王雷　計(jì)世勛

設(shè)計(jì)了一種適用于海上自主航拍的多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)需求，對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)的起飛與降落、全自主飛行控制、云臺(tái)控制、續(xù)航能力、機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，提出了解決方案。

常規(guī)影視航拍無(wú)人機(jī)通常采用多旋翼飛行器作為飛行平臺(tái)，由飛行操作手和云臺(tái)操作手分別對(duì)無(wú)人機(jī)和云臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，航程和高度一般控制在操作手可視范圍內(nèi)，對(duì)飛行距離有較高需求的航拍任務(wù)一般采用FPV（無(wú)人機(jī)第一視角飛行）或自主導(dǎo)航飛行，這兩種飛行模式下通信系統(tǒng)需采用數(shù)傳通信，最大飛行時(shí)間則因?yàn)榭癸L(fēng)因素會(huì)有所縮短。以上任何一種飛行模式下相機(jī)拍攝角度的控制均需要云臺(tái)操作手依據(jù)圖傳接收端畫面對(duì)云臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。而海上全自主無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)與常規(guī)影視航拍系統(tǒng)相比，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提出了更高的性能指標(biāo)要求和更多的功能要求，主要表現(xiàn)在對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的續(xù)航能力、起降可靠性、飛行機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性、自主飛行和目標(biāo)跟隨能力、云臺(tái)自主目標(biāo)拍攝能力以及攝像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等都提出了較為苛刻的要求。

系統(tǒng)需求能力分析

無(wú)人機(jī)續(xù)航能力分析

海上全自主無(wú)人機(jī)航拍系統(tǒng)采用船上起飛，無(wú)人機(jī)自主拍攝，數(shù)據(jù)回傳至遠(yuǎn)端控制中心的工作模式，如圖1所示。

假設(shè)無(wú)人機(jī)在1000m高空?qǐng)?zhí)行航拍，這就要求無(wú)人機(jī)有較高的續(xù)航能力，從而保證無(wú)人機(jī)有足夠動(dòng)力執(zhí)行爬升、懸停、返航全過(guò)程。在不計(jì)海風(fēng)的干擾下：以5m/s的爬升速率計(jì)算完成爬升1000m高度則需要3min20s的時(shí)間，爬升階段能量消耗率較高，折算成懸停航時(shí)約為7-9min。以3m/s下降速率計(jì)算，返航降高1000m需要5min33s，該過(guò)程能量消耗率相對(duì)較低，折算成懸停航時(shí)約為3-4min。假設(shè)定點(diǎn)懸停任務(wù)時(shí)間為10min，則執(zhí)行任務(wù)全過(guò)程無(wú)人機(jī)續(xù)航能力需求可以表示為：最大無(wú)風(fēng)懸停飛行續(xù)航能力為20-23min。再考慮到海面1000m以下的實(shí)際風(fēng)力影響，續(xù)航能力指標(biāo)應(yīng)設(shè)定為：最大無(wú)風(fēng)懸停飛行時(shí)間約為30-35min。

無(wú)人機(jī)起降可靠性與飛行穩(wěn)定性分析

由于海面風(fēng)浪較大，這要求無(wú)人機(jī)能夠在搖擺的甲板上實(shí)現(xiàn)安全起降，常規(guī)起降方式在該項(xiàng)目中可靠性很低，極有可能在起降階段產(chǎn)生側(cè)翻。這就要求采用非常規(guī)起降方式，如彈射式起飛或脫鉤式放飛。返航著落方式應(yīng)設(shè)計(jì)為軟著落，如在甲板返航點(diǎn)設(shè)置回收網(wǎng)，或在海面直接降落。海面直接降落則要求將無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)為具備防水功能的兩棲無(wú)人機(jī)。

