復雜山地環境下微型無人機安全起降研究及應用

袁 超，胡繼勛，羅 鼎，胡 艷，連 蓉，錢 進

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

復雜山地環境下微型無人機安全起降研究及應用

袁 超1，胡繼勛1，羅 鼎1，胡 艷1，連 蓉1，錢 進1

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121）

通過技術整合和原型機研發，解決了復雜山地環境下微型無人機起飛、降落、航跡規劃等關鍵技術環節，并通過多次試飛實驗驗證了研究成果的穩定性和有效性，對山地環境下無人機在國情監測、資源調查、災害應急等領域的推廣應用具有重要意義。

微型無人機；山地環境；安全起降；航攝應用

我國山地面積約占國土面積的2/3，西南地區更是典型山地地區，山高坡陡、地形復雜。因為山區云霧多影響了高分辨率遙感衛星影像的獲取，所以無人機遙感技術成為山區空間數據獲取的重要手段[1]。普通固定翼飛行器的發動機一般為汽油內燃驅動，且飛機翼展較大，對起降場地的面積和平整度有較高要求，且油動的發動機墜毀后可能引發二次災害，特別是在樹木較多的林區，易引發火災。對于復雜山地環境，固定翼無人機的航攝應用十分困難，時常出現失聯或墜機事故[2]。微型無人機具有質量輕、成本低、電動續航和執行任務靈活等特點，正逐漸成為山區高分辨率遙感影像獲取的重要手段[3]。本文從微型無人機對復雜山地環境大比例航攝任務的適應性入手，對微型無人機在定向彈射、受控快速降落等控制系統優化集成關鍵技術進行了探索，研究解決了在山區地形受限情況下無人機安全起降問題，經多次試飛實驗，采集處理了符合精度要求的1：2 000比例尺DOM生產成果，具有較高的可靠性和穩定性。

1 關鍵技術研究

1.1 快速發射技術

無人機的發射是指在一定的起飛場地，通過一定方式使無人機達到空中一定高度、速度的過程，該過程被認為是無人機使用中最困難、最關鍵的環節。無人機的發射方式眾多，如滑跑起飛、彈射起飛、手拋發射、空中投放等。本研究中微型無人機發射方式采用彈射起飛，既避免了手拋起飛方式由于動作不規范而發生操作人員受傷的危險，又解決了滑跑起飛對場地平整度過高的限制。微型無人機彈射起飛可獲較大的加速度，節省了上升過程30%左右的電池耗電量[4]。本研究優化設計了無人機彈射架系統，彈射架外框采用航空鋁合金材質，強度大、質量輕，內部纏繞伸縮性很強的橡皮筋，彈射架起飛仰角可靈活調整；并改造了無人機機翼與彈射架快速鎖緊裝置。同時，機載飛行控制器經過一系列優化，免去起飛前傳感器校準繁瑣步驟，減少了外業工作人員發射前的準備工作環節，到達起飛現場后可在3 min內快速完成發射起飛。

1.2 安全降落技術

無人機最常見的降落方式有著陸滑跑、迫降回收、撞網回收和傘降回收等。綜合場地要求、操作難度和安全性等因素，傘降回收是微型無人機降落的最適合方式[5]。本研究設計了一套適合復雜山地環境的無人機降落程序——尾旋失速下降的改進傘降方式。當無人機處于尾旋失速狀態時，因升力不夠可使無人機在小半徑內快速盤旋下降。為防止下降速度太快而墜毀，到達預設高度后，快速解除尾旋，同時打開無人機傘倉，讓傘衣快速充氣迫使無人機平穩降落到指定區域。

2 微型無人機總體設計與實現

2.1 技術路線

微型無人機總體設計采用“理論論證-模型設計-程序優化-典型應用”的技術路線圖。①開展復雜山地環境下的多類型輕型無人機航攝系統適應性理論研究，然后依據功能需求建立合適的數學模型，通過可行性分析后進行無人機整機設計。②選擇合適的無人機模型機，采購飛控原型機等電子設備，通過自主設計加工機身、改裝機翼裝配成載機，搭載遙感航攝儀（微單相機），根據山區地形起伏差異特征，優化無人機起降飛控程序和相機曝光自適應處理，保障航飛的安全性與影像獲取的高效性。③選擇重慶某山區場地為實驗區，驗證自主設計生產的微型無人機對復雜山地環境的適應性與可靠性，并對其獲取的高分辨率影像的質量精度進行驗證，技術路線見圖1。

圖1 微型無人機設計技術路線圖

2.2 起降模型

1）無人機的彈射過程，實際上就是飛機和彈射托架在動力系統的作用下，沿導軌傾斜面加速運動的過程，整個起飛過程由彈射架安裝、橡皮筋張拉、無人機加速與釋放等步驟組成。無人機彈射出的速度與彈射架內橡皮筋張力大小有關，且無人機俯沖起飛角度與彈射架導軌仰角有關。依據彈射架的Solid Works動力仿真實驗，要想讓荷載為5 kg的無人機獲得10～15 m/s的發射初速度，彈射架導軌設置適宜仰角為25°～30°；彈射架中橡皮筋張拉力大小應為80～100 N；等效直徑1.5 cm橡皮筋張拉2～2.5 m。

