無人機遙感技術論文范文

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第1篇

關鍵詞：無人機　相機控制系統　軟件設計　硬件設計

中圖分類號：TP1　文獻標識碼：A　文章編號：1007-3973(2011)004-103-02

1　引言

信息時代，信息是至關重要的資源，而信息的獲取又是其中非常重要的一步，無人飛機攝影測量與遙感作為對地觀測獲取對地物信息的重要手段。無人機航空遙感是以無人機為搭載平臺的航空遙感技術。它涉及到無人機技術和航空遙感技術兩方面，是兩種技術的有機結合。隨著無人機和航空遙感技術的成熟，無人機已經逐漸應用在民用遙感領域。無人機航空遙感也正成為航空遙感的一個熱點研究領域。

2　無人機相機控制系統設計方案

2.1系統設計概述

作為新一代數字航空遙感測繪攝像產品，要求具有較高的分辨率，鏡頭畸變小，較大的存儲容量，較小的尺寸和較輕的重量。相機拍攝能實現依據GPS導航數據、時間信息實現手動或者自動拍攝，適合在無人機和有人機上安裝操作。為遙感測繪行業提供平臺支撐。

2.2系統構成

首先四個相機根據航拍要求選擇合適的性能指標，初步定為1000萬像素，遠心鏡頭。按照一定的夾角安裝在飛機穩定平臺上面，工控機獲取飛機的飛控信息(包括姿態和位置時間信息)或者通過自身的GPS獲取位置和時間信息，根據航拍要求確定拍攝的位置或者時間點，實現手動或者自動拍攝。拍攝時候要求工控機發送同一時序的快門控制信號給4個相機，時序脈寬可以控制。相機拍攝后圖片數據可以以raw或者壓縮后的格式發送給工控機存儲，存儲照片文件要求記錄拍攝時的GPS位置和時間信息。

3　硬件設計

3.1相機NiKon-D200

圖像輸出采用USB2.0最大速度，電源直流7.4V電池組，EH-6H電源適配器。相機通過USB口發送圖像數據給工控機，工控機通過快門線控制相機同步動作。

3.2鏡頭

為相機配置的鏡頭是Nikon Nikkor 85mm f／1.8D AF

3.3控制和存儲計算機

采用研華機箱ARK-5280規格為：

3.4 PCI快門控制卡

選擇研華IO卡PCI-1761作為快門輸出。當繼電器開的時候，不進行拍照，繼電器閉合拍照，閉合的時間長度改變快門脈寬。

快門線采用國產深圳市永諾攝影器材有限公司生產的JIANISI RS-N1型號兼容D200的快門線進行改造。

3.5 GPS模塊

GPS模塊型號為：ublox芯片，北京星網宇達科技發展中心設計的電路模塊。該模塊提供10m的定位精度，刷新頻率4／s。

GPS信號和計算機連接關系，首先通過GPS模塊上的座連接到航空連接器上，航空連接器固定在機箱上，然后再通過航空連接器連接到DB9的RS232座上。

3.6相機電源供應卡

電源供應關系，主要考慮GPS模塊的+5V供電，另外考慮給外部相機供應+12V，取電方式都是從機箱主板上獲取。如上圖3。連接關系為上表。主板+5V接于GPS模塊,+12V接于航空連接器供機箱外部照相機供電。航空連接器安裝在機箱上面。

在實際的工控機改造中，要把相機電源，擴展的2個USB口，GPS模塊合成在一個卡上，統一插在一個PCI槽上。固定輸入輸出。

3.7與無人機連接接口

與無人機接口包括2個RS422，一個異步RS422，一個同步RS422。異步RS422主要實現無人機測控數據的下傳，同步RS422主要實現無人機拍攝快試圖的上傳。

