无人机遥感概论

1、无人机遥感概论 期末论文浅谈无人机飞行器及其在遥感领域的应用游子航(25)Instructor: 李玉霞 Date Performed:2015.6.21 摘要：本文将主要从无人机飞行空气动力及飞行姿态参数、无人机飞行性能及稳定性、无人机控制系统、无人机通信系统、无人机发射与回收系统等几方面来简要介绍无人机飞行器在遥感领域中的应用，并辅以几个例子来进行说明。无人机飞行空气动力及飞行姿态参数无人机系统实时飞行仿真和综合测试平台是一个半物理仿真平台，它利用计算机技术模拟无人机的真实飞行环境。该平台主要由任务管理、导航与飞行控制计算机（以下简称：飞行控制计算机）及一些机载设备组成可以看出，在无人机系

2、统中主要是飞行控制计算机与各种机载设备之间进行数据交换，因此我们可以在机载设备与飞行控制计算机的通信链路中进行飞行参数采集。机载设备与飞行控制计算机之间的数据通信是高度实时的，可以认为它们通信的数据都是连续的。对这些连续的飞行参数进行实时辨识并不能达到判读飞行参数的目的，因为无人机是一个非线性、时变的多通道深度铰链的系统，单纯的某个飞行参数的时间曲线并不具备太多的实际意义。而对于无人机飞行的空气动力学分析，我们知道，作用在飞行器上的基本外力是推力、升力、阻力和地心引力(或重力）。另外，作用于俯仰轴、滚转袖和偏航轴的角力矩会引起飞行器绕这些轴旋转。升力.阻力和旋转力矩可根据动压，机翼面积和尺度减

3、小系数计算出来综合这些量的表达式就是决定飞行器性能的基本空气动力学方程。在控制无人机的过程中所要收集的飞行参数主要有位置参数、运动参数、遥控遥测参数、主系统状态参数和报警参数，其中运动参数包括俯仰角，滚转角，偏航角。依据以上参数，就可以很好地了解飞行器的飞行状况。无人机飞行性能及其稳定性 .飞机的飞行性能飞机的飞行性能包括以下几点：飞机的速度、高度、航程、航时、起飞、着陆和机动飞行等性能。飞机作定常（加速度为零）直线运动时的性能称为基本飞行性能，包括最大水平飞行速度、最小水平飞行速度、爬升率、升限和上升时间等。其中，最大飞行速度(vmax)指在一定飞行高度上,飞机所能达到的最大定常水平飞行速度

4、，常用马赫数表示，是飞机的重要性能指标之一,对军用飞机尤为重要。最小飞行速度(Vmin)是指在一定飞行高度上能维持飞机定常水平飞行的最小速度。Vmin越小，飞机的起飞、着陆和盘旋性能越好。升力系数取值不同便可得到不同的最小速度,Cymax的值越大,可使Vmin的值越小。但一般在飞行中并不使升力系数达到Cymax,而是略小于此值就不再降低速度,以避免失速。实际上,当Cy达到比Cymax小的某一值时就会出现不希望的抖振现象，预示飞机即将失速。为了安全，通常用这时的升力系数来确定Vmin。.飞机的稳定性飞机的稳定性包括了飞机的纵向、侧向以及方向稳定性。飞机的纵向稳定性是指飞机绕横轴的稳定性。当飞机处

5、于平衡飞行状态时，如果有一个小的外力干扰，使它的攻角变大或变小，飞机抬头或低头，绕横轴上下摇摆(也称为俯仰运动)。飞机的侧向稳定性是指飞机绕纵轴的稳定性。处于稳定飞行状态下的飞机，如果有一个小的外力干扰，使机翼一边高一边低，飞机绕纵轴发生倾侧。当外力取消后，飞机靠本身产生一个恢复力矩，自动恢复到原来飞行状态，这架飞机就是侧向稳定的，否则就是侧向不稳定。飞机的方向稳定性是指飞机绕立轴的稳定性。飞机的方向稳定力矩是在侧滑中产生的。所谓侧滑是指飞机的对称面与相对气流方向不一致的飞行。它是一种既向前、又向侧方的运动。无人机控制系统 飞行控制的目的是通过控制飞行器的姿态和轨迹来完成飞行器各种模态的控制任

