視距內航拍無人機的研究

張壯壯 朱廣勇 李田

摘 要：視距內航拍無人機是一種自帶動力驅動、無人機上沒有駕駛艙和駕駛員、攜帶拍照攝像設備、執行拍照、攝影、探測和搜救等任務。主要介紹了視距內航拍無人機結構原理和加工制備過程及拍攝應用，以機架為載體，搭載遙感設備、控制系統及數碼相機等，從而實現其主要功能，視距內航拍無人機;由于重量輕、攜帶方便、操控容易等特點，可以一定程度上降低航拍成本費用，具有一定現實實踐應用價值。

關鍵詞：無人機;航拍;多旋翼

無人機自2007開始大量進入國內市場之后，民用無人機的運用隨之展開，2009—2012的無人機主要以飛控系統為核心，隨著技術的發展，到2012—2014無刷云臺、WiFi圖傳，一體機設計凸顯其優勢;到2015視覺懸停輔助裝置，高清成像相機得到了越來越廣泛的應用。目前在國內共計有三百余家公司，無人機逐漸擁有環境感知，視覺追隨，自動避障，精確視覺懸停輔助系統;然而就目前貴州省內而言，極少出現無人機的身影，更難尋找私人航拍定制業務。結合前期無人機研究基礎，研究制作多旋翼視距內航拍無人機。

1 研究內容

視距內航拍無人機采用多旋翼無人機，選型制備著重研究其結構原理和使用情況，運用過程中，尋求最佳視角，進行圖像和視頻的拍攝高質量的影像資料。主要研究內容包括擬定視距內航拍無人機總體設計方案，并通過資料查詢與實踐分析，對總體設計方案進行充分論證，根據方案進行視距內無人機的樣機試制與性能優化。

2 方案設計

如下圖所示，總體方案設計包括初步設計、詳細設計和樣機試制過程，初步設計包括無人機類型確定，旋翼數量為六的方案較佳，六翼無人機應用范圍廣泛，具備飛行時間長，清晰度高，數據更新快等優點，然后通過詳細設計選定工藝方案，制作完整樣機，在樣機試飛過程中對樣機進行完善與優化，最終實現定型。

3 主要構件

3.1 機械機構

3.1.1 機架

所謂“機架”，指的就是整個多旋翼無人機的承載平臺，為匹配方案設計六翼無人機，機架采用六軸飛行器的形式，機架的組成主要由中心板、力臂、腳架組成，總體結構簡單緊湊，質量輕便，能夠很好地承載飛行所需電池、機翼、云臺及相機等設備，保障無人機整體提升力，使無人機在飛行過程中保持平穩的姿態和位置，總體靈巧輕便，在滿足功能的前提下有足夠飛行時間。

3.1.2 云臺

為了實現無人機的拍攝功能，在機架支撐的基礎上，就需要把相機、攝像機帶到空中，但各部分不可避免都會受重力作用，同時無人機在高速飛行中和懸停的時候還會受到不同程度的風力作用。因此，無人機在飛行過程中，機身會不可避免的晃動或震動，一定程度上就會影響到拍攝質量，這時就需要航拍云臺了。設計中為了更好發揮無人機性能，采用基石的三軸免調云臺，該云臺攜帶有位姿傳感器，在飛行過程及時反饋機身的位置和姿態，當機身的位置和姿態發生偏移時，控制中心傳感器反饋的信息，使電機運動提供額外動力，對機身和相機進行運動補償和調整，使相機位置相對穩定，消除機身晃動或者震動的影響，保證拍攝圖片與視頻的清晰度。另一方面，由于基石云臺是開源產品，所以后期使用過程中，根據使用需求，結合運臺結構，可以調整或添加處理命令，適當補充設備固件，在拍攝過程中便可以可以增加興趣點或者其他熱感應搜尋功能等。

3.1.3 旋翼

旋翼是在無人機動力作用下直接產生推力的部件，它的形狀性能很大程度上決定了無人機飛行性能和續航時間。旋翼采用9*4.7E的玻纖漿，玻纖漿的材質堅韌，抗張能力強，密度小、不導電、耐高溫、性能穩定，是一種優質的旋翼材料。選用時，充分考慮與電機、電調搭配，可以將動力發揮到最大限度，在相同的推力下節省電量耗損，這樣就能延長無人機的續航時間。

3.2 控制系統

3.2.1 自動駕駛系統

為匹配六旋翼無人機，自動駕駛系統采用的是大疆NAZA自動駕駛系統，內部主要包括主控器、多功能模塊（VU）、GPS指南針等;其主要功能是要找無人機的拍攝要求，實現對無人機起停和飛行控制，能在各種工作情況下保持機體的穩定性和安全性，減輕地面操縱人員的勞動程度。同時導航設備匹配GPS指南針，用于識別無人機在整個飛行和拍攝過程重大方向及其位置，能夠有效完成預定的航線和拍攝任務。