此外，無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)能力應(yīng)較高，從而保證海上任務(wù)過(guò)程中的姿態(tài)穩(wěn)定性和航線的保持能力，抗風(fēng)能力指標(biāo)應(yīng)達(dá)到5-6級(jí)，這一要求與續(xù)航能力要求有一定矛盾，在動(dòng)力配置（電機(jī)和槳）較高的情況下，這一矛盾可以消弱?？筛鶕?jù)實(shí)際任務(wù)載荷、抗風(fēng)等指標(biāo)來(lái)綜合權(quán)衡從而選擇或定制更加合適的電機(jī)及螺旋槳。

圖像采集與遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸分析

在100Om高空拍攝海面上高速移動(dòng)物體對(duì)相機(jī)的成像精度、變焦能力以及成像速度都有較高要求，可同時(shí)掛載兩套云臺(tái)和相機(jī)分別對(duì)高空全景和船體近景細(xì)節(jié)進(jìn)行拍攝，需要針對(duì)性的選擇高分辨率和高倍變焦相機(jī)，對(duì)錄像幀數(shù)也有一定要求。如要實(shí)現(xiàn)圖像在地面指揮控制中心的實(shí)時(shí)直播，還需選擇遠(yuǎn)距離的高清數(shù)字圖傳設(shè)備。如要同時(shí)實(shí)現(xiàn)在高空中對(duì)細(xì)節(jié)的高速拍攝與直播，則同時(shí)要滿足高倍變焦、高速拍攝以及高速圖像傳輸，這對(duì)相機(jī)和圖傳以及播放設(shè)備都有極高要求，即使?jié)M足所有條件實(shí)況直播時(shí)肉睛也無(wú)法感知，這需進(jìn)一步探討?？墒褂酶咚贁z影機(jī)近距離獨(dú)立記錄與回放。

數(shù)據(jù)傳輸方案有兩種選擇，第一種方案是無(wú)人機(jī)與地面控制中心直接通信，這要求將遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備直接搭載在無(wú)人機(jī)端，這對(duì)無(wú)人機(jī)載重能力要求較高。第二種方案即分為兩段傳輸，第一段是無(wú)人機(jī)與船體建立通信，無(wú)人機(jī)只需搭載1-2km傳輸能力的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，而遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備作為中繼站放置在船體，由該中繼站與地面控制中心建立第二段通信。

關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

在需求分析中已基本闡述該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的性能指標(biāo)，與已經(jīng)相對(duì)成熟的影視航拍無(wú)人機(jī)系統(tǒng)相比，關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及解決方案可以概括如下：

無(wú)人機(jī)的起飛與降落設(shè)計(jì)

小型船體在海面的低頻晃動(dòng)較大，常規(guī)起降過(guò)程中無(wú)人機(jī)剛離地階段極易受到甲板的晃動(dòng)擊打到而墜毀。為了保證起降的順利進(jìn)行，這里給出“脫鉤式放飛”方案，見(jiàn)圖2。起飛前無(wú)人機(jī)機(jī)體與船面三個(gè)支撐點(diǎn)保持接觸，觸點(diǎn)帶有凹槽。機(jī)體與船體的連接通過(guò)安裝在機(jī)體中心下方的封閉環(huán)與安裝在船體上的倒置掛鉤連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得無(wú)人機(jī)與船體在起飛前保持相對(duì)靜止關(guān)系。

起飛前無(wú)人機(jī)首先啟動(dòng)各個(gè)旋翼，當(dāng)旋翼拉力達(dá)到較高值（確保放飛瞬間的向上加速度）時(shí)，安裝在船體的倒置掛鉤通過(guò)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制來(lái)執(zhí)行放飛指令。這樣的設(shè)計(jì)不僅利用了無(wú)人機(jī)自身的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)了快速?gòu)椛湫Ч瑫r(shí)也保證了起飛前無(wú)人機(jī)處于穩(wěn)固的待命狀態(tài)。

