多旋翼與固定翼無人機航拍性能比較初探

張守峰 單 丹 丁志敏

（嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興314001）

1 航拍技術概況

航拍又稱空中攝影或航空攝影，可以不受地面障礙物的遮擋，清晰地俯瞰并記錄拍攝對象及其所在地理環境的外部信息。近年來，隨著科技的發展，航拍、航測技術日趨成熟。以航拍技術為基礎的信息采集平臺在影視制作宣傳、國土資源管理、城市規劃勘測、環境保護和自然災害監測等領域,展現了其高效率采集影像信息等優越性。

2 載人航拍與無人機航拍

航拍包括載人航拍和運用遙感技術遠程操控的無人機航拍，都是借助飛行器搭載拍攝器材升空，從不同高度、角度俯瞰拍攝地面物體的活動，最大區別在于飛行員和攝影師是否搭乘在飛行器上。載人航拍的搭載平臺有運輸機、直升機、動力傘、熱氣球、飛艇等，其優點為續航能力強，拍攝高度較高等，但也有運行成本高，機動靈活性較差等缺點；而無人機航拍是指遙控飛行器和攝影器材的拍攝活動。雖然受油、電等傳統能源動力的局限，目前大部分民用無人機都存在續航時間較短的缺點，但是無人機航拍屬于飛行高度低于一千米航空管制高度的低空攝影，與衛星航拍、載人航拍等高空攝影和地面攝影、測繪相比較，在某些方面還具有一定的優勢。

3 無人機低空攝影的比較優勢

1）云下攝影，飛行器受天氣和地形影響較小，即使在陰天和輕霧天氣情況下也可以拍攝。

2）飛行高度較低，能夠獲取大比例尺、高分辨率的圖像數據，較好的顯示所拍攝物體輪廓、結構。

3）飛行器采取高效快速的操作系統，機動靈活，運行方便，拍攝或測量運行周期短。

4）設備組裝及攜帶簡便，人工成本較低；飛行安全系數相對較高，更靈活機動。對文物建筑非接觸的攝影測繪，既不會破壞建筑本身，也降低了外業強度[1]。而且隨著拍攝器材和測量儀器等的發展進步，航測數據可以更方便、高效地滿足古建筑測繪等需求。

4 兩種常用無人機航拍性能比較

目前民用航拍無人機主要分為固定翼與旋翼機兩大類，而旋翼機又主要分為傳統直升機和多旋翼飛行器，二者飛行原理大致相同，但近年來多旋翼飛行器迅速發展漸成主流。

4.1 旋翼機

多旋翼飛行器又稱多軸飛行器，屬于旋翼式無人機的一種，其自重較輕但強度高。[2]與傳統直升機相對復雜的主體及傳動裝置相比較，多軸飛行器結構相對簡單，沒有傳動裝置。

4.1.1 結構組成

目前，多軸航拍飛行器主要由動力載機、云臺、拍攝器材、遙控器及圖像傳輸系統組成。

動力載機——即多旋翼飛行器本體，主要由電機、電子調速器、飛行控制系統、機架及動力鋰電池組成。

云臺——拍攝器材的穩定器，其作用在于使拍攝器材在飛行過程中保持水平穩定，避免飛行器在飛行過程中產生的震動和晃動對拍攝的不良影響，保障穩定的拍攝效果。

拍攝器材——拍攝器材種類很多，可以是相機，也可以是專業的攝像機等。目前最為流行微型拍攝器材非GOPRO莫屬，主要因為其具有體積小巧，畫質清晰等優點，對于載重量較小的飛行器，它的優勢相當明顯；但如果對拍攝畫質有更高的要求，可能就需要佳能、索尼等更為專業的品牌拍攝器材了。