3.8相機穩定平臺

相機穩定平臺主要用于四個相機與無人機或者有人機之間的安裝對接，要求根據相機的幾何結構和四個相機之間的拍攝角度進行設計，角度信息與航跡規劃模塊有關。

3.9操控平臺

操控平臺對于無人機系統主要考慮工控機的固定安裝，有人機還要考慮人的操作控制平臺。

4　軟件設計

該航攝儀要求支持有人機和無人機拍攝，除了要實現基本的航拍功能，還需要有良好的人機交互功能。

遙感控制系統的功能模塊分析，根據任務需求，遙感空中控制系統劃分為五大模塊：拍攝控制模塊、航跡姿態信息處理模塊、遙感數據處理模塊、人機界面交互模塊、航跡規劃模塊。各模塊劃分、相互之間以及與其它系統間的關系見圖。

5　地面調試與結果

針對不同的測試目的，在對地觀測數字航空遙感地面仿真實驗平臺系統上進行了多次地面聯合調試。按照系統構成所示的連線方式，搭建整個系統，然后給系統外接27V直流電源，系統按照預設的方式啟動。啟動后，控制工控機通過快門卡控制相機拍攝。在程序設置時將四臺偏振相機分別設置編號為1、2、3和4，其中3號相機負責傳輸快試圖，其調試結果如圖所示，四臺不同角度的相機同時得到控制拍攝，并且3號相機已傳送了一幅84.5K的快試圖數據。

本文設計的偏振遙感載荷系統在國內首次實現了與無人機的結合，成功實現了對機載偏振遙感成像設備拍攝的自動控制與數據的自動傳輸和存儲功能，不僅為偏振遙感數據的獲取增添了新的手段，更使得在惡劣環境下大范圍、長時間的偏振遙感數據獲取成為可能。系統的研制成功進一步豐富了航空遙感器的種類，提高了人們獲取航空遙感數據的能力。

參考文獻：

[1]彭望等編.遙感概論[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]余詠勝，游寧君.數碼航攝像機――傳統膠片航攝像機的替代者[J].測繪通報.2005(3)：6-10.

第2篇

關鍵詞：長輸管道；無人機遙感；水土保持

水土保持監測作為生產建設項目水土保持工作的重要組成部分，是水土流失預防監督和治理的重要基礎。常規的水土保持監測技術手段無法很好滿足生產建設項目水土保持監測準確性、及時性和完整性的要求。無人機遙感具備準確性、實時性和全面性的特點，成為生產建設項目水土保持監測新的技術手段。通過對已完成的西氣東輸項目前期充分調研分析，通過無人機對項目的重點區域進行遙感監測，對該技術應用于長輸管道工程監測進行探討。

1．工程概況

西氣東輸二線工程西起新疆霍爾果斯口岸，向東南延伸至上海、香港，全長近萬公里，是我國天然氣四大進口戰略信道中的西北信道，工程新疆段自新疆霍爾果斯口岸入境后，基本沿G312由西向東敷設，從哈密市出疆，管線長度約1340km。本次論文研究對象選擇其中典型果子溝路段的兩處渣場為例。本次選取果子溝兩處渣場，1#渣場設計堆渣量1.5萬m3，2#設計堆渣量4.7萬m3。渣場主要擋蓄西氣東輸二線工程管道開挖的棄渣。棄渣堆放場擋土墻呈L形設計方案，兩墻肩依山體斜坡為固定支承點，山體斜坡巖性多為坡積和中強風化巖石，擋土墻肩嵌入山坡、梁凸出部位。本次渣場圍護設計采用重力式擋土墻型式。1#渣場擋土墻全長236m，采用漿砌塊石填筑，優選棄渣料，不夠時再外借。擋土墻墻頂寬度0.6m，迎渣面坡度1：0.4，背渣面坡度1：0.2，墻面高度4m，地面以上高度3m，前后墻趾寬度0.5m，高度1m。2#渣場擋土墻全長308m，采用漿砌塊石填筑，優選棄渣料，不夠時再外借。擋土墻墻頂寬度0.6m，迎渣面坡度1：0.3，背渣面坡度1：0.2，墻面高度2.5m，地面以上高度1m，前后墻趾寬度0.5m，高度1m。擋土墻每隔15m設一道伸縮縫，縫寬2cm，用M2.5砂漿填縫，墻內布設排水孔，采用管徑6cm的塑料管，排水孔坡度5％，間距1m，梅花形布置。渣場外坡按照1：2堆至1820.5m，頂部修成5％的坡度，以便于排水。外坡采用漿砌石網格砌筑，網格規格2×2m，采用C15、F200細粒混凝土，網格內播撒草籽。