2）改進的傘降過程，主要利用尾旋特性以小半徑盤旋降落，在復雜山地環境下操作可有效避開周圍高山而實現安全著陸。按照正常操作程序，無人機在完成飛行任務后會自動返航至起飛點上空并原地盤旋等待地面指令。此時，地面操作人員發送降落指令，無人機收到后開始以半徑為100 m的圓作盤旋降高，達到設定航高后（通常在真高大于200 m以下省去此步驟），程序給出相應操作信號，無人機進入尾旋失速狀態，姿態傳感器停止工作。當氣壓計偵測到無人機航高達到預設數值后，重新啟動姿態傳感器，自動糾正姿態，解除尾旋狀態。然后，在經過2～3 s的延遲后，打開降落傘控制按鈕，無人機緩慢下降。為避免發生意外故障，整個降落過程可通過一鍵快速切換至手動操作模式，完全由人工操作無人機降落至安全區域。起降模型示意圖見圖2。

2.3 整機設計與加工

1）可行性驗證。本研究使用改造后的國產航模作為載機，采用國外開源飛行控制系統，電氣、起降相關掛載設備自行設計加工，因此可行性驗證為首要任務。驗證內容包括：①空氣動力特性驗證，由于設計無人機為三角翼型機翼布局，需保證飛行器空中穩定性，有必要對其最大平飛速度、巡航速度、失速速度、飛行姿態穩定性、最大飛行半徑等關鍵參數進行獲取和驗證。②電氣設備運行可靠性驗證，設計采用的飛行控制元件為開源飛控系統，需對其可靠性、穩定性進行驗證。③重要部件設計及加工可行性驗證，無人機將進行較大改造來滿足航攝任務要求，涉及空氣動力學、結構力學等多方面問題，提前對重要部件進行設計和試加工，可減小在任務機制造階段因工藝、技術問題而造成的時間和經濟損失。

圖2 山地環境下微型無人機起降模型示意圖

驗證機采用國產FX-61航模為載機，使用Pixhawk開源飛控，搭載Sony卡片相機，進行了飛行性能、航線規劃、相機觸發等關鍵技術的測試。經反復測試與優化，最終結果如下：優化后的飛控系統精準可靠，與飛翼類載機結合使用，飛行姿態平穩，相機觸發功能正常，可進行下一步的任務機設計與加工。

2）任務機設計與加工。無人機載機采用改進、優化后的國內某航模無人機。①考慮到無人機可靠性、經濟性等方面因素，選用的某款X8型航模采用三角翼布局，翼展超過2 m，機翼面積80 dm2，具有較高的氣動效率。②對任務機模型相關配件進行改造與優化，主要包括機翼連接件、彈射掛鉤和降落傘倉等部件的設計與加工，改變原有模型中機翼連接處為塑料件的缺陷，改為鋁合金鎖緊件，既保證連接部件有一定剛度，又大大提高了強度。經多次測試后，沒有出現連接部份損壞的情況。為了保證無人機起飛安全，彈射掛鉤需要承受彈射架彈繩近100 N的拉力，經有限元相關分析，在安全系數取1.2時，彈射掛鉤材料采用3 mm厚6061-T6鋁合金，可確保彈射過程安全[5]。傘倉安裝在無人機中起構造作用，不承受靜止和飛行過程中的應力，保證一定質量和材料剛度即可。傘倉設計位置較為重要，綜合考慮降落傘收放便捷性、開傘可靠性等因素，最終將傘倉設計于發動機固定座前方20 cm處（中心距離），見圖3。

2.4 整機試飛驗證

經過3個月的飛行實驗，微型航攝型無人機進行了50余架次整機性能測試，對部分零件重新優化設計、載機重心調整、航線設計、相機觸發和飛行控制等進行了優化處理，最終實現了無人機平穩安全飛行、定點曝光和正常航攝，整機技術參數如表1 。

圖3 無人機降落傘倉布置圖

表1 微型無人機相關技術參數

3 應用案例

本研究選取重慶市西部某工業園區進行了大比例尺航攝影像采集實驗。該區域地形起伏大于100 m，單架次飛行時間約30 min，飛行高度為300 m。搭載Sony A5100微型單反相機，相機鏡頭采用檢校后16 mm定焦鏡頭，設定航向重疊率為70%，旁向重疊率為60%，獲取影像124張，POS信息124條。經高分辨率遙感影像數據一體化測圖系統PixelGrid的無人機模塊快速處理后，完成地面分辨率為0.1 m的3 km2的DOM，與已有1：2 000 DLG進行精度校核可知，該DOM成果可滿足1：2 000數字測繪產品精度要求[6]。實踐表明，經優化改造后的微型無人機應用于山區大比例尺地形圖測繪項目是切實可行的，并具有安全、經濟、高效等特點（圖4～6）。

圖4 微型無人機起飛過程

4 結 語

微型無人機作為一種新型的遙感數據獲取平臺，正深入應用到各個相關領域。為解決復雜山地環境下無人機安全起降控制難的問題，研制了一套適合山地環境低空飛行的微型無人機系統。經過試飛測試，驗證了無人機彈射起飛、任務控制、影像獲取、傘降著陸等功能的合格有效性。研究成果表明，微型無人機應用于低空航攝遙感不僅是可行的，而且是安全、可靠的。限于理論和技術的不足，微型無人機在電力續航、抗風干擾、電磁屏蔽等方面的缺陷有待改進[7-10]。隨著信息技術的進步發展，微型無人機將在國土資源調查、森林監測、災害應急、突發事件等高時效性的空間信息采集方面發揮越來越大的作用。

圖5 微型無人機傘降過程

圖6 微型無人機采集的重慶山區某工業園區DOM

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1672-4623（2016）03-0007-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.003

袁超，高級工程師，從事3S技術應用研究工作。

2015-12-23。

項目來源：地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室資助項目（201404）；2014年國家測繪地理信息局青年學術和技術帶頭人科研計劃資助項目。