6、务,这主要通过飞行控制系统来完成。飞行控制系统作为飞行器机载设备的核心组成部分,能否正常工作直接影响着飞机飞行的各种性能和飞行安全。 飞行控制系统在无人机上的功能主要有两个，一是飞行控制,即无人机在空中保持飞机姿态与航迹的稳定,以及按地面无线电遥控指令或者预先设定好的高度、航线、航向、姿态角等改变飞机姿态与航迹,保证飞机的稳定飞行,这就是通常所谓的自动驾驶。二是飞行管理,即完成飞行状态参数采集、导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理、任务设备的控制与管理等工作。这也是无人机进行无人飞行的基础。 整个无人机飞行控制系统可分为机载和地面遥控两个部分,机载部分主要负责采集飞机各项飞行参数

7、、维持飞机的稳定飞行和姿态控制,地面部分主要负责飞行目标规划和各项数据分析。为了确保安全,防止自主飞行机构失控,地面部分含有遥控操作器。机载飞行控制系统是核心,也是本文讨论的重点简便起见,后文中的飞行控制系统均指机载飞行控制系统,下面作以简要介绍。 机载飞行控制系统主要由传感器或敏感元件、舵机和飞行控制器三部分组成。传感器包括电子罗盘、速度传感器、高度传感器和卫星导航接收机。舵机包括升降舵机、副翼舵机和风门舵机等。 传感器就是将非电物理量变换成电信号的一种装置。其原理式为：；其中,为传感器输出电信号,为被测非电物理量。一般来讲,与呈线性关系。 舵机是无人机上的执行机构,它的作用是将飞控器的输出

8、电信号转变成机械位移量,带动舵面或发动机风门偏转,实现对飞机的姿态位置或发动机转速控制。舵机分为模拟舵机、数字舵机两种。模拟舵机根据输入电压与舵机位置反馈电压的电压差调整转动角度,当电压差为零时,舵机停止转动,保持此平衡位置。舵机则是根据波形的脉冲宽度调整转动角度。无人机的舵机主要包括升降舵机、副翼舵机和尾翼舵机,其中升降舵机控制飞机的高度及俯仰平衡,副翼和尾翼舵机控制飞机的左右倾斜平衡和航向。 飞行控制器以下简称飞控器是飞行控制系统的核心,也是无人机的中央控制单元。飞控器根据控制指令含预定指令和地面遥控指令等和实时测量信息,采用一定控制算法进行决策,控制各个执行机构使飞机以一定的姿态和航迹安

9、全飞行。同时,飞控器还负责飞机上各个单元的协调工作。飞控器一般是一个以单片机或机为核心的计算机控制系统,基本功能有：1.保持飞机按给定的高度、航线稳定飞行。2.控制飞机按给定的航向角飞行。3.控制飞机按给定的姿态角机动飞行。等等。 由以上所述,不难看出飞行控制器的基本硬件构成应包含中央处理单元,以进行信息处理各种传感器及其与的通讯接口单元,以完成信息采集信号输出单元,以实施对各个执行部件的控制。无人机通信系统无人机主要以搭载可见光相机、CCD摄像机、红外摄像机、超光谱成像仪，视频传输和数字相机设备及其它类型传感器。视频传输可用于森林防护、空中巡逻、交通监管等监控领域，其突出优点是数据传输实时高

