航拍无人机的“秘密”

丁厚文

摘 要：科学技术飞速发展，航拍无人机离我们的生活越来越近，已经渗透到影片制作、城市管理、消防救援等诸多领域。本文将用通俗易懂的语言对航拍无人机的组成系统、行业应用和未来展望进行简要分析。

关键词：航拍无人机; 行业应用; 未来展望

中图分类号：TB22           文献标识码：A          文章编号：1006-3315（2019）11-022-002

自古以来，人类就想像鸟儿一样在空中展翅自由翱翔，俯视人间美好的一切。14世纪末期，明朝士大夫万户坐在绑了47个自制火箭的椅子上，双手举着两只大风筝，点火发射，用生命开启人类的飞天梦想。1902年莱特兄弟成功制造了第一架飞机， 首创的飞行控制系统，至今仍被应用在所有的飞机上。尽管如此，时至今日人们在空中俯瞰大地仍需一笔不菲的费用，起飞与降落也要受限。于是，无人机诞生了。

无人机的种类按机翼形式分主要有两种，固定翼无人机和多旋翼无人机。固定翼无人机在军事侦察、固定目标打击等领域起到巨大作用。而多旋翼无人机已与人们生活息息相关，在航拍、救援、农业、电力巡查等方面必不可少。平日里与我们关系最为紧密的就是航拍无人机了，无论是新闻报道的航拍画面，还是电影中炫酷的航拍镜头都已成为一大亮点，航拍无人机是怎样工作的？今天我们就揭开航拍无人机的面纱。

简单归纳，航拍无人机主要有以下几个系统组成;飞行控制系统、动力系统、拍摄系统、通信系统。

一、飞行控制系统

飞行控制系统（Flight control system）简称飞控系统，是航拍无人机的核心，担负着无人机飞行及安全的保障作用，该系统可以视为无人机的大脑，也可理解为一名资深的飞行员。飞控系统的传感器主要有用来确定机头方向的指南针，用来感知姿态的陀螺仪，用来定位的GPS，还有用来确定高度的气压计，再加上飞行控制系统的算法，从而使飞机安全稳定的飞行。

飞控系统在无人机起飞前，会进行一系列的飞前准备工作。包括指南针的校准;确定机头的朝向;搜索GPS信号或者使用视觉定位确定飞机的位置;通过气压计，确定无人机的初始高度。飞控系统经过厉兵秣马，确保无人机飞行的万无一失。

起飞后，无人机根据操作人员通过遥控器发出的指令，进行上升下降、左旋右转等操作。如遇到恶劣天气，超过飞控系统调整范围，无人机也会失控坠落（俗称炸机），这就建议操作人员在风大及气流不稳定的地方，谨慎飞行。

然而在一些室内航拍中，没有GPS的定位，无人机是怎么实现精准的悬停呢？新一代的航拍无人机，在室内无GPS的情况下也能通过机身自带的避障摄像头，通过强大的飞控系统算法，运用光流法计算无人机的漂移，飞控系统则不断修正，保证无人机能稳定悬停。

二、动力系统

航拍无人机一般是由四旋翼组成的十字型结构，在十字型结构的四个端点分别安装桨叶，每个旋翼上则安装一个电机，通过控制电机的转度，实现各种飞行姿态。

悬停，是多旋翼无人机具有的一个显著的特點。在悬停状态下，产生的上升合力正好与自身重力相等。通过飞控系统不断检测其因受环境气流等影响而产生的漂移，实时进行修正，保证无人机在空中实现精确悬停。

上升及下降，是无人机飞行状态中较为简单的一种，当同时増加四个旋翼转速时，使得旋翼产生的总升力大小超过无人机的重力时，即上升;反之，当同时减小旋翼转速时，使得每个旋翼产生的总升力小于自身重力时，即下降。

前进和后退（向左和向右同理），前进时，通过机头桨叶转速下降，使得推力下降，无人机机头向前倾斜，机尾桨叶高于机头，无人机在水平方向上形成前低后高的姿态，使得无人机向前运动。后退时，机尾桨叶转速下降，使得无人机在水平方向上形成前高后低的姿态，使得无人机向后运动。

无人机的动力系统，是有一块随机携带的电池提供动力，飞控系统根据飞行距离及高度，预留好返航电量。在飞行过程中，实时检测电池电量，当检测到电池电量低于操控人员设置的提示电量时，发送报警信号提示操控人员准备返航。当电量低于系统预留返航电量时，触发自动返航，无人机将根据起飞时记录的返航位置，自动返航。行业用户配置的电池都比较大，飞行时间较长。

