低空微型智能一體化無人機的安全航拍實測分析

鄺 磊

近年來出現的低空微型一體化無人機，讓民用無人機進一步向低成本、輕量化和智能化發展，令航拍操作更為便捷。但當航拍技術走向普及的同時，人們的著眼點大都在航拍作品的創作上，對飛行安全的關注度并不足夠。作者以“無人機”“航拍”“航拍安全”“無人機飛行條件”等關鍵詞在中國知網中進行文獻檢索，共篩選出關聯度較高的12 篇文獻資料。研究論文的研究著眼點主要涉及無人機航拍的技術應用（3 篇），無人機航拍創作技法（6 篇）和無人機航拍的基礎操作（3 篇），涉及無人機航拍安全的專門研究甚少。通過查閱無人機安全飛行操作手冊，專業書籍和網絡論壇資料，結合作者利用DJI Mavic Air 微型無人機的航拍實踐案例，將主要觀點提煉和總結如下文所示。

1 無人機的產品說明手冊及免責聲明和安全操作指引手冊的解讀及相關項目分析

查閱DJI Mavic Air 機型的產品說明手冊和免責聲明和安全操作指引手冊，將其中有關安全飛行的內容和分析如下：

1.1 產品說明書中對飛行極限參數的描述

了解飛行器的飛行極限參數是對航拍安全的最重要的保障。Mavic Air 的產品說明書中明確指出，該款無人機的最大起飛海拔高度為5 000m；在無風環境下，最長飛行時間為21 分鐘，最長懸停時間為20 分鐘；最遠續航里程為10km；最大可抗風力為五級風；工作環境溫度范圍為0℃至40℃。

1.2 飛行條件要求

飛行條件指的是飛行器賴以正常工作的氣象和地形環境等條件。在Mavic Air 的飛行要求中，明確規定在四級或以上的風力、雨、雪、雷電和有霧的惡劣天氣下不能飛行。該要求的“注意”事項中特別指出，智能飛行電池性能會受到空氣密度和環境溫度的影響，且在遭遇火災、爆炸、雷擊、暴風、龍卷風、暴雨、洪水、地震、沙暴等災害時不得使用飛行器。

1.3 無線通信的要求

無人機的無線通信過程是雙向的。一方面，無人機需要接收遙控器發出的指令，完成相應的飛行操作；另一方面，無人機也會實時發出飛行和影像數據返回至遙控器中，讓操控者看見飛行器當前的狀態和影像畫面，這就是俗稱的圖傳。在飛行過程中，圖傳的丟失是最重要的飛行安全隱患之一。

Mavic Air 的免責聲明和安全操作指引手冊中對無線通信環境的要求包括：拍攝環境開闊空曠和排除其他無線設備干擾。

1.4 智能飛行電池的使用說明

智能化無人機的電池性能是直接影響飛行安全的主要因素之一。電量不足會引發飛行性能下降，嚴重時會導致發動機的不正常停機，造成墜機意外。Mavic Air 的智能飛行電池類型為LiPo 3S，容量為2375 mAh。這款電池屬于鋰電池，因其在低溫環境下性能降低可致飛行時間縮短，故此說明書另列出了在低溫下使用電池的注意事項，提示在-10℃至5℃下使用電池，電池容量將驟減，在-10℃以下的環境下電池將無法使用。同時，說明書提示了低溫條件下使用電池的注意事項。

1.5 關于自動返航

自動返航功能是智能化無人機的重要安全保障之一。在丟失圖傳，GPS 信號不穩定，電池容量低等情況下，智能化無人機可自主切入返航模式，根據起飛時最新記錄的返航點自動返航并降落。說明書中也特別提到了自動返航需滿足的條件，以及遇到不利因素影響時可能出現的返航安全問題。

1.6 關于視覺系統

無人機的視覺系統又稱為“視覺避障系統”，主要由一系列避障鏡頭和傳感器、處理器組成，可讓無人機在一定的飛行模式下實現自主剎車、提高飛行高度以實現避障。Mavic Air 的視覺系統由前視、后視和下視覺系統組成，主要用于識別觀察范圍之內的障礙物，在有效距離內剎車并后退到安全距離，之后自主升高至無法檢測到障礙物，再以當前高度繼續飛行。此外手冊還對視覺系統的工作條件作了詳細描述。

2 Mavic Air 在各類臨界飛行條件下的航拍實測及技術分析

出于安全飛行考慮，無人機駕駛員必須在產品所限定的飛行條件下完成飛行和航拍。然而，戶外航拍有諸如氣象條件變化等諸多不可控因素，在臨界飛行條件下執飛是不可避免的。以下是作者在幾種常見的臨界飛行條件下航拍實測及技術分析。

2.1 飛行途中突遇降雨

航拍地點：杰古沙龍冰河湖（J?kulsárlón）的鉆石沙灘。

航拍時刻及天氣條件：夏季午后，多云轉陰有小雨，氣溫8℃，風力1-2 級。

航拍設備：DJI Mavic Air。

當日起飛時刻為多云天氣，返航途中突遇小雨。考慮到雨勢不大，且距離起飛點不足400m，作者并未實施緊急迫降，而是手動控制Mavic Air 遠離人群，升高到30m 后返航。