10、效；数码相机摄影主要用于城镇、开发区、厂矿、居民小区等小范围的测绘，其优点是高度低受天气影响小且精度高。民用无人机通常可采用电台来进行飞机和地面控制系统的信息传输，无人机机载获取信息系统通常可通过电台以电磁波的形式向地面控制站台传输所获取信息，地面则可通过控制系统以通信系统为载体实现就无人机作业的全称控制，通信系统是无人机在作业和信息传输过程中不可缺少的一部分。无人机发射与回收系统 .无人机的发射无人机发射是指在一定的场所范围内，通过一定的方式，能够使无人机达到一定高度和速度的过程。一般来说，无人机的发射对无人机系统的战场生存能力、重复使用性、地域适应性、作战的灵活性等指标要求有着直接影响，通

11、常被认为是无人机作战中最困难和关键的阶段之一。一旦无人机发射出现问题，后果十分严重。评价无人机性能的指标中，能否安全可靠的发射是最重要的几条之一。无人机有很多发射方式，如地面滑跑起飞、垂直起飞、手抛起飞、弹射起飞、火箭助推发射、空中投放等；根据发射场地分类，可分为海、陆、空三基发射；按发射动力又可分为自力、它力以及复合式发射。.无人机的回收由于无人机的需求不断扩大，降低无人机成本的要求不断提高，大多数无人机在完成任务后，都要进行回收再利用以便最大程度利用其自身的价值。因而，能否安全可靠地回收，也成为评价无人机性能的一个重要指标。目前多数无人机回收采用的主要方法有撞网回收、自行着陆回收、伞降回收

12、等。典型无人机及遥感应用介绍1. “512”特大震情发生后,对四川西北部山区造成大范围的山体崩塌滑坡,并在各级河流中形成了多个堰塞湖和堰塞坝。但由于道路不通,余震不断,很难获得各个堰塞湖和堰塞坝的准确情况,给全面的勘察和安全性评估带来极大困难。针对这一情况,四川省科技厅迅速邀请、组织中科院遥感应用研究所、电子科技大学、北京安翔动力科技公司、中科院山地灾害与环境研究所、西南交通大学等科研单位的信息、遥感、水利、地质方面的专家进行攻关。他们创造性地应用航空摄影技术,通过无人驾驶飞机和直升飞机搭载摄像机航空摄影技术,对川西北堰塞湖航拍,并取得非常理想的效果。这一成功,经四川省科技厅上报四川省水利抗震

13、救灾指挥部领导后,引起高度重视,并得到大力支持。经指挥部与部队协调,军队于5月21日专门调配直升飞机,应用这一技术,对灾区安县等地的河流进行航拍,并取得了大量清晰有用的宝贵资料,及早地防止堰塞湖次生灾害的发生,为防治工程赢得宝贵时间。2. 2014 年，云南鲁甸 65 级地震发生第二天，我国四旋翼无人机首次亮相，在克服震后降雨等不利因素后，经过长达 2 h 的飞行，获取了灾区 417 幅影像，分辨率达 02 m，图上可清晰看出房屋的损毁程度以及道路受阻、山体塌方、水位上涨等情况。国家测绘地理信息局力争利用无人机遥感获取更多震后影像数据，结合已有灾区震前基础测绘成果，快速对灾区进行灾害遥感解译和

14、评估，影像数据和情报还被及时提供给相关部门用于抗震救灾指挥决策、灾情评估、灾害分析等。3.2011 年 3 月 11 日，日本福岛第一核电站在地震引发的海啸中发生严重的核泄漏事故，因为核辐射威胁，救援人员无法进入反应堆内查看情况。美国军方迅速反应，派出全球鹰无人侦察机前往核电站上空近距离仔细观察受损的核反应堆，并派出搭载测辐传感器的微型无人机，监测和检查福岛核电站核燃料池附近的辐射水平。2014 年，日本索尼公司研发的新一代四旋翼无人飞行器，具有新颖的结构布局和独特的飞行方式，具有自主或遥控飞行模式，可原地垂直起降，可实现空中定点悬停和固定航迹飞行，通过装载摄像设备实现空中监测，视频可直接下传到地面站。上述优点可以使