2.無人機遙感技術在典型區域的監測應用

長輸管道工程空間跨距長，多無人區，采取全線普查法獲取水土流失數據的難度大，投入大，時間長。因此，監測區域的土壤侵蝕背景數據及施工前后擾動、治理效果的對比等，主要通過遙感監測方法與典型調查方法相結合的途徑獲得。以遙感影像為數據源，按照《水土保持監測技術規程》（SL277－2002）規定，對監測區域進行外業調查，建立遙感解譯標志，通過解譯，獲得監測區域在施工前后各種土地利用類型、土壤侵蝕類型和侵蝕強度的分布、面積和空間特征數據。

2.1人機交互式解譯流程

采用人機交互式解譯法進行遙感影像的解譯與判讀，同時，對比分析重點監測地段的土地利用和土壤侵蝕狀況，包括工程區域和擾動帶兩部分，其中工程區域以管線中心線左右各500m范圍為監測區域，擾動帶則以管線中心線左右各20m為監測區域。

2.2土地利用解譯

在遙感影像的土地覆蓋信息基礎上，依據人機交互式解譯原理和野外實地考察的結果建立項目區土地利用類型典型遙感影像解譯標準，形成土地利用現狀圖。土地利用分類參照國家土地利用分類標準進行分類，本次選擇的典型渣場所處位置進行遙感影像處理，分析工程所處的土地利用現狀為有林地，見圖1。

2.3土壤侵蝕專題信息提取

在土地利用圖生成后，以人機交互式解譯原理和野外實地考察的結果分別建立土壤侵蝕類型遙感影像解譯標準。土壤侵蝕分類、制圖和數據庫建立均按照SL190-2007規定的標準土壤侵蝕分類分級系統進行。本次工程屬于天山山脈，工程沿山間河谷地帶布設，典型渣場選取在不影響行洪的山間洼地，所處位置為水力輕度侵蝕區域，詳見圖2。本次無人機的遙感監測，獲到的只是施工結束后的一個時段的數據，只代表了這一時段的現狀，本期的數據可與工程施工前、施工過程中的數據對比分析，即可得到工程施工過程中的變化情況，也可了解到工程在自然恢復期的各項措施的實施后的效果。

3.無人機遙感技術特征分析

通過本長輸管道工程選取典型渣場的應用實例分析，將無人機遙感技術應用到生產建設項目水土保持監測工作中，可以準確、及時、全面地反映施工過程各階段的工程進展和水土流失防治等情況，特別是在長輸管道等大型線狀工程，優勢更加突出和明顯。（1）無人機準確性高。生產建設項目水土保持監測的重點往往是以米記的水土保持措施，傳統衛星遙感對大范圍的航拍有優勢，但對重點區域精度無法滿足監測需求。無人機低空遙感可根據需求，調整飛行高度以獲取不同精度的成果。本次無人機低空飛行高度在50~300m之間，遙感像素分辨率為0．25m，經過精度檢驗，成果平面精度的誤差為1～3m，完全滿足水土保持監測判讀、位置、面積等信息提取的要求。（2）無人機時效性好。無人機遙感與傳統衛星遙感相比，較好地彌補了其時效性差和機動性低的缺點。可以根據不同項目監測工作的需求，由現場監測人員確定遙感的時間和范圍，在較短的時間內完成遙感影像獲取和監測信息的提取，能較及時地反映工程水土流失和水土保持情況，滿足定期常規監測和災害性事件應急監測的需求。而傳統的衛星遙感，機動性相對較差，不能及時的由現場監測人員掌握。（3）無人機更直觀全面。無人機遙感成果對比傳統的常規監測方法，更能較為直觀和全面地反映工程現狀，不但能為業主、施工、監理、監測等部門在施工管理、施工總體布局、施工進度控制等方面提供支持。而且可為水行政主管部門、業主單位水土保持監督管理提供參考。

