航拍無人機的“秘密”

丁厚文

摘 要：科學技術飛速發展，航拍無人機離我們的生活越來越近，已經滲透到影片制作、城市管理、消防救援等諸多領域。本文將用通俗易懂的語言對航拍無人機的組成系統、行業應用和未來展望進行簡要分析。

關鍵詞：航拍無人機; 行業應用; 未來展望

中圖分類號：TB22? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2019）11-022-002

自古以來，人類就想像鳥兒一樣在空中展翅自由翱翔，俯視人間美好的一切。14世紀末期，明朝士大夫萬戶坐在綁了47個自制火箭的椅子上，雙手舉著兩只大風箏，點火發射，用生命開啟人類的飛天夢想。1902年萊特兄弟成功制造了第一架飛機， 首創的飛行控制系統，至今仍被應用在所有的飛機上。盡管如此，時至今日人們在空中俯瞰大地仍需一筆不菲的費用，起飛與降落也要受限。于是，無人機誕生了。

無人機的種類按機翼形式分主要有兩種，固定翼無人機和多旋翼無人機。固定翼無人機在軍事偵察、固定目標打擊等領域起到巨大作用。而多旋翼無人機已與人們生活息息相關，在航拍、救援、農業、電力巡查等方面必不可少。平日里與我們關系最為緊密的就是航拍無人機了，無論是新聞報道的航拍畫面，還是電影中炫酷的航拍鏡頭都已成為一大亮點，航拍無人機是怎樣工作的？今天我們就揭開航拍無人機的面紗。

簡單歸納，航拍無人機主要有以下幾個系統組成;飛行控制系統、動力系統、拍攝系統、通信系統。

一、飛行控制系統

飛行控制系統（Flight control system）簡稱飛控系統，是航拍無人機的核心，擔負著無人機飛行及安全的保障作用，該系統可以視為無人機的大腦，也可理解為一名資深的飛行員。飛控系統的傳感器主要有用來確定機頭方向的指南針，用來感知姿態的陀螺儀，用來定位的GPS，還有用來確定高度的氣壓計，再加上飛行控制系統的算法，從而使飛機安全穩定的飛行。

飛控系統在無人機起飛前，會進行一系列的飛前準備工作。包括指南針的校準;確定機頭的朝向;搜索GPS信號或者使用視覺定位確定飛機的位置;通過氣壓計，確定無人機的初始高度。飛控系統經過厲兵秣馬，確保無人機飛行的萬無一失。

起飛后，無人機根據操作人員通過遙控器發出的指令，進行上升下降、左旋右轉等操作。如遇到惡劣天氣，超過飛控系統調整范圍，無人機也會失控墜落（俗稱炸機），這就建議操作人員在風大及氣流不穩定的地方，謹慎飛行。

然而在一些室內航拍中，沒有GPS的定位，無人機是怎么實現精準的懸停呢？新一代的航拍無人機，在室內無GPS的情況下也能通過機身自帶的避障攝像頭，通過強大的飛控系統算法，運用光流法計算無人機的漂移，飛控系統則不斷修正，保證無人機能穩定懸停。

二、動力系統

航拍無人機一般是由四旋翼組成的十字型結構，在十字型結構的四個端點分別安裝槳葉，每個旋翼上則安裝一個電機，通過控制電機的轉度，實現各種飛行姿態。

懸停，是多旋翼無人機具有的一個顯著的特點。在懸停狀態下，產生的上升合力正好與自身重力相等。通過飛控系統不斷檢測其因受環境氣流等影響而產生的漂移，實時進行修正，保證無人機在空中實現精確懸停。

上升及下降，是無人機飛行狀態中較為簡單的一種，當同時増加四個旋翼轉速時，使得旋翼產生的總升力大小超過無人機的重力時，即上升;反之，當同時減小旋翼轉速時，使得每個旋翼產生的總升力小于自身重力時，即下降。

前進和后退（向左和向右同理），前進時，通過機頭槳葉轉速下降，使得推力下降，無人機機頭向前傾斜，機尾槳葉高于機頭，無人機在水平方向上形成前低后高的姿態，使得無人機向前運動。后退時，機尾槳葉轉速下降，使得無人機在水平方向上形成前高后低的姿態，使得無人機向后運動。

無人機的動力系統，是有一塊隨機攜帶的電池提供動力，飛控系統根據飛行距離及高度，預留好返航電量。在飛行過程中，實時檢測電池電量，當檢測到電池電量低于操控人員設置的提示電量時，發送報警信號提示操控人員準備返航。當電量低于系統預留返航電量時，觸發自動返航，無人機將根據起飛時記錄的返航位置，自動返航。行業用戶配置的電池都比較大，飛行時間較長。

