Trimble UX5无人机航测关键技术研究

聂相田, 田静, 王博, 范天雨

(1.华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046; 2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心,河南 郑州 450046;3.河南省水环境模拟与治理实验室,河南 郑州 450046; 4.华北水利水电大学 管理与经济学院,河南 郑州 450046)

航空测量技术是一种在空中通过飞机上的摄像机对地面进行连续拍摄,结合地面定位系统,获得地面影像数据及地形数据的测量方法[1]。我国的航空测量始于1931年,由浙江省水利局航测队与德国测量公司合作,对钱塘江支流浦阳江的一段河道进行了航测。中华人民共和国成立后,航空测量得到了飞速发展,但大都是通过拍摄的影像进行模拟得到地图数据,其成果主要用于地图的绘制[2-4]。直到20世纪60年代末,国际上的摄影测量技术实现了从“模拟到解析”的过渡后,航测技术的应用逐渐细化,在城市规划和建设中起到了积极的作用。21世纪后,随着高精度数码摄影仪器的出现以及民用无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的快速发展,一种搭载高清摄像设备的低空无人机航测系统逐渐受到关注。

低空无人机航测系统与以往的航测系统不同,其飞行作业高度不高,一般为100～1 000 m,配合高精度摄像设备,更易获得高精度平面及高程影像数据,更易进行二维及三维的数据分析;其外业测量设备操作简单,对场地要求低,机动灵活,获取影像数据的实时性较强,能够满足各个层面的用户需求,可为现代社会信息化建设提供强大助力[5-11]。Trimble UX5航测无人机是一种高精度固定翼无人机,包括机体、动力装置、飞行控制系统及导航子系统。它搭载的高精度Sony-A5100相机及定制的15 mm定焦福伦达镜头,能在不同高度时获得地面的高精度影像数据,适应性较强。

但在航测工作过程中,由于工作环境及任务的要求不同,经常会出现各种不同的技术问题。如Trimble UX5无人机在航测作业过程中出现的各种技术问题包括：冬季电池由于低温引起效能下降;标靶在航测过程中遗失导致后期数据处理失败;测绘区域多变的地形条件出现像控点坐标测量困难;无人机起降点选取不当造成飞机损伤;无人机在起飞前未检测电机状态,可能由于电机故障导致起飞失败造成的飞机损伤;当地形复杂、信号微弱时,飞机可能失联等。本文通过研究,提出了无人机设备系统的配置和设计方法、多种无人机操作技术流程。这些无人机关键技术的研究,可推动无人机在测绘领域的技术发展。

1 无人机电池冬季保温技术

1.1 问题阐述

为了保证航测无人机充分的续航能力和足够的推进加速度,Trimble UX5无人机以锂电池作为提供能源的动力系统。锂电池相较于等体积的蓄电池具有电压更高、容量更大的优势;同时,锂电池内安装有充电保护板,使充电更安全、更环保。但是,目前的电池技术具有如下局限性：在冬季气温过低的情况下,电池电量自损耗较快,甚至有时当无人机刚爬升到巡航高度时,电量几乎损耗殆尽,威胁到无人机航测时的安全作业。因此，需要采取措施使电池在使用前保持常温,减少其电量的自损耗。

1.2 解决思路

为了避免无人机在冬季进行航测任务时因电量自损耗过大而被迫降落,针对Trimble UX5航测无人机的电池设计了保温盒。利用保温盒盒体及保温装置,保证电池在使用前处于恒温,减少电池电量的自损耗,为无人机航测作业提供足够电量。

