無人直升機水文監測系統在中小河流水文應急測流的應用方案

陳 銳

（南寧市水文水資源局，南寧 530001）

無人直升機水文監測系統在中小河流水文應急測流的應用方案

陳 銳

（南寧市水文水資源局，南寧 530001）

無人直升機水文監測系統是一種嶄新的非常規應急測流技術方法，是傳統水文監測技術的有利補充。為此，結合廣西中小河流特點，對無人直升機應急測流系統在中小河流水文應急測流的應用方案進行了設計，重點介紹了系統的組成、選型、硬軟件參數、功能以及技術特點等。

無人直升機；中小河流；水文應急測流

1 概述

1.1 現行測流方法存在的問題及解決方案

（1）隨著中小河流水文監測系統等一批重大項目的建設，廣西新增的水文（位）站、雨量站點達到歷史的突破。截至2014年12月，廣西水文系統雨量站在659個國家基本站的基礎上增至目前的3 129個（含專用站），水文（位）站在151個國家基本站的基礎站增至目前的551個（含專用站），其中流量站由126站增至到目前278個（含專用站），水位站由25站增至到目前273個（含專用站）。而相應的監測人員編制不增加的時候，就需要解決兩個問題：一是隨著科技的發展，如何將現有的先進測流技術應用到生產實際中去；二是要如何盡可能使得水文測站的水位流量關系單值化，這兩者相輔相成；

（2）廣西暴雨頻發，地質地貌復雜，是洪旱災害、泥石流山洪災害多發地區，水文應急監測是必不可少的內容。受水電梯級開發等人類活動的影響，河道和流域下墊面環境發生了較大的變化，使洪水傳播和合成機制日趨復雜，河流上、下游水位原有的規律被打破，相關關系越來越差。因此，補充和完善水文測報手段，探索應用新儀器、新技術條件下水文監測技術，盡快建立新條件下水文因素之間的新關系，非常必要；

（3）針對無水文資料的中小河流，利用無人機的優勢技術可快速收集各條河流的水面流速。在常規ADCP、流速儀等測流儀器無法入水施測時，或者水文災害突發事件現場的斷面測流作業條件下，采用無人直升機從空中非接觸式地測出沿河寬不同起點距的水面流速，并最終換算成全斷面的流量，是一種有效的應急水文測流措施。

1.2 廣西中小河流水文應急測流的特點和技術措施

1.2.1 流量測驗的特點

廣西中小河流眾多、洪水陡漲陡落、且時常伴有泥石流災害發生。因此，常規的流量測驗方法（如精測法、常測法等）僅僅適用于正常情況下的流量測驗。而當特殊情況發生時，如山洪泥石流下來、流速儀、ADCP根本放不下去的情況下；或是開展應急監測的河段沒有任何測驗設施，如無纜道、上下游河段沒有橋梁等，就需要采用非常規的方法進行流量測驗。

1.2.2 無人直升機水文監測系統

無人直升機水文監測系統是一種嶄新的非常規應急測流技術方法，對有纜道的測驗斷面，則繼續使用流速儀、電波（雷達）流速儀等在這些最合適的位置上進行水面流速觀測；對沒有纜道、需要使用測船進行流速測驗的斷面，可以考慮采用無人直升機攜帶電波（雷達）流速儀進行定點觀測的方式。

2 無人直升機應急測流系統方案

2.1 測流方案描述

（1）無人機測流系統主要作為野外應急條件下的自然河道斷面水文測流解決方案，現場無需輔助的水文固定設施（見圖1）；

圖1 無人直升機野外工作照片

（2）系統由越野巡測車為機動主體，車載1～2架水文無人直升機，無人直升機地面控制站通訊和計算機設備一體化集成在巡測車中，機上搭載雷達測流儀器、視頻監控、通訊、導航和電源設備。無人直升機為可拆卸組裝結構，現場需要2人操作，1人控制地面站計算機，進行飛機航跡控制和水文測流作業操作，另1人負責野外現場放飛和回收飛機；