降落則是通過(guò)船體安裝回收網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)GPS定位精度以及無(wú)人機(jī)特征尺寸，網(wǎng)的特征尺寸應(yīng)達(dá)到4-5m。降落時(shí)無(wú)人機(jī)應(yīng)飛至回收網(wǎng)正上方一定高度，然后將電機(jī)停轉(zhuǎn)。如果高速移動(dòng)物體可能導(dǎo)致回收網(wǎng)在任務(wù)過(guò)程中發(fā)生損壞，則需安裝雙層回收網(wǎng)，其間隔應(yīng)不低于高速移動(dòng)物體可能導(dǎo)致的破壞范圍。

全自主飛行控制、云臺(tái)控制設(shè)計(jì)

任務(wù)全程自主飛行與拍攝過(guò)程，涉及到飛行控制與云臺(tái)控制兩個(gè)方面。

（1）飛行控制

現(xiàn)有技術(shù)已具備全自主飛行（絕對(duì)航線）的能力，但因?yàn)榕臄z目標(biāo)是海面漂浮的船體，如果船體隨著海浪產(chǎn)生位置的漂移，那么飛行控制系統(tǒng)和云臺(tái)控制系統(tǒng)需要融入船體位置的自主跟隨技術(shù)。實(shí)現(xiàn)方法是在船體安裝定位系統(tǒng)將其絕對(duì)位置實(shí)時(shí)傳送給無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)，飛行控制系統(tǒng)根據(jù)船體的絕對(duì)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的拍攝計(jì)劃，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)位置修正，始終保持無(wú)人機(jī)與船體的相對(duì)位置關(guān)系。

（2）云臺(tái)控制

現(xiàn)有云臺(tái)技術(shù)是用來(lái)消除無(wú)人機(jī)飛行中的俯仰、橫滾與航向角的低頻晃動(dòng)與高頻振動(dòng)，僅用來(lái)保證拍攝時(shí)相機(jī)的穩(wěn)定性。而自主拍攝所需要的角度等信息，則由飛行控制系統(tǒng)依據(jù)船體與無(wú)人機(jī)的當(dāng)前坐標(biāo)、拍攝計(jì)劃等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出并發(fā)送給云臺(tái)控制系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)拍攝航向角、俯仰角的自動(dòng)調(diào)整，使相機(jī)準(zhǔn)確捕獲畫面。

細(xì)節(jié)拍攝和全景拍攝很難兩全，這里可采用雙云臺(tái)方案。第一套云臺(tái)用來(lái)全景定焦拍攝，1000m高空全景拍攝時(shí)，海平面上的高速移動(dòng)的物體在全景中移動(dòng)速度相對(duì)較慢，可選擇成像分別率和幀數(shù)較高的專業(yè)級(jí)相機(jī)。第二套云臺(tái)掛載高倍光學(xué)變焦相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)在高空下的船體細(xì)節(jié)同步拍攝，該云臺(tái)需要增加變焦控制，方法是通過(guò)電機(jī)或舵機(jī)結(jié)合皮帶的傳動(dòng)來(lái)控制相機(jī)鏡頭的變焦，高倍變焦下，云臺(tái)的增穩(wěn)精度在的放大的畫面中也會(huì)被相應(yīng)降低，這也需要對(duì)云臺(tái)增穩(wěn)精度做進(jìn)一步優(yōu)化。這樣無(wú)人機(jī)在千米高空中即可實(shí)現(xiàn)近景細(xì)節(jié)的拍攝，從而在遠(yuǎn)端的實(shí)時(shí)畫面中呈現(xiàn)船體的細(xì)節(jié)特征。

無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力、機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性的綜合權(quán)衡與優(yōu)化