4.問題與思考

第3篇

關鍵詞：微型多旋翼；環境監測；飛行控制系統

中圖分類號： TP79 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）31-146-2

1 無人機的定義

無人駕駛航空器簡稱無人機，英文的縮寫為UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。無人機具有受氣候的影響小，效率高反應速度快、能準確定位、準備工作簡單、操作控制容易等特點。整個系統運行穩定，經濟性能高，可以在小面積區域、興趣地點懸停重點拍攝。

2 無人機的分類

①水平起降式：水平起降式機翼為固定式。優點：飛行速度快，可以進行高空飛行，動力效率比高，續航能力強。缺點：受空氣流動影響較大，無法懸停在指定位置，對目標只能進行“盤旋觀察”在復雜地形飛行時需要操作難度高，微型固定翼UAV限于效果的比例，身體容易跟隨流線和角運動，進而影響其穩定性，難以獲得連續穩定清晰的圖像。對起飛和降落場地要求較高，要求起飛及著陸航線平整且無障礙物，且發射或降落時需要考慮風向、風速問題，限制較多。②垂直起降式： 垂直起降式機翼為旋翼式。優點：低空空氣流動對其影響較小，可在空中懸停。可以在興趣目標點進行“懸停凝視”觀測，可以獲得連續穩定清晰的圖像，有利于小目標或局部區域的細致觀測。具有垂直起降能力，可以在惡劣的場地進行起降，對氣象條件要求低，具有較廣的應用范圍。缺點：機翼載荷比水平起降式高，動力效率比低，無法滑行，為減少自重，續航力低，控制系統復雜，容錯率低，容易出現故障。

在多種類的無人機中，四旋翼無人機是目前研究最為廣泛、用途最多的一種。四旋翼無人機由于能夠垂直起降、自由懸停，適應不同的情況，在不同的環境下自由轉向和調速。

3 無人機工作原理

3.1 系統概述

無人機飛行控制系統是無人機的核心，飛行控制系統通過采集飛行器的姿態、速度、壓力、轉速等信息，傳輸給飛行控制處理器，由處理器解算并發出控制無人機飛行狀態的指令，并且通過無線數據通信系統可以向地面站實時傳輸無人機的飛行參數和功能傳感器所探測的目標信息；另一方面，地面站也可以根據需求向無人機發送指令，控制無人機姿態、航向，到達指定地點進行拍攝或探測。整個飛行控制系統的設計是無人機的關鍵，是地面站與機上飛行控制系統的綜合，飛行控制系統的好壞直接決定著無人機的質量。

3.2 無人機探測系統搭載原理

3.2.1 無人機遙感技術

無人機的遙感技術是將傳感器技術、遙測遙控技術搭建在無人機技術的平臺上，并運用計算機技術進行運算控制，通過通信技術完成信息傳輸及存儲，可迅速、自動、智能地獲取相關的環境空間信息，采集數據和應用處理。無人機續航時間長、能實時傳輸影像，具有成本低、高分辨率、機動靈活等特點，在高危地區探測具有較好的應用前景。

3.2.2 利用高分辨CCD相機系統獲取遙感影像

無人機通過控制系統可以實現影像的自動拍攝和獲取，通過航跡的規劃實施監控，將采集的信息數據進行壓縮和自動傳輸，還可以完成影像預處理，可以在水域環境監測提供環境信息，為各級環境部門環境檢測提供便利，并可滿足環境應急響應的需求。

3.2.3 數據融合生成三維立體空間圖

地面站系統搭載了數據融合軟件系統，該系統將傳回的傳感器數據和位置信息等數據，進行數據融合，生成立體三維空間圖，直觀展示各類信息，便于數據分析。

3.3 微型多旋翼無人機系統使用目標設定及定位

衛星及傳統航空器在復雜水域、面積相對小且污染類型多樣的區域拍攝不清晰，無法達到分析要求，無人機飛行器可以在復雜區域完成懸停凝視，拍攝連續穩定高像素圖像，更能細致對進行目標區域進行監測。