（3）在需要施測的河道斷面附近，停車組裝無人直升機設備，釋放無人直升機完成自動測流任務。飛機按照遙控或設定的航跡穿越河道斷面，可以按照設定的5～50m間距點懸停，懸停高度10～30m設置，實施雷達流速儀測量（見圖2）；

圖2 無人直升機野外測流飛越河道橫斷面工作示意

（4）在水文應急監測條件下，如果由于道路不通人員到不了現場，無人直升機操控人員有可能對現場不通視，系統支持2種工作模式：①遙控飛行模式：由操作員通過地面控制站的監視器屏幕，遙控飛機起飛、降落和視頻導航飛行，完成懸停和測流任務；②自動飛行模式：在通視性好的測流斷面，操作員通過地面控制站的計算機為無人直升機設置飛行航跡，懸停測流點等參數，無人直升機的起降和航跡控制，均由機載計算機控制實現，機載計算機控制自動完成測流飛行任務；

（5）測流過程：①無人直升機測飛行軌跡、視頻圖像及懸停點測流數據均通過無線鏈路傳送回地面控制站計算機，數據被實時處理和存儲，斷面流量由水文測流軟件根據斷面的表面流速～流量模型關系進行計算，輸出；②對于無模型的測流斷面，可以顯示各測流懸停點表面流速數據和分布情況，定性地評估斷面的流量。

2.2 機載測流儀器選型

測流吊艙傳感設備采用美國ACI公司S3－SVR型多普勒雷達波測速傳感器（見圖3）。無人直升機系統提供RS422、RS232等標準接口，通過軟件優化與任務載荷吊艙連接，實現與雷達波測流傳感吊艙的通訊，將河道斷面流速數據通過機載數據鏈實時的傳輸到地面站，地面站計算機的應用軟件結合GPS信息，通過計算實現對斷面流量的集測、計算、輸出和管理功能，獲得水面流速和斷面流量。

圖3 S3－SVR型多普勒雷達波測速傳感器

S3－SVR型多普勒雷達波測速傳感器主要技術指標：

測速技術原理：多普勒頻移技術；

流速測量精度：≤±0.03m/s；

流速測量范圍：0.2～18m/s；

發射功率：50 mW；

微波頻率：Ka波段，34.7 GHz；

波束寬度：12°；

數據接口：RS－232，9 600 bps；

工作溫度：－30℃～＋70℃；

保存溫度：－40℃～＋80℃；

設備重量：0.6kg；

設備尺寸：長度120mm，直徑70mm；

適用環境：全天候，大、中、小以及暴雨天均可正常測量流速。

3 水文無人直升機測流模型的創建

（1）對廣西需要采用無人直升機測流的水文測站已有的水文資料進行數據分析，尋找不同水位條件下的水面流速沿河寬的分布函數（可參考流速沿水深的分布函數為4種：拋物線型、橢圓型、對數型和指數型），然后從中尋找這些分布函數與斷面平均流速之間的相關關系最好、最穩定的位置（可能是斷面上水面流速沿河寬的分布函數的平均流速，也可能是某幾個特定位置的水面流速組合，甚至是某一個特定位置的水面流速），為流量測驗找到最合適的測驗位置；

（2）根據測站已有的多年實測數據，進行分析比對，從中進行模擬，選取最合適的分布函數，從中找到高洪、豐水、平水和枯水期的4種不同水位下建立測站水面流速沿河寬分布函數、水面流速與斷面平均流速相關關系，并且尋找到這樣的一種方法，可供廣西乃至全國合適的地區推廣運用；

