； shock absorption

近年来，随着无人机技术的高速发展，结合各个领域的整合利用，已经取得了优异的成绩。其中无人机遥感航拍在农林监测和森林前期烟雾识别防火、火情监测等领域以成本低，入手易，效果明显等优点逐渐占领市场，但是由于高清遥感视频对镜头的震动较敏感，机震是影响高清遥感视频质量的关键因素之一，于是减震技术成为多轴无人机遥感航拍系统的瓶颈，文章就系统中各个可能的造成震动的因素及其相应的减震策略进行简单的研究，以提高高清遥感视频的质量，下面就机种的选择，震源和减震分析三个方面进行分析。

1 机种的选择

市面上，用于专业航拍的机器大部分是六旋翼或八旋翼无人机，因其较好的载重能力，优秀的飞行稳定性灵活性，对飞行环境较好的适应性成为众多机种中航拍的首选机器。

1.1 载重能力

无人机的载重能力直接决定了它所能搭载的云台及摄影机的类型即它的拍摄能力。多轴无人机因其强劲的动力及载重能力明显比其他机种更适合高清遥感航拍，笔者组装的六轴无人机总负载8.5KG，减去自重4.5KG，仍有4KG的载重能力，足够使用市面上常用的中小型云台和单反或微单摄影系统，如佳能5D4，尼康D850，松下GH5，索尼A7S、Gopro等。

1.2 飞行稳定性、灵活性

多轴无人机的飞行稳定性、灵活性满足了高清遥感航拍的各项基本要求。在拍摄中，如果飞行不稳会导致构图不稳以至于素材不能用，多轴无人机在稳定性上占有优势，可以做到空中定点拍摄，另外由于其灵活性可以实现高难度的跟拍飞行路线。基于多轴无人机的结构优势和优秀的飞控系统、飞行模式，无疑使其成为高清遥感航拍的不二之选。

1.3 场地适应性

多轴无人机优秀的场地适应性决定了其便利性和适应性。固定翼起飞降落需要较长较开阔的跑道使它不能适应各种复杂的地势环境，所以并不适合做低空高清航拍。多轴无人机可以适应各种复杂的地势环境，起飞降落都十分便利，基本没有场地限制的问题。

2 震源

多轴无人机震源主要来自电机和螺旋桨高速旋转所产生的低頻和高频震动，经由机臂、机身、悬挂系统、云台传递到摄影机，其中低频震动会直接导致画面构图抖动，高频震动会产生画面果冻效应。经相关人员测试，120Khz是小型四旋翼震动频率段，80Khz是大型多旋翼震动频率段。果冻效应，简单来说，就是使用卷帘快门的摄影机在拍摄高速运动物体，或者摄影机本身在高速运动、震动的情况下拍摄时产生的抖动、扭曲、倾斜等现象。市面上大部分中低端相机及摄像机都采用的是CMOS传感器卷帘快门，其工作方式是让像素从上到下进行逐行感光产生了微小的曝光时间差，特别是在拍摄高速运动的物体时最终成像就会造成倾斜、畸变。所以，对于很多高清遥感航拍而言，降低飞行器的高频震动带来的果冻效应是必须解决的难题之一。另外，云台自动补偿和执行指令时也会产生微弱的震动，也是震源之一。

3 减震分析

减震是指通过分析多轴无人机震动的根源，从各个相关因素入手尽可能地减少飞行中机器的震动，以此来提高高清遥感视频的质量，下面从电机及浆的材质/安装/动平衡、机身及云台布局、飞控参数设置、云台减震装置、云台参数设置五个方面进行分析：

3.1 电机及浆的安装、材质、动平衡

电机和螺旋桨既然是震源，所以必须把它们的震动降低到最小值，要求做到以下三点：

（1）浆的材质大致分为三种：APC浆动平衡好效率很高，续航长优于碳浆和木浆，缺点在于浆身比较软，大载重、高速飞、大拉力时，浆会轻微变形产生额外的震动；木浆多为榉木，硬度高、重量轻、静平衡完美、无破风声、振动极小、但效率较低，木浆更容易缓解但不一定能完全消除果冻；碳浆有优异的硬度、合适的浆型、不变形、破风声极小、效率高于木浆稍微低于APC，是大多数航拍多轴无人机的选择。笔者选择的就是复合碳纤工艺的碳浆：DJI 1552折叠桨，够轻、够硬，飞行起来声音相对普通碳纤桨会小很多。

（2）电机的安装：必须保证绝对水平，可以借助水平仪来完成，这样不仅可以减小低频震动还可以提高电机工作有效率。

（3）电机和浆的动平衡调节：因为电机和浆并不能保证重量和形状绝对对称，这些误差会增加震动，所以調节动平衡是很有必要的。有条件的可以用专业的动平衡调节仪器，没条件的也可以用简便的方法来实现：用激光笔加小镜子给电机上桨做动平衡，把镜子贴在电机的安装处，固定机臂的另一端，用激光笔照射小镜子，使光源反射到墙上，然后通电，通过遥控控制电机的转速，观察墙面光源反射点的震动幅度，通过给电机的转子不同方位粘胶带，找到最佳位置使反射的光源振幅达到最小，同样上浆后也可以给浆做动平衡。这样可以保证飞行中电机和浆产生最小的震动。

