旋翼无人机及摄影测量基础

旋翼无人机概论

1.无人机发展简史
1910年，在莱特兄弟取得的成功的鼓舞下，来自俄亥俄州的年轻军事工程师查尔斯·科特林建议使用没有人驾驶的飞行器：用机械钟表装置控制无人机，使其在预定地点抛掉机翼并向炸弹一样落向敌人。在美国陆军的支持和资助下，他制成并成功试验了几个模型，取名为“科特林空中鱼雷”、“科特林虫子”。
1933年，英国研制出了第一架可复用无人驾驶飞行器——“蜂王”。使用3架经修复的“小仙后”双翼机进行试验，从海船上对其进行无线电遥控，其中2架失事了，但第3架试飞成功，使英国成为了第一个研制并试飞成功无线电遥控靶机的国家。
二战期间，美国海军首先将无人机作为空中武器使用。1944年，美国海军为了对德国潜艇基地进行打击，使用了由B-17轰炸机改装的遥控舰载机。美国特里达因•瑞安公司生产的“火蜂”系列无人机是当时设计独一无二、产量最大的无人机。1948-1995年，该系列无人机产生多种变型：无人靶机（亚音速和超音速），无人侦察机，无人电子对抗机，无人攻击机，多用途无人机等。美国空军、陆军和海军多年来一直在使用以BQM-34А“火蜂”靶机为原型研制的多型无人机。
上世纪70-90年代及其以后，以色列军事专家、科学家和设计师对无人驾驶技术装备的发展做出了突出贡献，并使以色列在世界上无人机驾驶系统的和作站使用领域占有重要地位。无人机最初研制主要为了军事活动，以美国为例，二十世纪末及二十一世纪初研制了多款全系列的无人机。

2.无人机分类
“无人机”全称无人驾驶飞机，英文缩写为“UAV”（Unmanned Aerial Vehicle），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。
国内外无人机相关技术飞速发展，无人机系统种类繁多、用途广特点鲜明，由于无人机的多样性，出于不同的考量会有不同的分类方法。按飞行平台构型分类，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。按用途分类，无人机可分为军用无人机和民用无人机。按尺度分类（民航法规），无人机可分为微型无人机、轻型无人机、小型无人机、中型无人机以及大型无人机。按活动半径分类，无人机可分为超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。按任务高度分类，无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。

按尺度分类（民航法规），无人机可分为微型无人机、轻型无人机、小型无人机、中型无人机以及大型无人机。
（1）微型无人机：指空机重量小于0.25千克，设计性能同时满足飞行真高不超过50米、最大飞行速度不超过40千米/小时、无线电发射设备符合微功率短距离无线电发射设备技术要求的遥控驾驶航空器。
（2）微型无人机：指空机重量小于0.25千克，设计性能同时满足飞行真高不超过50米、最大飞行速度不超过40千米/小时、无线电发射设备符合微功率短距离无线电发射设备技术要求的遥控驾驶航空器。
（3）小型无人机：指空机重量不超过15千克或者最大起飞重量不超过25千克的无人机，但不包括微型、轻型无人机。
（4）中型无人机：指最大起飞重量超过25千克不超过150千克，且空机重量超过15千克的无人机。
（5）大型无人机：指最大起飞重量超过150千克的无人机。

3.无人机飞行原理（以四个旋翼的遥控型无人机为例）
同普通电风扇原理相同，电机连接螺旋桨通过高速转动切割空气使其产生向下的气流，同时产生向上的升力，当升力大于飞行器本身的重力时，飞行器就可以实现上升的动作，反之下降；当升力等于于飞行器本身的重力时，则飞行器处于悬停状态。
多旋翼飞行器是通过调节多个电机转速来改变螺旋桨转速，实现升力的变化，实现4个方向上的运动，分别为：垂直、旋转、向前飞行与向后飞行。进而达到飞行姿态控制的目的。
飞行原理如下图所示，电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，因此飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应全被抵消。与传统的直升机相比，四旋翼飞行器的优势：各个旋翼对机身所产生的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机1和电机3逆时针旋转时，电机2和电机4顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

一般情况下，多旋翼飞行器可以通过调节不同电机的转速来实现4个方向上的运动，分别为：垂直、俯仰、横滚和偏航。

（1）垂直运动（升降）
在图（a）中，两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
（2）俯仰运动（水平前后）
在图（b）中，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
（3）横滚运动（水平左右）
与图（b）的原理相同，在图（c）中，改变电机2和电机4的转速，保持电机1和电机3的转速不变，便可以使机身绕x轴方向旋转，从而实现飞行器横滚运动。
（4）偏航运动（机身旋转）
四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图（d）中，当电机1和电机3的转速上升，电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，从而实现飞行器的偏航运动。