（3）對于中小河流沒有實測資料（或者實測資料代表性不充分的測站）需要開展上述數據的平行施測工作。

4 水文應急測流軟件功能

（1）支持超短波無線數據鏈通訊功能，滿足20km范圍內的遙控和視頻傳輸功能；

（2）支持實時測流數據的采集、處理和流量計算；

（3）斷面飛行航跡和測流懸停點的位置分布和數據顯示；

（4）水文測流報表和過程線的顯示。

5 水文常規測流及應急監測無人直升機系統選型

滿足非接觸雷達測流的無人直升機系統需要具備人工操控、增穩操控和自主飛行控制3種模式，可實現人工/自主起降，精確的位置、高度和速度跟蹤控制，任意作業航跡自動規劃，多機接力作業，地面實時視頻觀測，全自動智能控制以及自動記錄任務執行情況等功能。無人直升機平臺采用汽油發動機、電動舵機、碳纖維尾管/槳葉、齒輪、無人直升機機體、計算機機箱等均采用成熟技術設計制造。

6 無人直升機測流系統組成

結合水文監測任務的特點，水文監測無人直升機系統要求技術成熟，在飛行控制與管理系統、飛機平臺、測控指揮鏈路、任務載荷、地面保障設備等方面均要進行水文應急監測任務的適應性設計與試飛驗證。本文介紹由中航工業西安飛行自動控制研究所自行研發制造的AR200無人直升機系統，是擁有完全自主知識產權的通用型民用無人直升機系統，系統主要由地面與空中兩部分組成，地面部分包括地面保障運輸車（可以兼容普通越野車）與地面站（飛行指揮中心、水文測流計算機），空中部分主要包括飛機平臺、飛行管理系統、測控系統、任務載荷系統等部分。系統主要組成如圖4所示。

圖4 AR200無人直升機系統組成

AR200無人直升機作業系統的組成分為以下3個部分：

（1）飛機平臺及任務載荷：包括無人直升機機架、動力部分（含發動機和啟動機）、傳動部分（齒輪、皮帶、離合器等）、起落架、槳葉（大槳和尾槳）、旋翼頭、油箱、任務載荷系統等；

（2）機載系統：包括供電電源、遙控接收機和舵機、GNCC及任務一體化計算機、機上天線、電纜等；

（3）地面站系統（集成于地面運輸車內）及輔助設備：包括指揮與控制地面站（綜合遙控遙測和差分GPS基站功能）、手持遙控器、手持位置測量設備、GPS基站天線、地面數據鏈天線、以及發電機等相關輔助設備。

AR200無人直升機作業系統構成及拓撲圖見圖5～8。

7 AR200無人直升機功能與性能

7.1 系統功能

AR200無人直升機系統通用化作業流程見圖9。

圖5 AR200無人直升機作業系統構成

圖6 AR200無人直升機作業系統空中部分

圖7 AR200無人直升機作業系統地面站控制站部分

圖8 AR200無人直升機作業系統拓撲組成

圖9 無人直升機任務作業流程

針對中小河流水文測驗和應急監測任務，在確定數字地圖的條件下，可以實現航線任務實時規劃。AR200無人直升機作業系統的主要功能如下：

（1）任意地形作業航跡規劃；

（2）人工操縱/增穩控制/自動控制飛行模式切換；

（3）通過操縱手控制遙控器上的開關，實現三者之間的一鍵切換；

（4）全自動控制作業飛行，無人直升機本體對象不穩定，通過內回路的姿態穩定控制和外回路精確制導邏輯，保證無人直升機可精確穩定跟蹤各類控制指令，實現作業過程中無人干預情況下的全自動起飛/著陸、以及航跡的精確跟蹤（亞米級），并在作業完成后自動返航、或通過地面站指令實現“一鍵返航”；

（5）高度通道人工可干預，在地形起伏較大、規劃難以補償（受限于地理信息采集點有限）的情況下，可通過遙控器操縱桿人工干預補償飛行高度，保證無人直升機的安全飛行，這一功能在峽谷、城市作業時尤為重要；