遙控——是運用遙感技術對飛行器的飛行軌跡和姿態遠程控制，起到變換拍攝視角、調整視頻構圖的作用。

圖像傳輸系統——主要包括圖像發射、接收和地面顯示器，可將飛行器拍攝的畫面實時地傳回地面，以便操控者對飛行器實時監控，及時調整拍攝軌跡、飛行器姿態。

4.1.2 飛行原理

多軸無人機的飛行原理在于通過遙控系統給飛行器發出指令，由飛行器上搭載的接收器接收后傳送給中央控制系統，轉換成電機的轉速調節信號，再將這些信號傳送給電子調速器，從而調節多個動力輸出電機的轉速，以改變旋翼所產生的扭矩和升力，達到穩定機身和控制飛行方向的目的。除了手動發出指令操控飛行器之外，飛行器還可以通過飛行控制系統內自帶定位系統自主飛行，通過GPS、高度儀、航向傳感器等精密設備實現自主起降，改變飛行高度和飛行路線[3]。

4.1.3 主要特點與應用領域

多軸飛行器最主要的特點在于垂直起降，可懸停，飛行靈活。在視頻、照片拍攝方面，多軸飛行器可在低空環境下靈活控制，拍攝角度多變，并能夠做到精確懸停，定位拍攝，結合參照物定位和遠近景物對比等手法，拍攝效果將達到最佳。而且，飛行器本身的優勢在于受天氣影響較小，通過調整拍攝器材的光圈和感光度，或后期軟件調整光線和消霧處理，即使在陰天或輕霧天也能達到良好的拍攝效果。顯然，多軸飛行器對復雜的地理環境、天氣有很強的適應性。

多軸飛行器的發展趨勢是更加智能化和載重量越來越大，作為良好的空中搭載平臺，更多應用于救災、農業播種、工程測繪等領域。

4.2 固定翼飛行器

4.2.1 結構組成

固定翼航拍無人機主要由動力載機、云臺、拍攝器材和圖像傳輸系統組成。

固定翼無人機的動力載機包括機身、電機、電子調速器、舵機、電池、飛行控制系統。而云臺、拍攝器材以及圖像傳輸系統的組成與功用與多軸飛行器大致相同，不同的是由于民用固定翼無人機載重量有限，目前只能搭載如GOPRO、卡片機之類體積小、質量輕的拍攝器材；另外，由于固定翼無人機可以滑翔飛行，航程比旋翼機大大增加。相應地，固定翼需要支持更遠距離的圖像傳輸系統。

4.2.2 飛行原理、主要特點與適用范圍

目前，固定翼航拍除了一些專業的航測隊伍運用無人機搭載專門研制的拍攝器材測量和拍照，民用固定翼航拍無人機FPV（FIRST PERSONAL VIEW）——第一視角飛行占絕大多數，其航拍也是在第一視角飛行的同時起到記錄作用，出現這種現象的主要原因是：

1）飛行時機身晃動幅度較大，與之配套的云臺調節能力有限，導致鏡頭在飛行過程中除了滑翔時較為穩定，機動飛行時晃動較為明顯，可用的視頻素材較少。

2）載重量有限，對拍攝器材限制較大。

3）無法懸停，只能掠過式拍攝，復雜的拍攝構圖是無法實現的——固定翼能實現的拍攝角度，多軸飛行器都是可以完成的，但反之則未必可行。

5 結語

從視頻拍攝的穩定性和畫面質量等要求出發，選擇多軸無人機小范圍、短距離地航拍古建筑、村鎮民居聚落等漸成主流。但其續航能力只有幾分鐘至多二、三十分鐘，而可以無動力滑翔的固定翼飛行器續航時間長達幾個小時，飛行距離遠至近百公里，二者比較相差懸殊,顯然固定翼無人機更適用于大范圍、遠距離的城市景觀、山區公路的航拍、航測以及災情監測等領域。

［1］李嚴，李哲，張玉坤.建筑攝影測量系統及其應用案例[J].新建筑，2010,05：130-135.

［2］田衛軍,李郁,何扣芳,劉恒,殷銳.四軸旋翼飛行器結構設計與模態分析[J].制造業自動化,2014,04：37-39.

［3］江斌,孫志鋒.四旋翼飛行器自主航行的設計[J].電子技術,2012,02：10-12.