1.3 技术详述

专门针对Trimble UX5航测无人机电池设计的保温盒结构如图1所示,保温板1结构如图2所示,电池槽结构如图3所示,保温板2和盒盖如图4所示。

图1 保温盒结构示意图

图2 保温板1结构示意图

图3 电池槽结构示意图

图4 保温板2与盒盖示意图

电池保温盒包括电池盒体和设置于电池盒体内的保温装置。电池盒体包括放置电池的盒槽和与其连接的盒盖。电池盒体上设有保温装置,保温装置包括保温板1、保温板2。保温板1为聚苯乙烯挤塑板,是经由特殊工艺连续挤出发泡成型的材料,其表面形成的硬膜均匀平整,内部完全闭孔发泡连续均匀,成蜂窝状结构,具有良好的隔热、吸水、保温、抗压、阻燃和耐磨性能,在浸水条件下仍能完整地保持其保温性能和抗压强度。保温板2为泡沫玻璃板,由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等经过细粉碎和均匀混合,再经过高温熔化发泡、退火而制成的无机非金属玻璃材料,具有质轻、防火、防水、无污染、不燃烧、寿命长等特点,能起到防火、防震、保温的作用,经久耐用。两块保温板均设置于电池盒体的内部。保温板1设置在盒槽内,其上设有电池槽(矩形凹槽),槽深小于电池厚度;通常设置一组或多组电池槽,多组电池槽平行设置于保温板1上。保温板1和盒盖之间设有保温板2,保温板2与盒盖之间还设有起密封作用的橡胶圈,盒盖和保温板上均设有供电池连接线通过的通孔,通孔可设置为一组或多组，并与电池槽相对应,以满足无人机的供电需求。保温板1与盒槽的开口处之间还预留了便于电池取用的安装距离,以防使用时电池间的相互碰撞。盒盖与盒槽一侧相连,另一侧通过搭扣连接,通常设置一组或两组搭扣[12]。

使用该电池保温技术,通过电池盒体和保温装置的设置,可减少无人机电池电量因冬季室外气温较低而造成的自损耗,为无人机航测提供足够电量。

2 特殊地形区域像控点坐标测量方法

2.1 问题阐述

Trimble UX5航测无人机作业时需在航测区域内均匀布置多个像控点,因此，在航测作业前,需精确测量标靶点的坐标。标靶点坐标的测量多采用RTK定位技术,结合GPS观测数据,定位点的坐标值。在特殊地形区域进行像控点坐标测量时,面临的主要问题为：在房屋密集区域内测量时,由于建筑物数量多、高度大,且房屋周围无线电信号源众多,易对设备产生信号干扰,甚至导致无法接收卫星信号;在山区测量时,山区高差较大,森林茂密,地形复杂,空旷地区较少,对测量设备信号遮挡严重。

2.2 解决思路

2.2.1 房屋密集区域像控点坐标测量

为避免高大建筑物遮挡测量设备的无线信号,应选择测区内较高建筑物的天台架设GPS基准站,并确保天台无过多障碍物和附近无卫星天线等易干扰测量信号的无线干扰设备。布置像控点时,一方面要符合布置原则,均匀分布于整个测区;另一方面,需选择区域内较为空旷且具有明显特征的场地,既可避免坐标测量时的信号干扰,也便于后期拼图时像控点的识别。房屋密集区域像控点固定解的测量分为直接测定和非直接测定,前者是基于基站信号较强的情况下直接测定的,后者是基于基站信号较弱的情况下通过调节基站电台为高功率模式或切换至网络模式的情况下进行精确测定的。采取该方法有利于在房屋密集区域内高效快速测定固定解,同时提高数据精度。

2.2.2 山区像控点坐标测量

为避免茂密树木遮挡测量设备信号,选择测区内较高且易于攀登的山,在山顶处寻找一块较为空旷平坦、无过多卫星天线的地点架设GPS基准站。布置像控点时,一方面要符合布置原则,均匀布设在测区内;另一方面要尽可能选择较为空旷平坦、没有高大树木的场地,既可避免航拍时像控点被遮挡,便于后期拼图时像控点的识别,也可避免坐标测量时的信号干扰。山区像控点固定解的测量也分为直接测定和非直接测定。前者是基于基站信号较强的情况下直接测定,后者是基于基站信号较弱的情况下通过调节基站电台为高功率模式或切换至网络模式的情况下进行精确测定。采取该方法有利于在山区区域内高效快速测定固定解,同时提高数据精度[13-14]。

