第2章 无人机测绘系统

无人机测绘技术自然资源与测绘学院徐军TelQ:932014712.1

无人机飞行环境2.2

空气动力学基本原理2.3

翼型2.4

飞行的升力2.5 飞行的阻力与失速2.6 无人机的稳定性2.7 动力系统2.8 发射与回收系统第2章无人机测绘系统第2章无人机测绘系统2.1无人机驾驶飞行平台2.1.1固定翼无人机2.1.2多旋翼无人机2.1.3无人直升机2.1.4无人飞艇第2章无人机测绘系统固定翼无人机旋翼机飞艇2.1.1固定翼无人机固定翼无人机通过动力系统和机翼滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，是类型最多、应用最广泛的无人驾驶飞行器。发展趋势：微型和长航时优点：结构简单、加工维修方便、安全性好、机动性强缺点：起降要求场地空旷、视野好，在起降场地受限时无法发挥作用2.1.1固定翼无人机2.1.1固定翼无人机1.起飞方式弹射起飞滑跑起飞2.1.1固定翼无人机2.着陆方式撞网回收伞降滑降2.1.1固定翼无人机2.1.2多旋翼无人机多选翼无人机具有良好的飞行稳定性，对起飞场地要求不高，适用于起降空间狭小、任务环境复杂的长何，具备人工遥控、定点悬停、航线飞行等多种飞行模式，在城市大型活动应急保障、灾害应急救援中具有明显的技术优势。主要不足：续航时间较短多旋翼倾转定翼无人机自转多旋翼无人机2.1.2多旋翼无人机2.1.3无人直升机无人直升机具备垂直起降、空中悬停和低速机动能力，能够在地形复杂的环境下进行起降和低空飞行，具有多旋翼和固定翼无人机不具备的优势，独特的飞行特点决定了它不可替代的优势。起飞重量大，可以搭载激光雷达、红外传感器等大型传感设备。2.1.4无人飞艇无人飞艇：通过艇囊中填充的氮气或氢气所产生的浮力，以及发动机提供的动力实现飞行。局限性：优势：1.可飞得低，飞得慢2.可靠性和安全性好3.可绕建筑物盘旋4.机动性好，成本低1.体积大，抗风弱2.应用未普及3.稳定性较差第2章无人机测绘系统2.2任务载荷2.2.1光学传感器2.2.2红外传感器2.2.3倾斜摄影相机2.2.4机载激光雷达2.2.5机载稳定平台2.2.1光学传感器1.光学传感器的发展历程CCD相机---线阵CCD相机---面阵CCD相机2.非量测相机3.量测型相机三线阵CCD---大面阵CCD线阵CCD相机CCD相机1.按功能分热成像系统辐射计搜索和跟踪系统红外测距和通信系统2.2.2红外传感器2.按探测机理分光子型探测器热探测器2.2.2红外传感器1.倾斜摄影技术的特点反映地物周边真实情况实现单张影像量测建筑物侧面纹理可采集数据量小，易于网络发布2.2.3倾斜摄影相机两镜头倾斜摄影相机五镜头倾斜摄影相机三五镜头倾斜摄影相机2.倾斜摄影技术的突出优势结合Lidar技术提高三维影像可以直接定位，量测距离、面积提供真实、实时、可量测、大范围的三维浏览2.2.3倾斜摄影相机1.激光雷达的发展历程20世纪六七十年代——激光测高计21世纪以来——激光器、APD探测器、LiDAR2.2.4机载激光雷达激光测高计固体激光器LiDARAPD探测器2.机载激光雷达的特点单位数据量小，处理效率高主动照明，不受白昼和黑夜的限制通过激光波动选择，可对水底地形立体测绘测距分辨率高2.2.4机载激光雷达3.机载激光雷达的应用电力设施巡检2.2.4机载激光雷达森林资源调查3.机载激光雷达的应用地形测绘2.2.4机载激光雷达用途：稳定任务载荷，修正偏流角。单轴稳定平台——只修正偏流角三轴稳定平台——稳定任务载荷和修正偏流角2.2.5机载稳定平台第2章无人机测绘系统2.3飞行控制系统2.3.1飞控系统的原理2.3.2飞快系统的组成组成：传感器、机载计算机、伺服动作设备功能：无人机姿态稳定和控制、无人机任务设备管理、应急控制飞行控制系统：俗称自动驾驶仪，是无人机整个飞行过程的核心系统。主控单元GPS和指南针2.3.1飞行控制系统IMU（惯性测量单元）ap-201自动驾驶仪YS09固定翼自动驾驶仪AIR自动驾驶仪2.3.1飞行控制系统飞控对象：俯仰角，滚转角，航向角，飞行高度，飞机中心点升降舵——调整俯仰角，控制飞行高度副翼——调整滚转角，控制大角度航向调整尾翼——控制航行小角度改变2.3.1飞控系统的原理飞机偏离预设传感器(探测)控制器（运算）舵机（调整舵面）飞机正常飞行姿态改变电信号电信号姿态改变五个控制回路：俯仰角控制回路，高度控制回路，滚转角控制回路，航行控制回路，稳定控制回路飞行控制基本原理：无人机飞行控制系统机载部分地面部分任务载荷飞行控制器舵机GNSS接收机风速传感器高度传感器红外姿态传感器（信息-->电信号）（信息采集）升降舵机副翼舵机尾翼舵机（执行电信号指令）地面操作与显示终端伺服作动子系统飞行控制计算机系统任务载荷子系统2.3.2飞控系统的组成第2章无人机测绘系统2.4地面控制系统2.4.1无人机飞行状态管理2.4.2机载任务载荷工作状态管理地面控制设备PC机电台遥控器（地面站）2.4地面控制系统2.4地面控制系统（1）飞行任务管理与规划（2）机载设备故障判断预处理（3）导航解算（4）遥控遥测管理（5）飞行性能管理2.4.2无人机飞行状态管理（1）遥控控制——无人机最基本的控制方式 a.小型的不做风洞实验的无人机——确定控制参数 b.具有自主飞行能力的无人机的降级控制——超出设定能力或出现故障（2）自主控制——目前先进无人机采用的主要控制方式

