多旋翼与固定翼无人机航拍性能比较初探

张守峰 单 丹 丁志敏

（嘉兴学院建筑工程学院，浙江 嘉兴314001）

1 航拍技术概况

航拍又称空中摄影或航空摄影，可以不受地面障碍物的遮挡，清晰地俯瞰并记录拍摄对象及其所在地理环境的外部信息。近年来，随着科技的发展，航拍、航测技术日趋成熟。以航拍技术为基础的信息采集平台在影视制作宣传、国土资源管理、城市规划勘测、环境保护和自然灾害监测等领域,展现了其高效率采集影像信息等优越性。

2 载人航拍与无人机航拍

航拍包括载人航拍和运用遥感技术远程操控的无人机航拍，都是借助飞行器搭载拍摄器材升空，从不同高度、角度俯瞰拍摄地面物体的活动，最大区别在于飞行员和摄影师是否搭乘在飞行器上。载人航拍的搭载平台有运输机、直升机、动力伞、热气球、飞艇等，其优点为续航能力强，拍摄高度较高等，但也有运行成本高，机动灵活性较差等缺点；而无人机航拍是指遥控飞行器和摄影器材的拍摄活动。虽然受油、电等传统能源动力的局限，目前大部分民用无人机都存在续航时间较短的缺点，但是无人机航拍属于飞行高度低于一千米航空管制高度的低空摄影，与卫星航拍、载人航拍等高空摄影和地面摄影、测绘相比较，在某些方面还具有一定的优势。

3 无人机低空摄影的比较优势

1）云下摄影，飞行器受天气和地形影响较小，即使在阴天和轻雾天气情况下也可以拍摄。

2）飞行高度较低，能够获取大比例尺、高分辨率的图像数据，较好的显示所拍摄物体轮廓、结构。

3）飞行器采取高效快速的操作系统，机动灵活，运行方便，拍摄或测量运行周期短。

4）设备组装及携带简便，人工成本较低；飞行安全系数相对较高，更灵活机动。对文物建筑非接触的摄影测绘，既不会破坏建筑本身，也降低了外业强度[1]。而且随着拍摄器材和测量仪器等的发展进步，航测数据可以更方便、高效地满足古建筑测绘等需求。

4 两种常用无人机航拍性能比较

目前民用航拍无人机主要分为固定翼与旋翼机两大类，而旋翼机又主要分为传统直升机和多旋翼飞行器，二者飞行原理大致相同，但近年来多旋翼飞行器迅速发展渐成主流。

4.1 旋翼机

多旋翼飞行器又称多轴飞行器，属于旋翼式无人机的一种，其自重较轻但强度高。[2]与传统直升机相对复杂的主体及传动装置相比较，多轴飞行器结构相对简单，没有传动装置。

4.1.1 结构组成

目前，多轴航拍飞行器主要由动力载机、云台、拍摄器材、遥控器及图像传输系统组成。

动力载机——即多旋翼飞行器本体，主要由电机、电子调速器、飞行控制系统、机架及动力锂电池组成。

云台——拍摄器材的稳定器，其作用在于使拍摄器材在飞行过程中保持水平稳定，避免飞行器在飞行过程中产生的震动和晃动对拍摄的不良影响，保障稳定的拍摄效果。

拍摄器材——拍摄器材种类很多，可以是相机，也可以是专业的摄像机等。目前最为流行微型拍摄器材非GOPRO莫属，主要因为其具有体积小巧，画质清晰等优点，对于载重量较小的飞行器，它的优势相当明显；但如果对拍摄画质有更高的要求，可能就需要佳能、索尼等更为专业的品牌拍摄器材了。

