應急測繪交叉雙旋翼無人機的設(shè)計與應用

張皓琳

1.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

2.天津市智能遙感信息處理技術(shù)企業(yè)重點實驗室

交叉雙旋翼無人機系統(tǒng)能夠全天候自動獲取高精度激光點云和影像數(shù)據(jù)，為應急測繪提供及時、準確、高效的保障服務(wù)，對提升應急測繪保障服務(wù)效率，提高應急事件第一時間現(xiàn)場信息快速獲取、處理和服務(wù)能力具有重大意義。

圖2 交叉雙旋翼無人機。

近年來，我國自然災害和突發(fā)事件呈現(xiàn)出日益加重的趨勢，這其中有地震、火山爆發(fā)、泥石流、海嘯、臺風、洪水、火災等突發(fā)性災害；也有地面沉降、土地沙漠化、干旱、海岸線變化等經(jīng)歷較長時間才能逐漸顯現(xiàn)的漸變性災害；還有化工廠爆炸、水體污染、水土流失、臭氧層變化、酸雨等人類活動導致的環(huán)境災害。當災害發(fā)生之時，實時監(jiān)測災害現(xiàn)場，獲得災情數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)場處理獲取的數(shù)據(jù)，初步分析災情及其發(fā)展態(tài)勢，并將第一手資料實時快速傳給后方應急指揮部，為應急指揮部領(lǐng)導者會商和決策，提供實時災情數(shù)據(jù)，盡可能保障人身安全、減少財產(chǎn)損失。

系統(tǒng)架構(gòu)

針對上述需求，選用中型交叉雙旋翼無人機掛載光電吊艙、航攝儀、激光雷達，獲取災區(qū)可見光、紅外熱成像視頻、影像、三維激光等地理信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理軟硬件設(shè)備和衛(wèi)星通信、4G通信等設(shè)備集成在測控運輸一體車內(nèi)，在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸及通信，形成交叉雙旋翼無人機應急測繪系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖。

系統(tǒng)功能

機動飛行與控制

（1）能夠從突發(fā)事件現(xiàn)場周邊起飛，到達人員難以進入?yún)^(qū)域作業(yè)，具備較好的續(xù)航能力和近距離控制能力；

（2）能夠應對復雜天氣和地形環(huán)境的影響，最大限度保障應急測繪作業(yè)的有效開展；

（3）能夠根據(jù)突發(fā)事件現(xiàn)場的氣候條件和地形環(huán)境，快速設(shè)計或調(diào)整應急攝影方案；

（4）能夠自主起飛和降落，可低空定點懸停。

多源遙感信息獲取

（1）具備全天時地理信息數(shù)據(jù)獲取能力，以應對各種突發(fā)事件；

（2）可同時獲取現(xiàn)場可見光、紅外熱成像視頻、光學影像信息、三維激光數(shù)據(jù)，滿足不同應急工作對信息類型及精度的要求。

數(shù)據(jù)快速處理

（1）實時接收并顯示現(xiàn)場可見光、紅外熱成像視頻；

（2）能夠?qū)崟r接收的可見光視頻進行視頻拼接；

（3） 飛行中能夠在機上對影像進行必要的處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈實時回傳至車內(nèi)，在地圖上拼接顯示；

（4）無人機降落后，能夠在測控車內(nèi)對重點區(qū)域原始影像數(shù)據(jù)、三維激光數(shù)據(jù)進行快速處理，獲取高精度數(shù)據(jù)成果。

應急通信

衛(wèi)星通信和4G通信雙備份實現(xiàn)與后方應急指揮部的通信和數(shù)據(jù)回傳。

夜間作業(yè)

系統(tǒng)能夠在夜間飛行作業(yè)，利用紅外熱成像儀及激光雷達完成應急監(jiān)測。

系統(tǒng)組成

應急測繪無人機系統(tǒng)由交叉雙旋翼無人機和測控運輸一體車分系統(tǒng)組成。

交叉雙旋翼無人機分系統(tǒng)

交叉雙旋翼無人機分系統(tǒng)是任務(wù)載荷設(shè)備和機載測控通信設(shè)備的載體，為系統(tǒng)提供空對地觀測的飛行平臺，主要包括無人機平臺、任務(wù)載荷設(shè)備和地面控制站。

無人機平臺是一款油動交叉雙旋翼無人機，在安全性、穩(wěn)定性及可靠性方面均表現(xiàn)良好。該機發(fā)動機采用高性能渦輪發(fā)動機，具備出色的承載能力和高海拔作業(yè)能力。平臺具有常規(guī)直升機的優(yōu)點，起降靈活、任務(wù)載荷能力強、穩(wěn)定性好，適宜執(zhí)行抬起重物、吊掛作業(yè)。交叉雙旋翼無人機無尾槳，因此具有更加出色的載重比，結(jié)構(gòu)更簡單，對配重和槳葉的精確匹配要求都比普通旋翼無人機低。使用4槳葉交叉雙旋翼設(shè)計，有效降低了故障率，使用維護更方便，僅需三名操控人員便可完成飛行任務(wù)，適用于野外機動作業(yè)。

