无人飞艇低空航测系统

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
2 无人飞艇低空平台
飞艇是一种 配置有 推进 装置、利 用气囊 中封 闭的 轻质 气体产生的浮力 原理 升空、可 控制飞 行轨 迹的 一种轻 于空 气的飞行器 [ 8], 其与气球 的主 要区别 在于 具有 推进装 置并 能控制航行方向。 其中飞 行时 不需要 有人 驶驾 的飞艇 即为 无人飞艇。
无人飞艇主 要由 主气 囊、副气 囊、吊 舱、推 进器 和燃 料箱、调压系统以及控制系统组成 (参见图 2) 。其气囊内充 漂浮气 体 (出 于 安 全 考虑 , 通 常 为 安 全 的惰 性 气 体 ) )) 氦
来的问 题。 同时, 在 航线 设 计 时 以 航 向 80 ~ 90% 、旁 向
50~ 60% 的高度重叠, 在出现 较大 旋偏 角时 仍能 保证 足够
的重叠度, 不产生航拍漏洞。
由于无人飞艇 数据
较特殊, 传统方法 难以
处理, 开发了专门 的空
中三角测量软 件, 用于
解决 无人 飞行 器 (包 括
作者简介: 彭晓东 ( 1981- ), 男, 湖南 人, 博士研究生 , 研究方 向为 数字 城 市、低空摄影测量。
E-m ai:l x iao _dong_ p@ 1631 com
收稿日期: 2009-05-04
气 ) 。由于气囊是飞艇的 主体 结构, 因 此根 据其结 构不 同, 飞艇可分为 软式、半 硬式和 硬式 三种类 型。软式 飞艇 由韧 性纤维物制成, 其 囊体形 状主 要由充 入气 囊内 的漂浮 气体
第 34卷第 4期 2009年 7月
测绘科学 Sc ience o f Survey ing and M app ing
无人飞艇低空航测系统
V o l134 N o14 Ju l1
彭晓东¹ º , 林宗坚 º ¹
( ¹ 武汉大学遥感信息工程学院, 武汉 430079; º 中国测绘科学研究院, 北京 100039)
动力及 电 源 系统 主 要由 发 动机 、汽 油燃 料、蓄 电 池、 涵道旋转装 置和相 关附 件构成, 为飞艇 飞行、方 向控 制和 各电子元件工作提供动 力和能量来源。
囊体气压传感 器与副 气囊 调压系 统主 要用 于监控 和调
节主副气囊气压 变化, wenku.baidu.com 在一 定有效 范围 内防 止因飞 艇升 降和气温 变 化 造成 气 囊 内 部气 压 过 小 或过 大 带 来 的严 重 后果。
伴随着无人飞行 器 ( UAV )的 发展, 近 年来 无人飞 行器 将其自身特点与 航空 摄影测 量结 合, 成为 遥感 与摄影 测量 的新平台被 引入测 绘行 业, 形成 一个新 的发 展方 向: 无人 飞行器低空航空 摄影 测量。无 人飞行 器平 台主 要分为 无人 固定翼飞机、无人 直升 机和无 人飞 艇三大 类 [ 2] 。对于 前两 者已经有很 多的研 究, 并在 生产 中有了 很好 的应 用, 并取 得得了很好的成果 [ 1-5] 。有 关无人飞艇用于对地观 测的文献 论述不少, 但真 正用 航空摄 影测 量地形 图测 绘的, 只 有中 国测绘科学研究 院 [ 6] 和武汉 大学 [ 7] 两个 机构。 鉴于已 有文 献侧重于局 部性的 数据 处理, 为 此, 本文 将对于 无人 飞艇 航测的系统性关键技 术进行介绍。
21 2 无人飞艇 航测系统解决策略
由于航空摄影 测量中 外业 工作环 境的 复杂 性与航 测精
度要求的苛刻性, FKC - 1无人飞艇平台 (如图 2) 源于一般
无人飞艇结 构, 进行 针对性 地改 进设计 制造 而成, 它 能在
测区上空自主地、平稳地按设 定的航线进 行飞行, 能 定时、
定距对相机 进行曝 光控 制, 达到 传感自 动化 控制, 航 飞所
无人 飞艇 )所 获 取的 高
重叠度、大旋转角 的立
体影像, 大数据量 等问
题, 突破了传统航 空摄
影测量的限制, 基 本实
现无人飞艇影像空 中三
角测量的自动处理。 该系统流程与 传统
航测相似, 具体流 程如
图 1 无人飞艇低空遥感 系统工作流程图
图 1所示。
21 3 FKC-1飞艇平台