2.3 技术详述

为在特殊地形区域顺利测量像控点坐标,提高无人机外业航测效率,提出了一种特殊区域内无人机航测像控点坐标测量方法。其操作步骤如下：

1)架设GPS基站。在房屋密集区域内,寻找规定飞行区域内较高建筑物的平台架设GPS基站,同时要保证平台周围无障碍物和干扰信号,搜索到卫星信号后至少与6颗卫星对接。在山区区域内,选择测区内较高且易于攀登的山,在山顶寻找一块较为空旷平坦、无树木且无干扰设备的场地,将GPS基站架设于该处,搜索卫星信号,并至少与6颗卫星进行信号对接。

2)打开无人机手部设置的固定解模式,开启移动站,将无人机与架设好的GPS基站对接。

3)测量,包括地形测量和像控点测量(仅用于山区测量,在房屋密集区测量时忽略此步骤)。在无人机测区内任意选择多个点位,对每个点位编号,并且保证任意相邻两个点位之间无过多杂物。使用校正过的钢尺对相邻两个点位沿连接线进行往返测量,将相对误差控制在1/4 000～1/3 000。测量连接线转折角的左角和右角的角度。将测量的数据整理后,对截取影像进行纠正,并生成AutoCAD数字化影像,然后通过Erdas Imagine软件将其转化成光学影像备用。基于光学影像确定山脊线和山谷线,并在山脊线和山谷线上选择多个点位,采用GPS对这些点位进行测量并采集坐标数据。将各位点的数据转化为光学影像后进行拼接、图边角拟合和编辑处理,形成一整幅区域内的影像图形,并用光学影像进行校核。

4)根据测量数据,校核预先设置于规定飞行区域内的至少3个像控点,完成校核后将其坐标转换为当地坐标。设置像控点的具体方法：当地面监控站监测到无人机到达像控点采集区域后,根据包含像控点采集区域的遥感影像和无人机传回的像控点采集到的视频图像确定像控点的准确位置。

5)测定固定解。将GPS移动站移至完成校核的像控点位置进行测量,并以像控点为圆心、半径为10 m的范围内寻找GPS基站信号,对接后测定固定解。若基站信号很弱,无法测得像控点坐标的固定解,则将GPS基站电台调节为高功率模式,并将移动站与GPS基站信号对接后测出固定解。若调节为高功率模式后仍然搜索不到基站信号,则将移动站切换为网络模式,移至其中一个像控点进行校核并查看偏差。如果偏差大于正常范围值,则校核该点,校核完成后移至下一个像控点测量并再次查看偏差,直到测量偏差符合精度要求,才可进行像控点坐标的测量。

6)测得固定解后,将标靶移至有固定解的测点位置,读取该像控点的坐标。

通过上述步骤,即可解决航测无人机在房屋密集区和山区内测量像控点坐标面临的技术难题。这不仅避免了测量设备受其他设备信号或障碍物的干扰,同时可以加快无人机标靶的铺设,节省像控点坐标测量的时间,在山区还可节省人力耗费,从而提高无人机外业作业的效率。

3 山区起降点选取方法

3.1 问题阐述

Trimble UX5航测无人机起降时要求位于至少长50 m、宽30 m的平坦场地,如四周空旷、相对柔软且无石块等硬物的土地、田地,尽量避免在水泥路面硬着陆,以防无人机在起降时因碰撞而损毁。但在具体实施测绘任务时,通常遇到的是较为复杂的地形条件,无法保证起降所需的大面积空旷平坦场地。尤其在山区中,一方面山区地形环境复杂,多有山崖峭壁和茂密森林,寻找一块可保证无人机安全起降的空旷地点极其不易,工作人员携带沉重仪器、漫无目的地找寻会浪费大量的时间和人力,增加无人机航测成本,同时山谷间的大风也会对无人机的安全起降产生威胁;另一方面,现有的起降点选取方法只是无人机航测算法的一部分,无人机在起飞和降落时对于安全起降区域的选取,没有比较紧密的逻辑算法做支撑,即使是进行了严谨的实地考察勘测和测区地图标识,还是很容易造成选取误差,进而导致无人机起降时损毁。目前还没有专门针对固定翼类型无人机的起降点选取方法,无法保证固定翼无人机在山区安全精准起降并顺利完成航测任务。