做好以上三点，基本上可以把低频震动降到最低，高频震动明显得到改善。

3.2 机身及云台布局

机身内部布局除了要简洁外最好把重心安排在几何中心，这样从各个机臂传来的震动可以互相抵消一部分，另外一方面可以保护电机电调不会因为重心不平衡而导致某部分电机电调过载。另外，悬挂系统及云台安排在机身重心正下方，震动会小很多。经笔者测试，因电池放在重心正下方而把云台摄影系统悬挂在重心下面偏前位置时，机震会通过悬挂系统的杠杆放大反而增强了画面的上下抖动，导致素材不可用。因此需要更改布局，把电源系统放在重心正上方即机顶上面，把云台摄影系统悬挂在重心正下方才是最好的解决方案。

3.3 飞控参数设置

飞控参数的设置对飞行灵敏度、稳定性的影响非常大，所以设置参数也是减震环节之一。

首先，PID参数的设置：Proportion比例，简称P；Integral积分，简称I；Derivative微分，简称D，可见PID 控制是基于微积分的数字化自动控制方式。在多轴无人机的飞行调试中，P值越大，多轴无人机执行指令的响应速度越快，控制力强，表现为越灵敏，但过大会产生强烈的震动，P值越小，多轴无人机执行指令的响应速度越慢，控制力弱，表现为动作迟钝跟不上指令，好的调试原则是在不产生震动的情况下P值尽可能高；D是对P调节，修正消除P值过大产生的震荡，D值越大，调节越平缓，表现为越平稳，但D过大会使调节时间延长，表现为反应迟钝，所以D值尽可能小；I是为了消除误差而加入的参数，如果没有I的作用，在多轴无人机平台上的表现就是飞行器越来越倾斜，最终失去平衡，I的调节是建立在P、D的基础上的，P、D的改变都会影响I的效果。所以最终的调节步骤就是先调 P 确立灵敏度，接着调节D调整平稳度，最后调节I确定精度，总的来说，I和D负责修正P值大了造成的错误，使P尽可能大而机震尽可能小，使多轴无人机尽可能灵敏、精准、平稳地飞行。具体的调试过程中，一般先调试Pitch、Roll方向的PID，再调试Yaw方向的PID，慢慢找到最理想的参数。另外，不同的拍摄项目也需要对PID参数进行细微调整以满足拍摄要求。一般的遥感监测要求构图流畅稳定，不需要做大动作灵敏度要求不高， P值可以小点，火情监测类跟拍需要极快的响应速度和动力，所以P值要加大，D、I根据P做适当的调整。

其次，飞行模式的设置。不同的项目可以选择不同的飞行模式，以实现最佳的减震和拍摄效果，下面介绍两种基本拍摄项目的飞行模式：一、航点模式自动飞行，通过地面站软件预先设置好航点，无人机就可以按照事先定好的航点自动飞行，实现一般的扫描式的遥感监测拍摄，无须全程人工的操作，人力成本很低；二、人工模式手动飞行，一些复杂的拍摄项目如现场火情监测，必须考虑到无人机的安全问题，不宜用航点模式自动飞行，通常由飞手和云台手同时手动飞行操作，一般用自稳模式或手动模式来起飞和降落、用定点模式来空中定点观测。

总的来说，参数设置要根据不同的拍摄项目，选择不同的飞行模式，调整不同模式下的PID参数，不断调试积累经验，达到最佳飞行状态和最小机震效果。

3.4 云台减震装置

市面上大部分云台减震装置都是减震球，选择合适的减震球至关重要，它是整个减震系统的软组织吸震装置，连接无人机机身和悬挂系统、悬挂系统和云台系统，震动由机身经过减震球传递给悬挂系统最终到达摄影机。减震球一般有硅胶、橡胶两种材质，硅胶偏软橡胶偏硬；受力方式有下压式、悬挂式两种，下压式偏软悬挂式偏硬。减震球材质的弹性系数，厚度，工艺结构，承重能力等决定了其是否匹配不同的无人机、摄影机系统。

3.5 云台参数设置

云台的参数决定了云台对飞行动作做逆向补偿的效果，可以根据不同的摄影机系统和拍摄项目设置不同的参数达到最佳的效果。云台除了自动补偿无人机机身的倾斜从而保持稳定的构图，还可以在俯仰PITCH和水平旋转YAW方向调整构图。其参数设置尤其是PID直接决定了云台执行指令时本身产生的震动导致画面抖动，虽然云台本身的震动比无人机的震动小很多，但也是震源之一，并且直接作用于摄影系统，所以设置合理的参数也是很有必要的。不同的云台系统配合不同的摄影机系统，需要不同的PID参数才能实现最好的减震性能，一般来说，摄影机越重，P值也越大，以便提供更大的动力和更 快的响应速度，这些需要从大量的航拍实践中积累经验，逐步调试出最佳参数。

4 结语

在实际的航拍实践中，需要从各个方面逐一入手，把每一个相关因素的影响降到最低，根据不同的航拍项目把飞行器调试到最佳的飞行状态，不断积累经验，最后制作出优秀的高清遥感航拍视频，为科研工作等提供良好的素材。

参考文献：

[1] 张哲，范冬阳.影视航拍画面抖动分析及消除[J].现代电影技术，2015（12）：42-47.

[2] 胡睿，郭春晖.小型无人机航拍初探之增稳云台浅析[J].现代电视技术，2013（3）144-147.

[3] 中国论文网.浅议无人机航拍的应用[EB/OL].http：//www.xzbu.com/3/view-5752628.htm，2014-06-18.

【通联编辑：王力】