FKC-1飞艇平 台主 要由 飞艇 主体 、飞行 控 制器、 动力
及电源系统、囊 体气 压传感 器、地面 监控 站与遥 控系 统组
成, 平台结构如图 2所示。
头锥位于艇 身前端, 是轻质 铝合 金骨架 结构, 在 气动 压力 对艇首产 生冲 击 时, 头 锥仍 能使 飞 艇保 持良 好 气动 外 形; 此外, 头锥还可 用于 飞艇的 地面 系留及 牵引。主 气囊 层压 复合薄膜材 料通过 热合 粘接而 成, 为软 式结 构, 依造 内外 气压差维持 外形, 内 充氦气 提供 飞艇向 上的 升力。副 气囊 内充空气, 作 为调节 囊体 气压差 。尾翼四 片, 用 于飞 行时 控制飞艇上、下、左、右的转向。
与外界空气的压 差获 得; 硬式 飞艇由 刚性 骨架 外罩织 物蒙 皮构成, 其气囊 形状 主要靠 刚性 骨架支 撑; 而半 硬式 飞艇 介于这二者 之间, 艇 体下部 增设 钢性骨 架, 织物 囊体 形状 是靠充入气囊的 漂浮 气体与 外界 空气的 压差 获得。由 于飞 艇主气囊采用的气体为 氦气, 因 氦气比空气 轻而产生浮 力, 飞艇停 留 在空 中 时, 只 需 很 少 的动 力 就 可 以 使其 在 空 中 飞行 [ 9] 。
12
测绘科学
第 34卷
优势的存在, 是无人飞艇 应用于低空航 测的直接 原因;
局限性的因素虽 制约 了无人 飞艇 的应用, 但恰 恰是系 统的
关键技术 所在。为 此, 本 文以 中国 测绘 科学 研究 院 FK C-1
飞艇低空航测系 统为 例, 对无 人飞艇 低空 航测 系统的 关键
技术进行介绍。
校拼接 软 件, 从 而 保证 从 平 面 精 度和 高 程 精 度都 能 满 足
1B500, 1B1000大比例尺测图的规 范要求。
为解决飞行时遭 遇气流 (风 )影响 姿态的 问题, 研 制了
软式稳定平台, 其中 包括阻 尼式两 轴稳定 平台 和 M T I姿态
仪, 以轻质量化的 方法有 效地 控制了 飞艇 姿态 不稳定 而带
=摘 要 > 介绍了最新研制成功的以无人飞艇为平台的低空 摄影测 量系统 的架构与 性能特 点, 并以 中国测绘 科学
研究院研制的 FK C-1型飞艇 为例, 针 对无人飞艇平台的局限性, 进行技术改进, 研制了专门 的相机系 统、稳定平
台和数据处理软 件, 并通 过实践验证了该系统适用于 1B2000、 1B1000、 1B500大比例尺航测成图。
无人飞艇被 广泛 地应用, 在民用 上, 飞 艇可 以用 来进 行飞行空中 广告, 空 中交 通巡逻 和指 挥, 后勤 支持, 飞行 特技表演, 现 场直播 中继, 航 空考 古, 航 空测 量, 航 空找 矿, 森林防火, 旅 游观 光, 环境 监测 研究 等。随 着材 料科 学与技术的发展 为飞 艇提供 了强 度高、氦 气渗 透率低 的新 型蒙皮和气 囊材 料, 使得 飞艇具 有质 量轻、强 度大、 气密
=关键词 > 无人飞艇; 低空; 航空摄影测量; LA C相机; 稳定平台; 空中三角测量
=中图分类号 > P2311 5
=文献标识码 > A
=文章编号 > 1009-2307( 2009) 04-0011-05
1 引言
城市建设与 规划、农 业生 产中的 精准 估计、 森林 火灾 监测、自然灾害期 间空间 信息 数据的 实时 获取 以及灾 情评 估与灾后重建等 对大 比例尺 数据 的要求 日益 迫切。上 述情 况不仅要求影像 数据 具有高 空间 分辨率, 有的 更要求 其具 有高时间分 辨率。例 如, 城市 建设监 测与 农作物 生长 监测 中通常需要按月 获取 数据; 而 对于突 发的 灾情 则需要 快速 的反应, 及时 获取信 息, 实时 把握 灾情状 况, 快 速且 正确 地做出救 灾 抗灾 之 决策, 如 在 地震, 洪 灾发 生 时等 情 况; 同时、在一些自 然灾 害发生 时进 行的测 绘活 动, 因环 境恶 劣, 不仅要 考虑 仪 器设 备的 安 全, 更 要 考虑 人 员的 安 全, 如火灾, 地震 等。此外, 城 市三 维建模 需要 获取 城市 建筑 物侧面影像, 如 果用 传统的 遥感 与有人 飞机 航空 拍摄, 将 极难实现或耗费过高 而产出极低 [ 1]。