3.2 解决思路

在山区选择起降点时,首先应查询测区地图,先确定备选区域,再根据选取原则选择不同的起降备选区域；然后对每个起降区域进行实地考察、测量、计算,并规划出每个起降区域内适合安全起降的地点；再通过专门针对Trimble UX5固定翼无人机山区起降点的选取算法择优选取起降区域,初步确定若干个起降点,并将其标注在测区地图上；最后再次进行续航实地考察,选择最佳起降点。完成上述操作后,方可进行无人机外业作业任务。

3.3 技术详述

为确保无人机在山区测区内安全、精准起降,降低起降误差和航测成本,可进行如下操作。

1)进行内业操作准备时,查询测区地图,在测区地图中选取若干处地势相对平坦空旷,四周无较高山崖或峭壁、茂密森林等其他障碍物、硬物的开阔地带,作为起降备选区域。选取原则如下：

若山区测区面积较小,并且与平原接壤,则选择测区外相对海拔低于750 m的山峰的山脚或测区附近的农田、草地,作为起降备选区域,同时保证起降区域的长度均大于50 m、宽度均大于30 m。

若山区测区面积较大,航测时间超过了无人机的续航能力,则放弃从外围飞入进行航测,选择测区内的空旷地点作为安全起降备选区域;同时保证起降区域的长度均大于100 m、宽度均大于50 m。可优先寻找两山间的山谷地带,寻找谷底内长度合适的空旷平地,并将之作为起降备选区域。若山谷中无满足条件的平地,则顺着山体寻找,在山腰或者山顶寻找平坦场地,并将之作为起降备选区域。

若测区附近无空旷平地,则选择较为空旷的山腰或者山顶等地点作为起降备选区域。

2)选择多个适合无人机安全起降的区域后,对每个起降区域进行实地考察、测量、计算,并规划出每个起降区域内适合起降的地点,通过选取特定算法择优选取起降区域,并初步确定若干个起降点。

3)在测区地图上将确定好的若干个起降点进行标注,再次进行续航实地勘察,进一步选择最优起降点,确保最优起降点的高差小于25 m。注意：最优起降点的高差每增加1 m,则无人机降落时会向前多飞行10～20 m。准备就绪后进行无人机的安全起飞和降落。

3.4 校正算法计算步骤

1)定义较优起降区域标准常数为a0,较优起降区域的个数为N,每个较优起降区域内适合安全起降的起降点个数分别为n1、n2、…、nN,最优起降点的总个数为n;其中,较优起降区域、最优起降点均受气候和风向的影响。

2)选取最优起降点的计算公式为：

(1)

3)进行实地考察、测量,记录N、n1、n2、…、nN、n等数据,在保证满足A≥B选取条件的情况下,确定最终的每个最优起降点的具体方位,并将其标注在测区地图上,然后进行测区地图实时更新和航测更新提醒。航测更新提醒包括语音提醒和红外图像提醒。

3.5 实例分析

3.5.1 测区外起降

测区外起降地点如图5所示。由于测区面积较小并且山区一侧与平原相连,测区半径小于无人机最大航程,故进行如下操作：选择附近相对平坦开阔的农田,如图5中的地点1与地点2,东侧靠山,西接平原,且长度大于50 m,宽度大于30 m。在航测东侧山区的地形时,应根据起飞时的风向选择地点1或者地点2作为起降点。地点1中部有一条东西向的小路,由于无人机需迎风起、迎风降,当起飞时风向为西风时才可选择地点1。若风向为东风时,由于东侧为山区,朝向大山起飞有较大坠机风险,不建议进行航测任务。若起飞时主风向为南风或北风,均可选择地点2作为起降点。