目前的无人机自主控制水平普遍不高，因为缺乏对于不确定事件的感知、判断与处理能力。（3）人工干预自动控制介于遥控控制和自主控制之间。2.4.1机载任务载荷工作状态管理第2章无人机测绘系统2.5无人机数据链路2.5.1无人机数据链路基本组成2.5.2无人机数据链路设备是一个多模式的智能通信系统，能感知工作区域电磁环境特征，根据环境特征和通信要求，实时动态调整通信系统工作参数，达到可靠通信或节省通信资源目的。按传输方向分为上行链路和下行链路。遥控指令遥测数据和图像（上行）（下行）2.5.1无人机数据链路基本组成机载数据终端地面数据终端指挥控制站下行链路上行链路2.5.1无人机数据链路基本组成机载部分：机载数据终端（射频接收机与发射机、调制解调器、飞行控制器、传感器、执行机构）、天线地面部分：地面数据终端（射频接收机与发射机、调制解调器、图像显示设备、工程控制计算机）、一副或几副天线无线电测控电台（射频接收机与发射机）调制解调器全向天线2.5.2无人机数据链路设备第2章无人机测绘系统2.6定位定向与动力系统2.6.1定位定向系统2.6.2动力系统一般是高精度惯性测量单元（IMU）+差分GNSS系统（DGPS）的组合系统。

DGPS：1台GNSS基准接收机+1台用户接收机。特点：定位精度高，但高速运动时易产生周跳。IMU：陀螺、加速度计、相关辅助电路。特点：独立定位定姿，抗干扰、隐蔽性好，但误差会随时间累积。+2.6.1定位定向系统动力系统分为三个部分：电池、电机和调速器、螺旋桨目前，低速、中低空无人机的动力装置：活塞式发动机——续航时间几小时到几十小时，使用最广泛转子发动机——重量轻，尺寸小，可靠性高，振动小无刷直流电动机——低速高转矩，高频正反转不发热，稳定运转进度高，性价比高，

是无人机动力首选活塞式发动机(Rotax)转子发动机（AR）无刷直流电动机（永磁）2.6.2动力系统第2章无人机测绘系统2.7发射与回收系统2.7.1发射系统2.7.2回收系统主要构件包括三个部分：弹射器做动系统弹射器附属系统弹射器控制系统弹射架——增大起飞速度，缩短滑跑距离2.7.1发射系统2.7.1发射系统2.7.1发射系统其他发射方式：跑道滑跑起飞车载滑跑起飞2.7.1发射系统火箭助推母机投放2.7.1发射系统其他发射方式：手抛发射垂直起飞2.7.1发射系统其他发射方式：国内外大多数无人机采用降落伞系统实施回收。完成任务后，安全回到地面1.无人机降落伞回收系统的优点适应范围广，性价比高成本低，可重复使用体积小，重量轻无需自动导航着陆系统场地要求低2.7.2回收系统2.无人机回收系统的一般要求着陆速度要求——产生足够阻力过载要求最低开伞高度要求——尽快开伞