（6）地面遙測遙控，通過地面站的顯示界面，可在起飛前加載飛行任務，在飛行中發送飛行指令并實時監測各種飛參數據，且具有第一人稱飛行圖像顯示功能，具有友好的人機界面；

（7）任務設備控制，系統故障診斷及處理等。包括任務載荷、數據鏈、GPS、傳感器等機載設備故障后的處理模式，以及電、油不足情況下的處理。

7.2 主要性能參數

最大巡航速度：54km/h；

作業巡航速度：36km/h；

最大爬升率：2m/s；

空機重量：27kg；

最大起飛重量：50kg；

最大作業載重：15kg；

飛行時間：≮60min（可加掛副油箱進行擴展）；

工作高度：0～1 000m（相對高度）；

姿態（俯仰和橫滾）保持精度：±1.5°；

航向給定與保持精度：±3.0°；

飛行高度保持精度：±1.5m；

地速保持精度：±1.0m/s；

位置給定與保持精度：±1.0m；

區域導航精度：±1.0m；

起飛、著陸和懸停狀態的最大正側風：5m/s。

尺寸（長×寬×高）：2 800mm×780mm×950mm；

主旋翼直徑：2 350mm；

發動機排量：170 cc；

發動機馬力：17 hp；

計算機尺寸：150mm×125mm×85mm；

一體化飛行控制與管理系統重量：≤2kg（含電纜）；

地面指揮與控制站集成于運輸車內，運輸車可選配改裝。

8 AR200無人直升機的技術特點

8.1 飛控與管理系統技術特點

（1）采用小型傳感器系統，提高任務可靠性的同時減少了重量；

（2）采用成熟貨架電動舵機，提高舵機的壽命；

（3）通過內置飛行參數記錄模塊，提高調整試飛工作效率；

（4）包含完善的計算機、舵機的自監控措施，保證故障切換的可靠性；

（5）緊急情況之下可采取緊急返航或自轉下滑策略，最大限度地保證系統安全性；

（6）軟件中采取完善的故障處理措施，提高系統安全性。

8.2 飛行功能模態庫

8.2.1 穩定飛行控制系統

結合水文監測任務的飛行環境，穩定飛行控制系統可實現以下8種穩定飛行控制功能：

（1）三軸姿態保持（ATT）。姿態保持是最基本的控制模態，提供無人直升機三軸姿態（俯仰、橫滾與航向）保持功能；

（2）速度給定與保持（VEL）——含縱、橫向速度遙調功能。速度給定與保持模態可提供保持投入瞬間的速度值的功能。依據飛行速度又分為空速保持、地速保持和懸停保持3種。可通過飛行組合指令的速度給定項來調整速度基準；

（3）航向給定與保持（HDG）——含航向遙調功能。航向給定與保持模態可提供跟蹤并保持飛行組合指令給出的航向給定值的功能。由滾轉通道和航向通道協調進行控制；

（4）高度給定與保持（ALT）——含高度遙調功能。高度給定與保持模態可提供保持投入瞬間的高度值的功能。依據當前高度又分為氣壓高度給定與保持和無線電高度給定與保持兩種工作方式。可通過飛行組合指令中的高度給定值來調整高度基準；

（5）自動區域導航（NAV）。自動區域導航模態依據預先裝訂的航路信息及慣性導航系統的飛行狀態信息所計算生成航向導引指令控制無人直升機完成沿設定航路的飛行的功能；

（6）位置給定與保持（PH）——含縱、橫向位置遙調功能。位置給定與保持模態可提供保持投入瞬間位置的功能。可通過飛行組合指令的縱、橫向位置給定項來調整位置基準；

（7）自動向下過渡（TDN）。自動向下過渡模態的功能是使用俯仰及總距通道，使飛機以預先編制的程序退出巡航飛行狀態，逐步調整到懸停飛行狀態，即調整飛行速度由巡航空速至零地速，同時調整高度至機場航路點上方10m（暫定）的高度。當地速小于1m/s（暫定），且高度達到期望高度后，由制導邏輯確定該模態是否結束，并調用其它模態；