得数据准确满足航空 摄影测量中航向与旁向重叠度的要求。
传感方面, 专门 研制 了特轻 小型 组合宽 角数 字相 机系
统 ( 以下简称 LAC ), 解 决专 业传 感器 过重 且视 场 角过 窄,
不适合低空 航测要 求的 问题, 提 高外业 工作 效率、提 高立
体像对之间的基 高比; 并 配备 相应的 同步 曝光 装置与 自检
¹ 可飞得低, 飞得慢 : 低速 可减 小像 移, 低 空接 近目 标减弱了辐 射强度 损失, 因 此可 容易地 获取 高分辨 率、高 清晰的目标影像, 这是其他航天 航空传感器 所没有的优 势,
同时, 飞得低则 受空 中管制 的影 响小, 并 且能在 阴天 云下 飞行, 减小了 天气依 赖性; º 可靠 性和安 全性 好: 无 机组 人员随艇上 天, 可避 免意外 发生 时危生 命安 全; 因内 氦气 等轻于空气 的气 体, 自重 小; 飞行 速度慢, 对地 面目 标构 成的威胁小; » 可对 建筑 物盘旋 , 进行多 侧面 摄影, 有利 于三维城市 建模纹 理信 息的获 取; ¼机 动性 好, 无需 专门 的机场起降; ½ 使用成本低。
飞行控制器由控制 计算机、 GPS 接收机、三 轴陀螺 仪、 姿态控制器、 电压监 测器、遥 感传 感器控 制器、 舵机 伺服 器、气压高度计 和通 信单元 组成。飞 行控 制器主 要用 于监 测和控制飞 艇各部 分协 调工作, 使飞艇 按指 定的高 度、速 度、稳定的姿态和 正确的 信号 自动控 制遥 感传 感器正 常工 作; 同时, 飞行控制 器负 责向 地面监 控站 传输飞 艇工 作时 气压高度、 G PS高度、速度、姿态、 各类电 压、囊体气 压、 油量及传感器工 作状 态等参 数, 并接 收地 面监 控站信 号与 指令, 实时修改飞行参数、更改飞行任务 。
但另一方 面, 无 人 飞 艇 用 于 航 测 时 也 具 有 明 显 的 局 限性:
¹ 体积大, 抗 风能力 较弱: 除 平流 层飞 艇与 系留 飞艇 外, 目前无人飞 艇抗 风能力 在六 级以下, 在风力 超过 三级
进行飞行 时, 飞 艇 姿态 不能 稳 定, 出 现比 较 大 的旋 转 角; º 无人飞艇应用 尚未 普及, 民 用航测 类飞 艇无 论是从 任务 载荷、设 备 接口, 暂 时都 无 法 搭 载 专 业 的 遥 感传 感 器 如 DM C, U CD /UCX, SWDC 以 及机 载 L idar 与 SAR 等; » 缺 少专业的轻型宽 角相 机, 通常 只能采 用廉 价的 普通数 码相 机, 视角小、像幅 小、航 拍工作 量大; 进行 大比 例尺 测图 时, 基高比小, 高程达不到国家与行业标 准的要求。
性好、尺寸稳 定等特 点; 同时, 计算机 和自 动控 制技 术的 进步, 使得飞艇 的结 构设计 更为 合理, 进 一步提 高了 其可 靠性, 飞行控制 也更 加准确 灵活, 使 得无 人飞艇 开创 了更 广阔的应用领域, 应用于低空航 测正是其中之一。 21 1 无人飞艇航 测的主要优缺点
无人飞艇与 其他 飞行器 相比 有很 多优 势: 容积 大、有 效载荷大; 续 航能力 强; 靠性 和安 全性佳; 起飞 和着 陆方 便, 对场地没 有特殊 要求; 机 性好, 使用 成本 低。从 航空 摄影测量观点来看, 无人飞艇的 应用主要有以下几点优势:
地面监控站 是飞艇 操纵 的核心 部分, 它 担负 地面 遥控 中心的综 合管 理 任务, 包括 地面 遥 控指 令的 生 成与 发 送、 飞艇状态信息的 监测 与显示、 各种参 数信 息的 贮存与 管理 以及飞艇状态参数的检 测与调整等等。
遥控系统主 要由遥 控器 和遥控 接收 机组成 。此部 分的 信号为单向 传输。遥 控器发 出控 制信号, 由安装 在飞 艇上 遥控接收机接收, 接收信 号通 过飞行 控制 器对 飞艇进 行控 制。遥控系统主 要用 于飞艇 的安 全起降; 在地面 监控 站指 令输入时, 临时 由遥 控器对 飞艇 进行控 制, 以保 证飞 行安 全; 同时作为自主 飞行时 飞行 前方有 异常 或地 面监控 站异 常时, 进行人工遥控, 保障安全。
相关文档
最新文档