图5 测区外起降地点图

3.5.2 测区内起降

测区内起降地点如图6所示。由于测区面积较大且四周无适合起降的平原,无人机无法从测区外起飞进入测区完成航测任务,故进行如下操作：选择测区内长度超过100 m、宽度超过50 m,且平坦无河流、碎石等障碍物的区域,如图6中的地点3作为起降点,这类点位于狭长山谷中,西侧山峰较为平缓,东侧陡峭。由于山谷中往往风力较大,容易造成无人机坠毁,为确保无人机的起降安全,需在3级风以下的情况下谷中才可实施起降。根据风向可选择在地点3的东部或者西部起降,并且保证无人机起降时的转弯和盘旋地点在山谷略偏西的上空。地点3的西侧山地,仅适合冬季无人机的起降,因为冬季时河道干涸或流量小,谷底较为干燥,不会损坏无人机。若在春夏雨季,河道水流充沛,存在无人机坠入水流的安全隐患,此时谷底不可进行无人机的起降,应沿着山体另寻无人机的起降点,如图6中的地点4。地点4位于山谷西侧山峰的山顶,地势较为平坦,无山崖峭壁、茂密森林,也无较大石块,适合无人机的起降,但山顶往往风势较大,在起飞前需借助风速仪等设备监测风速才可决定能否进行航测作业。因此，考虑到风向、风力、风速等天气条件的影响,更新最优起降点选取公式为：

(2)

更新后的选取公式,减少了无人机选取较优起降区域、最优起降点的个数,去掉了临界处的风险点,从而保证了在山区测区环境较不理想时选取算法的高效性、安全性和可靠性。但需要注意的是,在山区作业时,一定要重视起降点的高差,高差每增加1 m,无人机降落时会向前多飞行10～20 m。

图6 测区内起降地点图

上述固定翼无人机山区起降点的选取方法具有良好的普适性,适用于型号为Trimble UX5等同类型的固定翼航测无人机,能够在地形复杂的山区快速精准地选取最优起降地点,实现安全高效、高精度、易控制的无人机起降,提高固定翼无人机航测精度,确保无人机的安全起降,降低无人机的航测成本。

4 标靶设计及布设方法

4.1 问题阐述

像控点布设是无人机正射影像制作的重要环节,也是外业过程中成本投入较大的部分,像控点布设所用靶标的设计尤为重要；然而现有像控点布设的靶标结构过于简单,且对布设点的环境要求较高,标靶布设若不提前规划,外业人员仅依靠大致判断进行像控点布设,可能会导致像控点在测区内分布不均匀,或无法识别。

4.2 解决思路

为了能够合理布设像控点标靶且便于无人机进行航测任务时准确定点,顺利完成后期拼图和内业数据处理作业,需要一种能使外业人员快速、高效铺设像控点的标靶和布设方法。这种标靶由标盘和与其连接的可拆卸支撑座构成,可以通过不同的组装方式,在工作现场拼装出适合现场情况的靶标。这种标靶的布设方法是：预先下载所选测区范围的地图,在其外侧绘制矩形临界区块,并在区块的4个顶点处分别布设一个临界像控点;在测试风向、风速后,将测区划分为若干矩形区块,在各个区块内分别预设像控点,再通过地图软件和现场考察找寻预设像控点附近空旷、交通便利的地点,铺设这种无人机专用的靶标,并测得该点的坐标。

4.3 技术详述

4.3.1 标靶结构

该标靶由标盘和与其连接的可拆卸支撑座构成,其整体结构如图7所示。

图7 标靶整体结构示意图

标盘为圆盘状,被均匀分隔成4个扇形区域,黑白色相间布置,白色区域上粘贴警示标牌和项目信息显示标牌,其结构如图8所示;标盘侧壁上沿周向开设3个卡槽,外侧设置3个与卡槽匹配的三棱柱状连接块,并与标盘相连后形成一个三棱柱状结构。