（8）自動向上過渡（TUP）。自動向上過渡模態的功能是使用俯仰及總距通道，使飛機以預先編制的程序退出懸停飛行狀態，逐步調整到巡航狀態，即調整飛行速度由零地速至巡航空速，同時調整高度至應飛航路點的高度。當空速達到巡航空速，且高度達到期望高度后，由制導邏輯確定該模態是否結束，并調用其它模態。

8.2.2 穩定飛行控制系統

穩定飛行控制系統可實現以下機動軌跡控制功能，各機動軌跡控制功能的作用是提供穩定飛行狀態間的過渡飛行狀態的飛行控制。

（1）起飛（TAKEOFF）。起飛用以進行直升機起飛過程的控制，達到預定高度后自動轉入懸停狀態的高度保持；

（2）著陸（LAND）。著陸用以進行直升機著陸過程的控制，到達地面后該機自動結束；

（3）加速（ACC）/減速（DEC）。加速/減速用以進行直升機飛行速度的改變；

（4）爬升（CLI）/下降（DES）；

（5）盤旋（CIR）。盤旋用以進行大速度下直升機航向的改變；回轉用以進行懸停狀態附近的航向改變。

8.3 地面控制與指揮

使用無人直升機面臨的一個問題是任務區域的可達性，AR200設計了獨立的地面指揮與控制系統，可以實現便攜式攜帶，也可以集成于地面運輸車（或越野車）內實現地面設備的集成化，以便于靈活運動。

地面控制站（GCS）是無人直升機測控與信息傳輸系統的重要組成部分，完成對飛機、任務載荷及數據鏈的狀態監視和操作控制。地面控制站主要實現以下的功能：

（1）飛行器飛行狀態和飛行相關設備狀態的實時顯示和控制；

（2）光電平臺等任務設備的控制和數據信息實時顯示；

（3）任務/航路顯示、規劃和管理。

9 結語

無人直升機水文監測系統是一種嶄新的非常規應急測流技術方法，無人直升機測流飛行軌跡、視頻圖像及懸停點測流數據均通過無線鏈路傳送回地面控制站計算機，數據被實時處理和存儲，斷面流量由水文測流軟件根據斷面的表面流速～流量模型關系進行計算，輸出。對于無模型的測流斷面，可以顯示各測流懸停點表面流速數據和分布情況，定性地評估斷面的流量，有著非常廣泛的應用前景。目前，國產的無人直升機技術相當成熟，大多應用于農業、地質、氣象、電力、搶險救災、視頻拍攝等行業，但是無人直升機用于水文上測流技術目前全國還沒有實踐，尚需要做大量測試、率定工作；無人機測流技術的研究是誰先開展了，誰就領先。凡是需要空中解決方案的地方，都將有無人機的一席之地。無人機將應用在更廣闊的領域。

（責任編輯：周 群）

Application of hydrological monitoring system equipped with unmanned helicopter in emergency flow measurement of middle and small rivers

CHEN Rui
（Hydrology and Water Resources Bureau of Nanning City，Nanning 530001，China）

As a new unconventional technical method for emergency flow measurement，the hydrological monitor?ing system equipped with unmanned helicopter is favorable supplement for traditional hydrometric survey technolo?gy.Combined with the characteristics of middle and small rivers in Guangxi，the author presented the scheme for application of emergency hydrological flow measurement system with unmanned helicopter，with emphases put on the composition，selection，parameters of hardware and software，functions and technical features of system.

Unmanned helicopter；middle and small rivers；emergency hydrological flow measurement

TP79；P332.4

B

1003-1510（2016）05-001-06

2016-01-09

陳 銳（1969-），女，廣西博白人，南寧市水文水資源局高級工程師，學士，主要從事水文水資源站網管理及水文監測工作。