根據(jù)需求分析中所擬定相關(guān)任務(wù)時(shí)間，并假定采用無(wú)人機(jī)與船體中繼通信方案，有效載荷以掛載上述兩套相機(jī)及相應(yīng)云臺(tái)、2km數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備為準(zhǔn)，可以得出該無(wú)人機(jī)飛行性能應(yīng)大致滿足以下條件：最大無(wú)風(fēng)懸停飛行時(shí)間應(yīng)達(dá)到30-35min，抗風(fēng)能力應(yīng)達(dá)到5-6級(jí)，有效載荷8-10kg。有效載荷不變的情況下，飛行器動(dòng)力系統(tǒng)配置（電機(jī)與槳）額定功率越大，相對(duì)有效載荷就越小，續(xù)航時(shí)間則越長(zhǎng)。而動(dòng)力系統(tǒng)功率配置相同的情況下，選擇不同規(guī)格的槳葉，對(duì)應(yīng)的抗風(fēng)能力（機(jī)動(dòng)性）和續(xù)航時(shí)間也不同，表現(xiàn)為：抗風(fēng)性能越強(qiáng)，續(xù)航時(shí)間越短。

依據(jù)上述規(guī)則，在安全性允許的情況下，該無(wú)人機(jī)應(yīng)盡量使用大功率電機(jī)，同時(shí)應(yīng)盡量選擇抗風(fēng)能力更強(qiáng)的槳葉，適當(dāng)犧牲續(xù)航能力（保證最終續(xù)航能力仍滿足條件）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這里給出一套機(jī)動(dòng)性較高的飛行器動(dòng)力配置方案：電機(jī)采用規(guī)格φ80×60mm、重量800g，工作電壓50V，螺旋槳規(guī)格為26×85，重量80g。室內(nèi)測(cè)試該套動(dòng)力配置在拉力為5000g時(shí)工作電流為約13A，功率約650W，若以該套動(dòng)力為配置，設(shè)計(jì)為6旋翼方案，飛行器平臺(tái)（不合有效載荷及電源）總重約為8-10kg，若采用平鋪式布局，對(duì)邊電機(jī)軸距為1500mm，最大特征尺寸2160mm，如采用共軸式（3軸6旋翼）設(shè)計(jì)最大特征尺寸為1660mm。搭配電池最佳匹配規(guī)格為12S 50000mah鋰電池，重約11-13kg。依據(jù)上述數(shù)據(jù)中間值，無(wú)人機(jī)起飛總量約為30kg，最大無(wú)風(fēng)懸停飛行時(shí)間約為38min，抗風(fēng)能力為5-6級(jí)。

考慮到評(píng)估誤差，該飛行器設(shè)計(jì)方案也至少能夠達(dá)到30-35min無(wú)風(fēng)懸停時(shí)間（其它性能指標(biāo)不變），已滿足無(wú)人機(jī)僅與船體中繼通信方案對(duì)飛行器性能的需求。在飛行器設(shè)計(jì)與綜合方案上還可做進(jìn)一步優(yōu)化，無(wú)人機(jī)整備重量仍有至少2-3kg的優(yōu)化空間。也可采用上述動(dòng)力配置的8旋翼方案，在有效載荷不變的情況下進(jìn)一步提升續(xù)航時(shí)間6-8min?；蚶m(xù)航時(shí)間不變的情況下有效載荷可提升至12-15kg，在該有效載荷下若能滿足承載遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重量，該8旋翼方案也可作為無(wú)人機(jī)與地面控制中心直接通信方案下的載機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)海面無(wú)人機(jī)全自主航拍系統(tǒng)項(xiàng)目需求的分析，可以看到有諸多技術(shù)難點(diǎn)。從無(wú)人機(jī)在船體的起降、飛行控制和云臺(tái)控制的智能化以及無(wú)人機(jī)的飛行性能等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和提出的解決方案來(lái)看，每一個(gè)難點(diǎn)都可在現(xiàn)有研發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)新的設(shè)計(jì)方法或更合理的動(dòng)力配置、載荷分配等得到解決，沒(méi)有技術(shù)瓶頸，本方案也具有很高的短期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)性。同時(shí)，該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在其他對(duì)自主能力要求很高的航拍領(lǐng)域也具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。（參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請(qǐng)聯(lián)系編輯部。）