支撑座包括支撑柱、夹持机构和若干个支腿。支撑柱顶端与标盘连接,内部设置有两个轴承,与支撑柱内壁固定连接,内侧穿设有外套筒。外套筒一端与轴承内圈相连,另一端从支撑柱底端穿出后向外侧延伸,并在延伸段上沿母线方向开设有滑槽Ⅰ。外套筒在位于滑槽Ⅰ的位置处分别开设有与滑槽Ⅰ连通的滑槽Ⅱ和滑槽Ⅲ,两者间平行设置,如图9所示;外套筒内穿设有可在其内上下滑动的滑动轴,滑动轴外壁上设置有可在滑槽Ⅰ内滑动的挡块,挡块在滑槽Ⅰ内滑动的过程中可卡入滑槽Ⅱ或滑槽Ⅲ内以实现对滑动轴的固定。滑动轴的一端设置在外套筒内,另一端设置在外套筒的外侧。外套筒在延伸段的外壁上设置有沿周向均匀分布的若干支腿,支腿包括弧形套筒、调节柱和底板。夹持机构设置在滑动轴远离标盘的一端,夹持机构包括固定轴、水平连杆和竖直连杆。

图8 标盘结构示意图

图9 外套筒结构示意图

滑动轴、支腿、夹持机构等的结构分别如图10、11、12所示。标盘、连接块Ⅰ、连接块Ⅱ的连接关系如图13所示。

图10 滑动轴结构示意图

图11 支腿结构示意图

图12 夹持机构结构示意图

图13 标盘、连接块Ⅰ、连接块Ⅱ的连接关系

4.3.2 标靶布设的具体步骤

1)在谷歌地图上圈定1个呈矩形的测区范围,将该测区范围的地图导入Trimble UX5航测无人机专用配套软件中,并下载该测区范围的地图。

2)在测区地图的外测绘制1个呈矩形框状的临界区块,并在临界区块的4个顶点处分别布设1个临界像控点;查询该测区范围的天气预报以获得外业工作时的风向和风速,并输入到无人机专用配套软件中;根据无人机上显示的续航情况,将测区范围的地图均匀划分为若干个矩形飞行区块,每个飞行区块的长度为a,宽度为b,保证b≤a≤2b。临界区块与飞行区块的分布如图14所示。

3)在每个飞行区块内预设像控点。在飞行区块的4个顶点和中心位置处分别布设1个采样像控点;在位于飞行区块左半部分的区域内绘制1条斜率大于2a/b的直线,并在直线两侧均匀布设若干个像控点;在位于飞行区块右半部分的区域内绘制一条不规则的曲线并在曲线的两侧均匀布设若干个像控点。飞行区块内的像控点的分布如图15所示。

图14 临界区块与飞行区块分布示意图

图15 飞行区块内的像控点分布示意图

4)将预设的临界像控点和预设的像控点从电脑上导入至移动设备中,运用移动设备上的地图软件打开。

5)外业人员通过地图软件寻找考察每个预设的像控点。

6)根据外业的实际情况,在预设的像控点附近寻找空旷、交通便利的地点铺标靶,并测取该点的坐标。

使用这种分区域圆形可拆卸标靶,可有效解决现有布设方法中存在的问题,提高了航测的精度。该标靶4个扇形区域的颜色黑白相间,可以快速、高效、准确地识别标靶中心点,提高布设效率和拼图效率;同时,分别设置于两个白色区域上的项目信息、警示标志,可以防止非工作人员随意挪动标靶。该标靶可以拆卸并拼装成不同形状,便于携带且能够在不同坡度的现场进行铺设,适应性强。由于在飞行区块的外侧设置了临界区块,并在临界区块的4个顶点处分别布设了临界像控点,可以防止出现采样像控点因照片不清晰、被人为挪动等导致不可用的情况;每个飞行区块内布置的多个像控点,又进一步确保了航测作业的精度。