任務(wù)載荷設(shè)備是系統(tǒng)對目標觀測和數(shù)據(jù)采集的工具，收集任務(wù)目標的影像和測繪數(shù)據(jù)。主要包括航攝儀、光電吊艙、激光雷達。通過任務(wù)載荷通用掛載設(shè)計，實現(xiàn)任務(wù)載荷組合掛載、快速換裝。

地面控制站用于無人機的操控，由飛控地面站、配套飛控軟件和硬件組成，實物見圖4。

圖4 便攜式地面控制站。

測控運輸一體車分系統(tǒng)

測控運輸一體車分系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)處理軟硬件、測控、衛(wèi)星通信、4G通信等設(shè)備，實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備及機組人員的運輸，以及測控、通信、數(shù)據(jù)處理等功能，并為外場作業(yè)供電、提供操控與會議工作環(huán)境。

圖3 任務(wù)載荷通用掛載部件。

作業(yè)模式與應用成果

接到應急任務(wù)后，測控運輸一體車運輸所有設(shè)備奔赴災害現(xiàn)場，到達后快速展開，根據(jù)受災類型、受災區(qū)域選擇任務(wù)載荷類型，進行任務(wù)規(guī)劃，同時進行任務(wù)載荷安裝、設(shè)備檢查，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃開展監(jiān)測，獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場快速完成數(shù)據(jù)處理，將成果傳回應急指揮部；任務(wù)結(jié)束后撤收所有設(shè)備，測控運輸一體車將設(shè)備運回儲備庫。

光電吊艙+航攝儀作業(yè)模式

針對地震、洪水、火災、爆炸等災害，無人機掛載光電吊艙和航攝儀在白天飛行作業(yè)時，光電吊艙利用可見光攝像機和紅外熱成像儀搜尋地面目標，操控人員通過實時回傳的可見光視頻數(shù)據(jù)搜尋無人機監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的可視地面目標；紅外熱成像儀對車輛、建筑物內(nèi)的人員、火源等發(fā)熱目標進行熱成像搜索，具有重要作用；航攝儀對任務(wù)區(qū)域進行航空攝影，并在機上實時處理影像數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)通過通信鏈路回至地面，在車內(nèi)完成實時影像拼接并顯示；飛行任務(wù)結(jié)束后，進一步對重點區(qū)域的影像進行快速拼接，獲取高精度測繪成果，便于對災區(qū)重點區(qū)域進行重點分析。最終數(shù)據(jù)成果包括實時影像鑲嵌圖、正射影像圖、可見光及紅外視頻。災害現(xiàn)場實時視頻、影像拼接成果均可通過衛(wèi)星通信或4G通信回傳應急指揮部顯示。

光電吊艙+激光雷達作業(yè)模式

圖5 實時影像鑲嵌圖。

圖6 后處理正射影像圖。

圖7 可見光監(jiān)測視頻截圖。

圖8 紅外熱成像監(jiān)測視頻截圖。

圖9 視頻實時拼接圖。

圖10 彩色激光點云圖。

針對泥石流、山體滑坡、坍塌、爆炸等災害，無人機掛載光電吊艙和激光雷達在白天或夜間飛行作業(yè)，光電吊艙利用可見光攝像機和紅外熱成像儀搜尋地面目標，操控人員通過實時回傳的可見光視頻數(shù)據(jù)搜尋監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的可視地面目標，并實現(xiàn)可見光視頻實時拼接，生成視頻拼接圖，實時觀察全區(qū)域情況，紅外熱成像儀可全天候?qū)囕v、建筑物內(nèi)的人員、火源等發(fā)熱目標進行熱成像搜索，并將現(xiàn)場視頻實時傳回應急指揮部；激光雷達內(nèi)置可見光照相機完成空對地作業(yè)，能夠全天候自動獲取目標區(qū)域高精度激光點云和影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字地面模型（DSM）等信息產(chǎn)品，并進一步處理建立真實可量測三維模型，進行滑坡監(jiān)測及評估、土石方量測算、洪水評估、泄洪區(qū)選址、道路走廊帶勘測及線路走向優(yōu)化設(shè)計等工作。成果形式包括三維激光點云圖、正射影像圖、視頻拼接圖、可見光及紅外視頻。

應急測繪無人機系統(tǒng)具備災區(qū)數(shù)據(jù)快速獲取、數(shù)據(jù)快速處理、應急通信等功能，可實現(xiàn)災害現(xiàn)場可見光和紅外視頻數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維激光數(shù)據(jù)快速獲取，輔助救援人員全面掌握災區(qū)地形地貌，發(fā)現(xiàn)受災目標并實現(xiàn)精確測繪，可在現(xiàn)場對獲取的災情數(shù)據(jù)實時處理或快速處理，快速預判災情，同時為災害現(xiàn)場與后方應急指揮部之間的實時通信和數(shù)據(jù)傳輸提供支持。系統(tǒng)從2015年起應用于工程實踐，經(jīng)過水利監(jiān)測、應急測繪、電網(wǎng)巡檢等多個行業(yè)應用驗證、優(yōu)化改進，各種任務(wù)載荷掛載模式飛行穩(wěn)定，可以作為系統(tǒng)級產(chǎn)品繼續(xù)推廣。