采用大疆NAZA自動駕駛系統能夠為低高度六翼飛行器在狹小的空間內提供卓越的飛行特性。可以在GPS姿態模式、氣壓定高增穩模式和手動模式三種模式下進行調換。在GPS信號良好的情況下;主要使用GPS姿態模式，此模式可以保持機身穩定，充分保證無人機功能，使無人機在飛行與拍攝過程中不會晃動，保證拍攝畫面的清晰度。當在一些特定情況下，比如有磁場干擾、GPS信號弱或者消失時，可以采用氣壓定高增穩模式，該模式可以消除信號干擾，在空中飛行過程中產生顛簸與振動，實現無人機功能最優化。當無人機執行完拍攝任務時，為方便“駕駛員”的下操作與控制，可以轉換到手動模式使無人機飛回。

3.2.2 飛行控制器

飛行控制器采用天地飛ET12，其主要結構包括遙控器掛繩、接收機、遙控器雙回中組件、外部電壓檢測組件。整機撥柄開關一共有6個三段、2個兩段開關，2個旋鈕，2個撥桿，1個回中撥輪，1個脈沖撥輪，6個微調開關。內部線路結構簡潔，維護方便，集成度很高，重量輕。具有Fn鍵的設計，實際可用的微調開關有8，通過Fn的切換，可以把右側的五向搖桿切換成通道開關來用。

ET12背部集成了USB數據孔、耳機孔、模擬器插孔。側部、背部4塊軟膠可拆，拆掉背部2塊后可以進行搖桿彈力調整。電池倉長約95外側寬約35mm.內部有效寬度：26mm外側深度越58mm有效深度約45mm。

ET12已經內置了諸如三角翼混控，副翼到方向舵，副翼差動，副翼/襟翼剎車，蛇滾等已經預先編輯好的函數，需要用的時候調整參數就好了。功能菜單主要分為4級：系統設置、通信設置、通用功能、模型功能，完全能夠滿足視距內航拍無人機的使用需求。

3.2.3 顯示器

相機我們采用飛熒6S4K運動相機，飛螢6S在第一代5S的基礎上，增加了對4K視頻拍攝的支持，并且還有更多的配件可供選擇。主要配件包括支架轉接頭，USB數據線，防水外殼套件，鏡頭蓋，3M泡沫雙面貼等。

飛螢6S采用聯詠96660方案以及SONY 1600萬像素背照式CMOS，配置F/2.87玻鏡片、水平120°、對角170°廣角鏡頭，能夠拍攝最高4K@24fps的視頻和4608*3456分辨率的照片;拍攝的視頻格式為MP4格式，拍攝的照片格式JPG格式;可攜帶最大64GB Micro SD高速卡，容量足夠。

飛螢6S外形尺寸59*21*41mm，并且采用數據線接口設計，數據線接口有USB 2.0、HDMI、AV三種格式，能夠兼容多種類型的云臺。其電池容量為3.7V;1680mAh;6.2Wh。由于運動相機安裝在無人機平臺上，所以重量不能太大。而飛螢6S的機身重量僅有74.6g。很大程度上減輕了無人機的整體負重量。匹配7寸高清屏顯示器，集接受、顯示于一體，使用過程中支持可查找頻率。在實際飛行測試中，經過不同分辨率的試驗，當將相機的分辨率設置為1080p，整機能夠支持60多分鐘的連續視頻錄制，續航能夠滿足拍攝功能的要求。

4 結論

介紹了六翼巡航飛行器的設計方案，并相應進行了各部分的結構設計與選用配置，對其中的各構成模塊及相關的技術理論作了一定的介紹。

空機重量為1390g加上電池和攝像頭為2218g外加機架為2428g，機身直徑為550mm，外加旋翼直徑為770mm，高度不加機架為15cm，含機架高達34cm，整體外觀為黑色。

飛機用鋰聚合電池供電，續航時間長，可充電反復利用。通過試驗、計算尋找滯空時間最長的動力搭配，搭載1000mA的電池，最大載重量4.5kg情況下，可飛行40分鐘。

為了飛行穩定，消除大自然天然磁場和無人機本身內部電磁波對GPS信號的干擾，做了抗電子干擾處理，系統采用特制的吸波紙貼合在無人機的排線，線路板，電池等部位，有效內容防止電磁干擾。通過飛行試驗，該視距內航拍無人機能夠滿足各類生活拍攝任務需要。通過視距內無人機的研究使用，可使得婚慶、個人航拍影集等私人訂制服務得已展開。同時航拍無人機是小型區域范圍觀察、巡檢、巡邏、攝影的重要設備，通過無人機航拍業務的展開，為普通大眾提供便捷的私人定制的創意航空攝影業務，同時可以為礦山、工地、農田提供巡檢服務。

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基金項目：六盤水師范學院大學生創新訓練項目（編號：201510977002）;貴州礦山裝備數字化技術工程研究中心（黔教合KY子[2017]026號）;機械裝備應用與研發科技創新團隊“LPSSYKJTD201802”機械工程專業綜合試點改革項目“LPSSYzyzhggsd201802”;機械工程重點培育學科“LPSSYZDPYXK201705”

*通訊作者：朱廣勇。