5 马达测试装置及测试方法

5.1 问题阐述

固定翼无人机采用弹射起飞,经弹射架加速起飞后,螺旋桨高速旋转,提供动力。无人机起飞时,可能因服务器与传动杆间的摩擦过大、弹绳弹力不足、机械故障、人员操作失误等原因导致起飞失败,在弹射后坠机;也可能由于高速旋转的螺旋桨击打在地面或者其他物体上造成螺旋桨桨叶击断,甚至导致电机的非正常停转。若不经过检验便进行下一次飞行,很可能会导致飞行事故,严重时会造成人员受伤、无人机损毁等重大损失。而且,固定翼无人机在进行航测作业时飞行的区域较为广泛,尤其是在野外作业时,一旦出现突发状况,在缺少专业检测工具的情况下对电机的状态实施检测尤为重要。因此,研究一种用于野外的航测无人机马达测试装置及测试方法,便于在起飞前快速对固定翼无人机的电机进行有效检测,可减少无人机飞行事故的发生。

5.2 解决思路

这种用于野外的航测无人机马达测试装置通过使航测无人机旋转,给予空速管一定的风力,使空速管内的感应器接收到空气造成的压力,从而通过观察电机是否会随空速的改变而改变转速,以此来判断电机是否完好,避免无人机在飞行作业时因电机受损停转而导致坠机事故。

5.3 技术详述

用于野外的航测无人机马达测试装置,包括旋转杆、锥形套筒和机翼固定件。连接杆下端插在锥形套筒中的圆柱孔内,机翼固定件包括两对环形弹性带和固定桩,均设置在旋转杆两端,固定桩为T字形。微型测速仪安装在不可伸缩连接杆上。马达测试装置使用时的主视图如图16所示,收纳后的侧视图如图17所示,俯视图如图18所示。

具体操作步骤如下：

1)拆除航测无人机螺旋桨,按照手部提示进行飞行前的正常准备和检查工作：连接航测无人机手部的调制解调器及电池,完成手部与航测无人机E-Box的对接,并关闭航测无人机有效荷载仓。

图16 马达测试装置使用时的主视图

图17 马达测试装置收纳后的侧视图

图18 马达测试装置的俯视图

2)盖住空速管,检查航测无人机的升降翼是否水平,运动是否平滑。

3)取出马达测试装置,将锥形套筒的尖端插入地面,将航测无人机的两翼分别通过环形弹性带和固定桩固定在旋转杆的两个连接杆上,使两翼连线方向竖直向下朝向地面。

4)取下空速管帽,拨动固定桩,使航测无人机以旋转杆为轴,快速旋转,提供更高的瞬时速度,给予空速管足够风力,使空速管内的感应器检测到空气造成的压力。

5)在航测无人机旋转过程中观察电机是否能正常工作：根据微型测速仪显示的旋转速度,若发现电机会随旋转杆转动速度的改变而改变转速,则电机完好;若不论旋转杆的转动速度如何改变,电机依旧停转,则电机已烧毁,需要返厂维修或者更换。

该测试装置的旋转杆可伸缩收纳,结构简单且便于携带,适合在野外缺少专用检测设备的情况下对无人机的电机进行快速、有效检测,判断电机是否因非正常停转受到损伤,从而避免无人机在飞行作业时因电机受损停转而坠机所带来的巨大损失。

6 用于寻找航测无人机的定位装置

6.1 问题阐述

无人机进行外业作业时,会遇到地形复杂的山林或者密集的高层建筑,存在信号干扰,无人机与控制端的通信天线不能实时对准并建立连接,对无人机的定位造成影响,会出现无人机失联的情况,对无人机回收工作极为不利,甚至可能导致无人机丢失,给航测工作带来巨大的经济损失。

6.2 解决思路

为了避免在复杂情况下无人机与控制端失联后丢失,可使用一种便于寻找航测无人机的定位装置,对航测无人机的实时位置进行定位追踪,保证在出现特殊情况时技术人员能第一时间找到无人机,及时抢救无人机和所获数据,减少损失[15]。