重放返航視頻，可見畫面右方大面積的，呈同心旋轉運動狀態的條狀陰影（應為槳影）。降低飛行速度后，畫面中能清晰地看到槳翼激起的雨花。兩者都影響了航拍圖像的清晰度（圖1）。除此之外，航拍過程中并未出現任何異常。

圖1 無人機的槳影和水花影響航拍圖像清晰度

Mavic Air 沒有特殊的防水設計，雨天航拍有可能導致電機進水，形成短路而引發動力系統失靈。因此，為了延長無人機的使用壽命，應遵守飛行安全守則，不在雨天飛行。若在飛行途中突遇降雨，應立即將無人機飛行至安全位置降落。

2.2 抗風能力實測

航拍地點：大西洋海濱公路（Atlanterhavsveien）。

航拍時刻及天氣條件：夏季上午，晴天，氣溫22℃，風力4-6 級。

航拍設備：DJI Mavic Air。

大西洋海濱公路是位于挪威默勒-魯姆斯達爾郡的一條高速公路，連接埃德自治市和阿沃島自治市之間一系列島嶼。由于地處大西洋海灣的特殊地理位置，海平面風力較高，可達4～6 級。飛行器在起飛上升過程中受風力影響顛簸幅度較大。但升高至80m～100m 高度后，顛簸漸趨平穩。從懸停航拍照片上看，圖像的清晰度并未受到風力的影響。飛行和拍攝過程一切正常（圖2）。

圖2 4～6級風力下80m高度懸停拍攝的畫面

在網上查閱Mavic Air 極限風力下的飛行案例，發現其與同級別機型相比抗風能力較強。部分駕駛員甚至飛出了6 級以上的抗風參數。但隨著風力的增加，飛行器動力系統要額外增加輸出以確保飛行平穩，這將增加電池續航壓力。此外，在過高的風力下，懸停拍照的穩定性可通過HDR 處理彌補，但風力引起的顛簸會直接影響航拍視頻的穩定性。

2.3 在高溫天氣下的航拍

航拍地點：普羅旺斯石頭城（Gordes）。

航拍時刻及天氣條件：夏季中午，晴天，氣溫38℃～40℃，風力2 級。

航拍設備：DJI Mavic Air。

夏季的普羅旺斯天氣晴熱干燥，日間地面最高溫度可達40℃以上。飛行器在起飛后不久即出現了動力過載警報，降低飛行速度后得到一定改善。飛行過程中并未受其影響，航拍畫面清晰（圖3），電池續航能力正常。唯降落后發現電池有發熱過度的現象。

圖3 夏季正午40℃氣溫下的航拍畫面

Mavic Air 的產品手冊中提示40℃氣溫是極限飛行條件。實測顯示在接近高溫極限時系統會收到動力飽和警報。查閱相關資料，發現此報警是電機散熱不良引起的，嚴重時可致動力系統失靈。此外，在高溫下飛行還有可能導致電池過熱，電壓下降過快，續航能力大大降低。

2.4 在低溫天氣下的航拍

航拍地點：上川郡美瑛町。

航拍時刻及天氣條件：冬季午后，晴天，氣溫-5℃，無風。

航拍設備：DJI Mavic Air。

航拍點位于上川郡美瑛町郊外的一片天然林，積雪達50cm 以上。起飛地點為天然林前的停車場，當日天氣晴好，無風無雪。升空懸停時即收到GPS信號弱的提示，飛行過程中有動力飽和警告，升空至30m 后轉向飛至天然林上空時，再次出現GPS 信號弱的警示，飛行器進入姿態模式，隨后圖傳信號丟失、黑屏，飛行器與遙控器失聯。當即停止撥桿，調整遙控器天線多次嘗試與飛行器重聯，直至再次出現圖傳信號后，手動開啟自動返航。此刻再次收到GPS 信號弱的提示，隨即從圖傳畫面上看到飛行器失控側翻，隨后DJI Go 4 卡停，重啟軟件后，飛行器與遙控器無法再次重聯。10 分鐘后，從飛行記錄參數上判斷飛行器已墜落山間密林中（圖4）。

圖4 冬季-5℃下飛行器失聯后墜機的DJI GO 4飛行記錄頁

查看飛行記錄，判斷此次墜機意外由以下三個因素造成：

其一是低溫天氣嚴重影響了電池續航能力。此次飛行前對電池預熱時間不足，電池未能達到理想的工作溫度（25℃）。且因GPS 信號弱，飛行器與遙控器多次失聯，導致電池電量回饋信息不準確。由于低溫影響，亦不排除電池有主動關機以避免電芯過放的情況發生，直接導致動力系統停車。

其二是低溫天氣加重了動力系統能耗，動力系統最大推力不足以維持飛行。此次起飛時有滿油爬升的撥桿操作。飛行器在持續大功率工作時，電池維持大電流放電；而冬日的低溫會使電池壓降進一步加大。同時由于電池本體溫度偏低，電壓會被迅速拉低，造成電壓嚴重不足而進一步導致了動力系統失靈。