遥控——是运用遥感技术对飞行器的飞行轨迹和姿态远程控制，起到变换拍摄视角、调整视频构图的作用。

图像传输系统——主要包括图像发射、接收和地面显示器，可将飞行器拍摄的画面实时地传回地面，以便操控者对飞行器实时监控，及时调整拍摄轨迹、飞行器姿态。

4.1.2 飞行原理

多轴无人机的飞行原理在于通过遥控系统给飞行器发出指令，由飞行器上搭载的接收器接收后传送给中央控制系统，转换成电机的转速调节信号，再将这些信号传送给电子调速器，从而调节多个动力输出电机的转速，以改变旋翼所产生的扭矩和升力，达到稳定机身和控制飞行方向的目的。除了手动发出指令操控飞行器之外，飞行器还可以通过飞行控制系统内自带定位系统自主飞行，通过GPS、高度仪、航向传感器等精密设备实现自主起降，改变飞行高度和飞行路线[3]。

4.1.3 主要特点与应用领域

多轴飞行器最主要的特点在于垂直起降，可悬停，飞行灵活。在视频、照片拍摄方面，多轴飞行器可在低空环境下灵活控制，拍摄角度多变，并能够做到精确悬停，定位拍摄，结合参照物定位和远近景物对比等手法，拍摄效果将达到最佳。而且，飞行器本身的优势在于受天气影响较小，通过调整拍摄器材的光圈和感光度，或后期软件调整光线和消雾处理，即使在阴天或轻雾天也能达到良好的拍摄效果。显然，多轴飞行器对复杂的地理环境、天气有很强的适应性。

多轴飞行器的发展趋势是更加智能化和载重量越来越大，作为良好的空中搭载平台，更多应用于救灾、农业播种、工程测绘等领域。

4.2 固定翼飞行器

4.2.1 结构组成

固定翼航拍无人机主要由动力载机、云台、拍摄器材和图像传输系统组成。

固定翼无人机的动力载机包括机身、电机、电子调速器、舵机、电池、飞行控制系统。而云台、拍摄器材以及图像传输系统的组成与功用与多轴飞行器大致相同，不同的是由于民用固定翼无人机载重量有限，目前只能搭载如GOPRO、卡片机之类体积小、质量轻的拍摄器材；另外，由于固定翼无人机可以滑翔飞行，航程比旋翼机大大增加。相应地，固定翼需要支持更远距离的图像传输系统。

4.2.2 飞行原理、主要特点与适用范围

目前，固定翼航拍除了一些专业的航测队伍运用无人机搭载专门研制的拍摄器材测量和拍照，民用固定翼航拍无人机FPV（FIRST PERSONAL VIEW）——第一视角飞行占绝大多数，其航拍也是在第一视角飞行的同时起到记录作用，出现这种现象的主要原因是：

1）飞行时机身晃动幅度较大，与之配套的云台调节能力有限，导致镜头在飞行过程中除了滑翔时较为稳定，机动飞行时晃动较为明显，可用的视频素材较少。

2）载重量有限，对拍摄器材限制较大。

3）无法悬停，只能掠过式拍摄，复杂的拍摄构图是无法实现的——固定翼能实现的拍摄角度，多轴飞行器都是可以完成的，但反之则未必可行。

5 结语

从视频拍摄的稳定性和画面质量等要求出发，选择多轴无人机小范围、短距离地航拍古建筑、村镇民居聚落等渐成主流。但其续航能力只有几分钟至多二、三十分钟，而可以无动力滑翔的固定翼飞行器续航时间长达几个小时，飞行距离远至近百公里，二者比较相差悬殊,显然固定翼无人机更适用于大范围、远距离的城市景观、山区公路的航拍、航测以及灾情监测等领域。

［1］李严，李哲，张玉坤.建筑摄影测量系统及其应用案例[J].新建筑，2010,05：130-135.

［2］田卫军,李郁,何扣芳,刘恒,殷锐.四轴旋翼飞行器结构设计与模态分析[J].制造业自动化,2014,04：37-39.

［3］江斌,孙志锋.四旋翼飞行器自主航行的设计[J].电子技术,2012,02：10-12.