摄影测量基础

1.航空摄影基础
航空摄影（aerial photography），又称航拍，是指飞机或其他航空飞行器飞行于大气层中利用航空摄像机摄取地面景物像片的技术。现在除从飞机拍摄的航空照之外，从人造卫星拍摄的宇宙照片，从气球拍摄的气球照片等都统称为空中摄影。航空摄影一般选在上午或下午，因为上午或下午地面上的景物比较清晰，有足够的照度，容易收到较好的影调效果。
按摄影的实施方式分类，航空摄影可分为单片摄影、航线摄影和面积摄影。
单片摄影：为拍摄单独固定目标而进行的摄影称为单片摄影，一般只摄取一张（或一对）像片。
航线摄影：沿一条航线，对地面狭长地区或沿线状地物（铁路、公路等）进行的连续摄影，称为航线摄影。为了使相邻像片的地物能互相衔接以及满足立体观察的需要，相邻像片间需要有一定的重叠，称为航向重叠（航线相邻两张像片的重叠）。航向重叠一般应达到60%，至少不小于53%。
单片摄影：为拍摄单独固定目标而进行的摄影称为单片摄影，一般只摄取一张（或一对）像片。
航线摄影：沿一条航线，对地面狭长地区或沿线状地物（铁路、公路等）进行的连续摄影，称为航线摄影。为了使相邻像片的地物能互相衔接以及满足立体观察的需要，相邻像片间需要有一定的重叠，称为航向重叠（航线相邻两张像片的重叠）。航向重叠一般应达到60%，至少不小于53%。

2.航拍相机
航拍相机通常分为航拍而专门设计的照相机、通用照相机。
（以无人机所带的专门设计的航拍照相机为例）
首先，无人机载重能力有限，所载仪器都要求尽量的达到体积小，重量轻。数字照相机正迎合了这个需要。

• 数字照相机电耦合器（CCD、CMOS）小。
• 电子扫描式快门，其实就是一种电动作，没有机械动作。
• 可靠性高。
• 记录载体轻小（SD卡）。
• 图像传输方便。
• 实时视频输出。
• 大光圈、定焦、广角镜头轻便实用。

在搭载通用照相机飞行时，也最好用定焦镜头，恒定大光圈拍摄。首先，无人机越轻，飞行时间就越短，可操作性也就越强。电子扫描式快门，可以让使用者决定什么时候拍照，而不是使相机一直拍照（拍视频）或处于定时拍照模式，导致飞行结束时都要额外浏览许多素材。实时视频输出可使使用者实时看到相机捕捉的画面，没有此功能，就几乎很难使用无人机拍出满意的镜头。
以大疆无人机搭载的两款主流航拍相机为例：

3.云台
云台是安装、固定摄像机的支撑设备，指可以使物体绕轴旋转的轴径支座，在云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度。现在几乎所有的航拍无人机都使用云台稳定搭载的相机。在无人机领域，云台是用无刷马达—与无人机飞行使用的马达一样将相机稳定在两个或三个轴径上的基座。
事实上，云台的工作方式与无人机类似。相机基座上有一个惯性测量单元IMU，可以向云台控制器报告其方向，云台控制器控制云台马达，使相机平台再次处于水平。每秒钟这个动作都会发生几百次，这样即使无人机被大风吹得摇摆不定，相机平台也会非常稳定。二轴云台稳定横摇(左右倾斜)和纵摇(上下移动)，三轴云台加入了偏航(转左和转右)稳定。

安全飞行

1.法律法规
根据《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（征求意见稿）》指出：
① 无人机分为国家无人机和民用无人机。民用无人机，指用于民用航空活动的无人机；国家无人机，指用于民用航空活动之外的无人机，包括用于执行军事、海关、警察等飞行任务的无人机；
② 购买除微型无人机以外的民用无人机的单位、个人应当通过实名认证，配合做好相关信息核实；
③ 从事小型、中型、大型无人机飞行活动和利用轻型无人机从事商业活动的单位或者个人，应当强制投保第三者责任险；
④ 轻型无人机驾驶员应当年满14周岁，未满14周岁应当有成年人现场监护；小型无人机驾驶员应当年满16周岁；中型、大型无人机驾驶员应当年满18周岁；
⑤ 驾驶轻型无人机在相应适飞空域飞行，需掌握运行守法要求和风险警示，熟悉操作说明；超出适飞空域飞行，需参加安全操作培训的理论培训部分，并通过考试取得理论培训合格证。；
⑥ 独立操作的小型、中型、大型无人机，其驾驶员应当取得安全操作执照。
⑦ 未经批准，轻型无人机禁止在以下空域飞行：
（九）生产、储存易燃易爆危险品的大型企业和储备可燃重要物资的大型仓库、基地以及周边150米范围的上方，发电厂、变电站、加油站和中大型车站、码头、港口、大型活动现场以及周边100米范围的上方，高速铁路以及两侧200米范围的上方，普通铁路和国道以及两侧100米范围的上方；
（十）军航低空、超低空飞行空域；
（十一）省级人民政府会同战区确定的管控空域。
⑧ 未经批准，轻型无人机禁止在上述管控空域飞行。管控空域外，无特殊情况均划设为轻型无人机适飞空域。
⑨ 植保无人机适飞空域，位于轻型无人机适飞空域内，真高不超过30米，且在农林牧区域的上方。
2.飞行注意事项