6.3 技术详述

该定位装置设置在无人机荷载仓内,包括放置框、盖板、可充电电池、定位模块和信号传输模块。荷载仓结构如图19所示,荷载仓T形槽俯视图如图20所示,荷载仓T形槽剖视图如图21所示,放置框结构如图22所示,提手竖杆结构如图23所示,提手横杆结构如图24所示。定位模块上安装有SIM卡,将定位模块与手机建立联系,通过短信向定位模块发送指令,使定位模块反馈其位置信息。盖板设置在放置框上端,放置框和盖板均由轻质材料构成,质量小,不会使得加装定位装置后的无人机超过有效载荷,可保证无人机的工作性能。荷载仓内设有T形槽,放置框设置在T形槽内,由隔板分为放置可充电电池的第一腔体、放置定位模块的第二腔体和放置信号传输模块的第三腔体,可充电电池、定位模块和信号传输模块之间电性连接。放置框一组对边上设有凸棱,另一组对边设有提手。提手包括两个竖杆和横杆。两个竖杆对称设置在两个凸棱的同一端,竖杆内侧设有开槽,开槽上、下端分别设有卡位机构,包括对称设置在开槽内侧的两个凸弧;横杆两端设置在开槽内可上下滑动。T形槽上端外侧对称设有弹力带和固定桩,弹力带穿过提手挂设在固定桩上,将定位装置固定在T形槽内。

图19 荷载仓结构示意图

图20 荷载仓T形槽俯视图

图21 荷载仓T形槽剖视图

图22 放置框结构示意图

图23 提手竖杆结构示意图

图24 提手横杆结构示意图

6.4 操作步骤

1)选择SIM卡,该卡具有支持常规2G/3G网络频率GSM网络信号、终端SIM卡开通来电显示、终端SIM卡开通GPRS功能、终端SIM卡PIN码关闭等功能。

2)为定位模块安装SIM卡,用手机拨打定位模块中的SIM卡号,在拨打连通且收到“中心号码设置成功”信息后,可挂断电话,此时手机与定位模块建立联系,设置GPRS传输定位数据间隔时间,用手机编辑信息发送GPRS定时设置指令。

3)调试定位装置工作是否正常,手机发送信息“ur1”或“123”至终端设备SIM卡,终端设备以短信的形式回复最后一次定位的网络链接的位置信息,通过点击网址链接查看位置及地图图片位置,还可进入地图中查看实时位置。

4)将调试好的定位装置安装在T形槽内,为无人机安装电池模块,摄像模块,并设置参数,安装弹射架,进行飞行前检查并试飞、测试定位装置,在飞行过程中观察无人机飞行姿态是否异常,同时用已与定位装置建立联系的手机向定位装置发送指令信息,获取位置网络链接,进入链接查看,与已知位置进行对比,获取精准定位。

5)若定位异常,通过终端重启功能,使终端恢复正常工作,用手机向定位装置发送指令信息,终端重启设置指令“reset#”,当终端收到该指令时,立刻重启终端,若终端重启设置成功,则回复“重启成功”信息,调试完成后即可正常进行无人机飞行工作。

该定位装置安装方便,操作简单,体积小,减少了对无人机结构的改动;盖板和放置框均由轻质材料制成,质量小,不会使得加装定位器后的无人机超过有效荷载;盖板使定位装置具备防冲撞、防水等性能,在保证无人机原有性能不会下降的前提下,又具备了定位功能,确保了无人机的飞行安全和测绘数据安全,也避免了无人机丢失造成的经济损失。

7 结语

本文详细阐述了Trimble UX5航测无人机在航测作业中的电池保温技术、特殊地形区域航测无人机像控点坐标测量方法、山区起降点选取方法、航测无人机像控点标靶设计及布设方法、固定翼航测无人机马达测试装置及测试方法、用于寻找航测无人机的定位装置等关键技术。基于上述关键技术,实现了Trimble UX5航测无人机安全、快速、高效、准确的飞行作业,确保其在复杂地形环境条件下正常作业,缩短了测量周期,提高了测量效率,节省了作业成本。