三、拍攝系統

航拍無人機的拍攝系統主要由拍攝頭和云臺組成。

航拍無人機在飛行過程中，不可避免會帶來各種震動，這就會給拍攝造成困擾，導致拍攝的圖像抖動。但是我們在電影中看到的航拍鏡頭，畫面都十分平穩，這是為什么呢？設計者為了解決這個問題，一般航拍無人機都會搭載三軸穩定系統，利用云臺內部電機的運轉保持平衡，抵消外界帶來的震動，相機便可在各種飛行姿態下，始終保持相對于地面平穩。

四、通信系統

航拍無人機的通信系統有兩個部分組成，一個是傳送航拍圖像信號的圖傳系統，另一個是飛機控制通信系統。

1.圖傳系統

為了能實時看到所拍的畫面，航拍無人機采用三種技術進行圖像傳輸，Wife圖傳、數字圖傳、模擬圖傳。通過2.4Ghz/5.8Ghz頻段實時傳回低碼流的圖像信號以便人們能夠精確構圖及監控無人機狀態及位置。Wife圖傳一般用于低端無人機上，因為Wife是雙向傳輸，在確認一個數據包傳到后才會傳送下一個數據包，因此干擾比較嚴重時，恢復信號較慢，時延較大，很容易出現卡頓現象。數字傳輸是單向傳輸，Wife圖傳的缺點基本都已解決，恢復信號較快，時延較小，有更高的碼流，廣泛用于高端的無人機上。模擬圖傳常常用于穿越機上，畫面質量較差，但是基本上可以做到“零時延”，對飛手操控飛機的精確度有很大的幫助。

2.飛機控制通信系統

航拍無人機在空中，任何動作，都是靠飛手通過遙控器給飛機發送指令，無人機接收到指令后，做出相應的動作。無人機在起飛后，實時的垂直高度和水平距離、飛機的飛行姿態、電池的電量等，通過天線實時傳送給飛手的遙控器中，并在終端上顯示，以便飛手更好的控制無人機。

●航拍無人機的黑科技

避障系統，通過安裝在機身上雙目攝像頭或者紅外線距離感應器，實時檢測周圍阻擋物，發出警告，通知控制人員采取措施。若控制人員未采取有效避障措施，飛控系統將無人機懸停或者自主繞開障礙物。

如今無人機飛行時所產生的噪音也備受關注，設計者已經通過改變螺旋槳的形狀或其他方面降低飛行時的噪音。筆者認為無論如何改變螺旋槳的形狀，只要轉動都會產生噪音，可以考慮用聲波相互抵消解決這一問題，這也必將成為無人機未來研究的方向。

●航拍無人機的行業應用

從高成本到低成本更加方便靈活的航拍，現已經逐漸走入千家萬戶，不少攝影愛好者和視頻工作者都已經將航拍元素加入自己的視頻創作之中。因為航拍無人機體積較小，攜帶方便，可以靈活穿梭于街巷之中，如張藝謀導演的《影》不少鏡頭都是無人機在房屋間穿梭拍攝的。

在救援方面，航拍無人機可搭載熱成像攝像頭與光學變焦攝像頭，在茫茫冰川或山谷中，比起人力和直升機搜尋被困人員要更省時省力，也同時大大節約了救援成本。另外，無人機測繪比傳統的人工測繪更加凸顯優勢，工期短精度高費用低。運用無人機的3D建模技術建立起來的模型更加真實、直觀，符合實際。今年山西大同懸空寺用無人機建立高精度實景三維模型獲得成功，推動了文物的研究分析與技術保護。

●航拍無人機的問題與未來展望

雖然，航拍無人機飛行十分靈活，可穩定懸停在空中，亦可向各個方向飛行。但是，空氣推力飛行也有很多缺點存在，機身和負載的重力都是空氣提供的推力，而不是像普通客機升力是由壓強差提供的。因此，航拍無人機飛行效率低下，飛行時間也較短。同時，氣流的不穩定也極易導致無人機姿態變化，嚴重時會造成失控墜落。飛行事故頻發，無論是撞到高樓還是樹木，抑或是失控下墜，對人的傷害或者對生態的危害都是很嚴重的，針對這一情況一部分廠商已經對機場進行了禁飛的劃分，這是為了防止危害民航安全。國家為了加強無人機的管理，在深圳已經進行無人機管理的試點，飛手在飛行之前需要報備飛行計劃，所有無人機都應通過手機接入網絡，管理機構能實時看到無人機目前的高度和起飛地點。

未來，無人機可以使用低成本的雷達感知環境障礙，避免撞到障礙物，更穩定的飛控算法也能使無人機更安全，相關政策的落實也使得無人機更加規范。城市建設與發展讓無人機更加深入到城市管理，交通巡查，消防救援，能源巡檢，環境監測，三維建模等諸多方面。也許，未來天空中的無人機就像今日的汽車一樣，更有序、更規范地運行，究竟是什么樣的誰也不知道，就讓我們一起期待吧！