• 飞行前进行全面的设备检查
• 确保设备电量充足
• 确保已插入SD卡
• 电源开启后相机和云台是否正常工作
• 开机后电机是否能正常启动
• 飞行前应从地图视图图上对飞行区地形地势进行一个初步的了解，选择一个开阔无遮挡的场地进行飞行。
• 飞机要在视线范围内飞行，时刻保持对飞机的控制 在GPS 信号良好的情况下飞行
• 遵守当地法律法规（不要在禁飞区飞行，如机场附近、军事基地周边等）
  3.机场禁飞区
  机场禁飞区分为机场禁飞区、机场限飞区。
  机场禁飞区指将民用航空局定义的机场保护范围坐标向外扩展100米形成的禁飞区。
  机场限飞区是在跑到两端终点向外延伸20公里，跑到两侧各延伸10公里，形成约20公里宽，40公里长的长方形。
  

无人机部件介绍

1.常见的多旋翼无人机
多旋翼飞行器又叫多轴飞行器，它有三个或三个以上的独立动力系统来进行各种控制动作，不同于单旋翼，多旋翼机械结构简单，只需要协调电机之间的转速即可实现控制。系统高度智能，飞行器姿态保持能力较高，具有非常广阔的使用领域和研究价值。按轴数分有三轴、四轴、六轴、八轴甚至十八轴等。按发动机个数分有三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼甚至十八旋翼等。
多旋翼无人机的任务根据航程、续航时间、速度及有效载荷能力来决定，通常在设计无人机之初主要是依据有效载荷和任务具体要求来设计。最常见的任务包括航拍、植保、巡线、刑侦、救援等等。市场上可见的多旋翼无人机多应用在民用领域，在军事上应该有大规模的应 用前景，但尚未普及，这也对多旋翼无人机的稳定性、可靠性和适应各种复杂环境的能力提出了挑战，目前多旋翼无人机正朝着模块化结构迈进，这大大简化了多旋翼无人机的结构，对进一一步拓宽市场起到了一定的推进作用。
2.常见的无人机组件介绍
机身：机身是大多数设备的安装位置，也是多旋翼无人机的主体，也成为机架。
起落架: 多旋翼无人机唯一和地面接触的部位。作为整个机身在起飞和降落时候的缓冲，也是为了保护机载设备，要求强度高，结构牢固，和机身保持相当可靠的连接，能够承受一定的冲力。
马达: 对于电动无人机来说就是电机，是多旋翼无人机的动力机构。
电调:电子调速器，将飞控的控制信号，转变为电流信号，用于控制电机转速。
飞控：包括陀螺仪、加速度计、电路控制板、各外设接口。
GPS 模块: 测量多旋翼无人机当前的经纬度、高度、航迹方向、地速等信息。
任务设备:目前最多的就是云台，常用的有两轴云台和三轴云台。
数据链路: 数据链路包括数传和图传。

机身：机身是大多数设备的安装位置，也是多旋翼无人机的主体，也称为机架。

起落架: 多旋翼无人机唯一和地面接触的部位。作为整个机身在起飞和降落时候的缓冲，也是为了保护机载设备，要求强度高，结构牢固，和机身保持相当可靠的连接，能够承受一定的冲力。

马达: 对于电动无人机来说就是电机，是多旋翼无人机的动力机构。电机是由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。在整个飞行系统中，起到提供动力的作用。

电调: 电子调速器，将飞控的控制信号，转变为电流信号，用于控制电机转速。

螺旋桨: 螺旋桨是通过自身旋转，将电机转动功率转化为动力的装置。在整个飞行系统中，桨叶主要起到提供飞行所需的动能。按材质一般可分为尼龙桨，碳纤维桨和木桨等。

电池:电池是将化学能转化成电能的装置。在整个飞行系统中，电池作为能源储备，为整个动力系统和其他电子设备提供电力来源。目前在多旋翼飞行器上，一般采用普通锂电池或者智能锂电池等。

遥控系统: 遥控系统由遥控器和接收机组成，是整个飞行系统的无线控制终端。

飞行控制系统: 飞行控制系统集成了高精度的感应器元件，主要由陀螺仪（飞行姿态感知），加速计，角速度计，气压计，GPS及指南针模块（可选配），以及控制电路等部件组成。通过高效的控制算法内核，能够精准地感应并计算出飞行器的飞行姿态等数据，再通过主控制单元实现精准定位悬停和自主平稳飞行。根据机型的不一样，可以有不同类型的飞行辅助控制系统，有支持固定翼、多旋翼及直升机的飞行控制系统。