其三是GPS 信號弱影響了自動返航功能的實現。自動返航功能的正常運行有賴于以下幾個條件：GPS 信號足夠強、智能返航功能已啟動、足夠的返航高度以及飛行器處于遙控器的通訊范圍內。由于GPS 信號弱，飛行器與遙控器歷經多次失聯和重聯，自動返航功能無法正常啟動，飛行器無法及時自動返航。

2.5 亞高海拔地區航拍

航拍地點：瓦娜色國家公園(Vanoise National Park)海拔2 600m 左右。

航拍時刻及天氣條件：夏季午后，晴天，氣溫16℃，風力3 級。

航拍設備：DJI Mavic Air。

此航拍點位于阿爾卑斯山區的瓦娜色國家公園內。起飛當日天氣晴好。起飛后因右側大型山體的遮擋，曾一度出現GPS 信號短暫變弱。總飛行距離不足500m，升空高度為110m，主要為懸停拍照。飛行時長將近6 分鐘，耗電卻已達72%。其間數次出現動力飽和警告（圖5）。

圖5 亞高海拔環境下的航拍畫面

Mavic Air 的高海拔飛行極限為5 000m。在高海拔地區飛行作業時，空氣稀薄，導致槳葉旋轉時動力不足。此時應在遙控操作盡量保持平緩姿態，避免大幅度的撥桿操作，并隨時檢查動力系統和電池容量，縮短航拍時間，及時返航。

2.6 大面積反光水面、雪地表面環境下的航拍

航拍地點：老斯特林山路(Old Strynefjell Mountain Road)。

航拍時刻及天氣條件：夏季上午，多云，氣溫14℃，風力3 級。

航拍設備：DJI Mavic Air。

老斯特林山路是位于挪威的Videseter 和Grotli 之間一段27 公里長的國家旅游公路。航拍當日天氣條件佳，起飛時刻GPS 信號強，卻在飛入下圖所示的大片湖泊上方時頻頻提示避障功能失效，飛行器自動切入返航模式。考慮到航拍工作狀態良好，且周邊無障礙物，手動取消自動返航，完成航拍后安全降落（圖6）。

圖6 反光水面上方懸停正常的航拍畫面

此次避障功能失效的報警與飛行器懸停于湖面上方有關。在之后的航拍中作者發現，同樣的情況亦出現在雪地和大面積田地的航拍中。避障功能的實現有賴于視覺系統的正常運作。Mavic Air 的產品手冊中所列的視覺系統失效的環境中，就包含“純色的、透明的、有強烈反光或倒影的表面，如水面、雪地。”在這些特殊拍攝環境中，由于視覺系統無法正常工作，避障功能將失效。此時駕駛員應提前規劃航拍飛行路線，確保飛行器的無障礙飛行。

3 實測總結及飛行安全策略

無人機駕駛員必須重視飛行安全問題。在航拍前必須嚴格進行安全檢查，在起飛、飛行、航拍及返航降落過程中，密切關注各種系統警報，始終把飛行安全放在第一位。為此，作者提出以下幾點低空微型智能一體化無人機的飛行安全策略：

3.1 飛行前安全檢查

1）了解當地無人機飛行和航拍的法律法規，禁止在禁飛區和飛行權限外的限飛區飛行。

2）避免駕駛非防水設計的無人機在雨雪環境中飛行。

3）熟讀無人機產品說明和安全飛行手冊，了解其安全飛行條件，并嚴格遵守安全飛行操作指引。

4）確保智能飛行器電池滿格，遙控器和手機電量充足。

5）正確安裝飛行器電池和槳翼。

6）完成電池預熱、指南針校準、GPS 信號測試后再起飛。若發現以上指標有任何不符合起飛的條件，或在飛行控制頁面發現任何指標報警，都不應盲目起飛。

7）啟動飛行器確保槳翼運轉良好，無異常聲音。

8）事先規劃的飛行路線，確定拍攝范圍、拍攝點、飛行路徑和返航策略。

3.2 飛行中安全策略

1）起飛后原地升高至10m 左右懸停，等待系統自動記錄返航點后再飛離起飛點。

2）根據現場飛行條件和航拍要求，選用合適的飛行模式，按預先規劃好的飛行路線，飛至航拍點進行拍攝后返航降落至原起飛點。

3）飛行過程中應隨時關注警報提示，檢查GPS信號強度和電池剩余容量，保證留有充足的電量返航。

4）如遇天氣情況驟變，拍攝環境變化，飛行器異常報警，應立即中止航拍并返航。遇到緊急情況時，則應以保護地面的人、動物和設施為主，手動控制飛行器使其就近降落在安全地點。

3.3 降落后安全檢查

1）清潔飛行器鏡頭、視覺系統鏡頭、槳翼以及機身各部件。

2）檢查機身各部件和槳翼有無破損、變形。

3）檢查遙控器和手機的電量是否充足，待飛行器電池降溫后進行充電。