四旋翼無人機攜行方便，不受使用場地約束，最高可在6 級風力情況下使用，在陰云、霧霾能見度不良天氣情況下，可以低空或貼水面飛行，獲取水域環境的高清晰圖像，可以實時追蹤和監測突發環境事件的發展。同時借助地面站外部通信設備將無人機實時拍攝巡查地點的高清圖片通過網絡進行轉播或存儲。

3.4 無人機的優點

①多旋翼無人機通過采用GPS 模塊實現了空間定位功能；將網絡通信、自動控制、物聯網及軟件技術，集成在多旋翼無人機上，利用無人機靈活性特點，以點及面，就可以無死角、全方位地探測目標區域環境條件狀況，實現定時定點采樣，極大減小了控制生產成本和系統功耗。②數據融合生成立體三維空間圖；特有設計了地面站系統，實時顯示無人機傳回的傳感器數據和飛機當前位置信息等，同時進行數據融合，直接將數據以立體三維空間圖直觀展示，環境各參數指標一目了然。

4 微型多旋翼無人機的操作注意事項

本文以大疆精靈Phantom 4為例，介紹無人機的使用方法：無人機具體參數如表1。

①在目標地點附近起飛，飛行范圍是以起飛點為中心高度120m以下，半徑500m 范圍內。②四旋翼飛行器可以垂直起降，在目標區域附近垂直起飛，到達預定高度后，飛往目標地點，對目標地進行檢測。在檢測過程中可以根據現場環境調整無人機的高度，便于獲得更清晰的圖像。在飛行過程中要注意于其他建筑或固定障礙物保持20-30m的安全距離，與運動的障礙物需要保持500m的安全距離。在一次出動微型多旋翼無人機時，需要在各組間設立指揮員，協調各組的飛行范圍，保證任務順利。③受電池約束，該型號無人機只能持續飛行28分鐘，信號接收范圍為3.5公里，在飛行時注意飛行時間和距離的控制，避免因沒電或超出控制距離造成損失。

5 多旋翼無人機在水域環境監測中實際的應用

5.1 無人機在水產養殖區的應用

在水產養殖區域，水域環境檢測尤為重要，以水草為例，水草作為大多魚類的食物，可以很好地促進魚類的生長，當水草超過一定數量，會造成水層缺氧，并加速水草死亡，造成水質變壞，不利于魚類養殖。所以魚塘需要實時監視水草數量，人工劃船或觀望難以做到全局觀測，結果比較片面，使用無人機對水域進行全局探測，快速了解魚塘整體情況，也可以在局部進行懸停并凝視，確定水草生長情況，獲得魚塘準確信息并及時制定應對措施。

5.2 無人機在環境檢測的應用

沂河流經臨沂沂水、沂南、臨沂市區，臨沂段全長284公里，流域面積7425平方公里，集水面積2872平方公里，河面最寬達1540米；被臨沂人民譽為"母親河"。是臨沂重要的淡水資源，該河兩岸附近分布著工場和眾多的居民地，存在排污問題。對沂河的環境檢測尤為重要，通過無人機技術可以快速地獲得沂河流域環境情況，對保護水資源具有重大意義。

6 結論

水域環境監測需要對目標區域進行全局觀測和量大的局部觀測，要想獲得大量高質量的局部觀測信息，就需操作靈活，可控制性高的無人機系統組來完成。可以預見的是微型多旋翼無人機將會得到大量應用，而且未來微型多旋翼無人機的發展方向將是智能化、多樣化的空中機器人群組。

參 考 文 獻

[1] 高鵬騏，晏磊，趙紅穎，何定洲.無人機遙感控制平臺的設計與實現[A].第十五屆全國遙感技術學術交流會論文摘要集[C].2013.

[2] 黃愛鳳，鄧克緒.民用無人機發展現狀及關鍵技術[A].第九屆長三角科技論壇――航空航天科技創新與長三角經濟轉型發展分論壇論文集[C].2012.