三、拍摄系统

航拍无人机的拍摄系统主要由拍摄头和云台组成。

航拍无人机在飞行过程中，不可避免会带来各种震动，这就会给拍摄造成困扰，导致拍摄的图像抖动。但是我们在电影中看到的航拍镜头，画面都十分平稳，这是为什么呢？设计者为了解决这个问题，一般航拍无人机都会搭载三轴稳定系统，利用云台内部电机的运转保持平衡，抵消外界带来的震动，相机便可在各种飞行姿态下，始终保持相对于地面平稳。

四、通信系统

航拍无人机的通信系统有两个部分组成，一个是传送航拍图像信号的图传系统，另一个是飞机控制通信系统。

1.图传系统

为了能实时看到所拍的画面，航拍无人机采用三种技术进行图像传输，Wife图传、数字图传、模拟图传。通过2.4Ghz/5.8Ghz频段实时传回低码流的图像信号以便人们能够精确构图及监控无人机状态及位置。Wife图传一般用于低端无人机上，因为Wife是双向传输，在确认一个数据包传到后才会传送下一个数据包，因此干扰比较严重时，恢复信号较慢，时延较大，很容易出现卡顿现象。数字传输是单向传输，Wife图传的缺点基本都已解决，恢复信号较快，时延较小，有更高的码流，广泛用于高端的无人机上。模拟图传常常用于穿越机上，画面质量较差，但是基本上可以做到“零时延”，对飞手操控飞机的精确度有很大的帮助。

2.飞机控制通信系统

航拍无人机在空中，任何动作，都是靠飞手通过遥控器给飞机发送指令，无人机接收到指令后，做出相应的动作。无人机在起飞后，实时的垂直高度和水平距离、飞机的飞行姿态、电池的电量等，通过天线实时传送给飞手的遥控器中，并在终端上显示，以便飞手更好的控制无人机。

●航拍无人机的黑科技

避障系统，通过安装在机身上双目摄像头或者红外线距离感应器，实时检测周围阻挡物，发出警告，通知控制人员采取措施。若控制人员未采取有效避障措施，飞控系统将无人机悬停或者自主绕开障碍物。

如今无人机飞行时所产生的噪音也备受关注，设计者已经通过改变螺旋桨的形状或其他方面降低飞行时的噪音。笔者认为无论如何改变螺旋桨的形状，只要转动都会产生噪音，可以考虑用声波相互抵消解决这一问题，这也必将成为无人机未来研究的方向。

●航拍无人机的行业应用

从高成本到低成本更加方便灵活的航拍，现已经逐渐走入千家万户，不少摄影爱好者和视频工作者都已经将航拍元素加入自己的视频创作之中。因为航拍无人机体积较小，携带方便，可以靈活穿梭于街巷之中，如张艺谋导演的《影》不少镜头都是无人机在房屋间穿梭拍摄的。

在救援方面，航拍无人机可搭载热成像摄像头与光学变焦摄像头，在茫茫冰川或山谷中，比起人力和直升机搜寻被困人员要更省时省力，也同时大大节约了救援成本。另外，无人机测绘比传统的人工测绘更加凸显优势，工期短精度高费用低。运用无人机的3D建模技术建立起来的模型更加真实、直观，符合实际。今年山西大同悬空寺用无人机建立高精度实景三维模型获得成功，推动了文物的研究分析与技术保护。

●航拍无人机的问题与未来展望

虽然，航拍无人机飞行十分灵活，可稳定悬停在空中，亦可向各个方向飞行。但是，空气推力飞行也有很多缺点存在，机身和负载的重力都是空气提供的推力，而不是像普通客机升力是由压强差提供的。因此，航拍无人机飞行效率低下，飞行时间也较短。同时，气流的不稳定也极易导致无人机姿态变化，严重时会造成失控坠落。飞行事故频发，无论是撞到高楼还是树木，抑或是失控下坠，对人的伤害或者对生态的危害都是很严重的，针对这一情况一部分厂商已经对机场进行了禁飞的划分，这是为了防止危害民航安全。国家为了加强无人机的管理，在深圳已经进行无人机管理的试点，飞手在飞行之前需要报备飞行计划，所有无人机都应通过手机接入网络，管理机构能实时看到无人机目前的高度和起飞地点。

未来，无人机可以使用低成本的雷达感知环境障碍，避免撞到障碍物，更稳定的飞控算法也能使无人机更安全，相关政策的落实也使得无人机更加规范。城市建设与发展让无人机更加深入到城市管理，交通巡查，消防救援，能源巡检，环境监测，三维建模等诸多方面。也许，未来天空中的无人机就像今日的汽车一样，更有序、更规范地运行，究竟是什么样的谁也不知道，就让我们一起期待吧！