微型无人机低空摄影测量项目方案书

项目方案书项目名称：微型无人机低空摄影测量项目单位：编制单位：编制人：编制日期：年月日审批负责人：审批日期：年月日微型无人机低空摄影测量系统项目方案一、项目简述随着我国整体信息科学和相关应用的快速发展，我国各行业对空间数据的需求也急剧增长。但目前，对于空间数据，特别是高分辨率空间数据的获取渠道仍然局限于外界采购，例如国外遥感卫星影像、大飞机航拍等，造成了数据重复采集，资金耗费等结果，同时上述空间数据供给在时效性和灵活性也远不能满足实际需求。为了更有效、更自主、更廉价地的进行高分辨率空间数据采集，经过调查研究，计划实施此《微型无人机低空摄影测量系统》项目。微型无人机低空摄影测量作为一项空间数据获取的重要手段，具有轻小、续航时间长、影像实时传输、高危地区探测、成本低、高分辨率、机动灵活等优点，是卫星遥感与有人机航空遥感的有力补充，在国外已得到广泛应用。而随着我国信息化建设和科学技术的不断进步，无人机低空摄影平台的研究在无人机总体工业设计、飞行控制系统、组合导航系统、中继数据链路系统、传感器技术、图像获取及传输系统、发射回收等诸多技术领域都有了长足的进步，达到了实际应用水平。本项目以中科院遥感所成熟机型——Quickeye（快眼）系列无人机为飞行平台，利用高分辨CCD相机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹的规划和监控、信息数据的压缩和自动传输、影像预处理等功能。本系列机型机种多样、工业设计先进、累计飞行超过80000公里，成功实施项目40余项，经过实际项目检验，可满足不同项目需求。后附该机型2009年4月至今完成的无人机航空摄影测量项目。二、项目目标及任务2.1项目目标：配置、掌握新一代小型化、高可靠性、通用性强的低成本无人机飞行控制系统，为无人机航拍摄影、应急、气象等行业应用提供可靠平台，并能够自主、成功利用无人机进行低空航拍摄影，精度范围达到0.1—0.5m，满足1：500、1：1000、1：2000等成图要求，并能够满足应急需求、定时定点监测需求及其他无人机优势体现需求。2.2项目任务：z无人机飞行平台及操控系统购置z航拍摄像系统购置z无人机护养及操控人员培训z无人机航拍数据后期加工三、项目实施的技术方案本项目研制的微型无人机低空摄影测量系统主要由无人机飞行平台、高分辨率数码传感器、定位与自动驾驶系统及影像处理系统等四个部分组成，同时配合无人机的运输及操控的便利性还包括相应的地面运输及测控设备。下面是微型无人机低空摄影测量的平台框图和运营系统结构图：主要技术特点包括：1）机动快速的响应能力低空飞行，空域申请便利，降低了对天气条件的要求。飞行系统升空准备时间短、操作简单、运输便利。车载系统可迅速到达监测区附近设站，可进行云下飞行。2）高分辨率图像和高精度定位数据获取能力系统可获取超高分辨率数字影像和定位数据，并可针对特殊监测目标搭载全色波段、单波段、多波段等传感器，并可进行多角度摄影。系统具备数据快速处理、应用分析以及与其他数据源的快速融合处理功能。3）多种任务设备的应用拓展能力系统为多种小型遥感传感器提供了良好的搭载平台，如探地雷达、热成像仪、气象传感器、合成孔径雷达等，易于拓展监测功能，以满足多种快速监测所需。4）低廉的运营成本，便利的系统维护系统的置建费用较低，运营成本、维护成本和操作手的成本远远低于载人机系统。3.1无人机飞行平台——Quickeye（快眼）系列无人机Quickeye（快眼）-Ⅱ型后推式无人机Quickeye（快眼）-Ⅱ型拉进式无人机Quickeye（快眼）-Ⅲ型前拉式无人机（起降容易，机仓容量大，3-4小时续航能力，优越的航拍摄影飞行平台）Quickeye（快眼）-Ⅳ型前拉、后推式无人机实体（双引擎、四舵面安全备份，两套系统自动切换；超强负载；可用率、安全性极强）Quickeye（快眼）系列无人机作业实况考察图片图：无人机培训照片Quickeye（快眼）系列无人机主要硬件参数：参数项目快眼-Ⅱ快眼-Ⅲ快眼-Ⅳ气动外形前拉式/后推式拉进式前拉后推式机长1.8m2.3m2.6m翼展2.6m3m3m机翼面积0.9平方米1.0平方米1.1平方米机高500mm490mm（0度停机角时）480mm载荷仓容积0.6平方分米18升7.8升空重10公斤6kg8kg适用相机EOS5D以上EOS5D以上EOS450D以下最大燃油储量2.2升9升8.4升最大起飞重量14kg28kg38kg最大任务载荷2.5kg8kg12kgQuickeye（快眼）系列无人机主要作业参数：参数项目快眼-Ⅱ快眼-Ⅲ快眼-Ⅳ最大空速140公里/小时150公里/小时135公里/小时最大飞行高度海拔3500米海拔6500米海拔5000米最大海平面爬升速率5米/秒满载时5米/秒满载时5.5米/秒航程150公里400公里250公里燃油消耗率22毫升/分钟2.2升/小时4.5升/小时发动机巡航转速5800-6000转/分钟5800-6000转/分钟6000-6500转/分钟发动机最高转速7000转/分钟7200转/分钟7200转/分钟巡航空速97公里/小时120公里/小时110公里/小时最大过载3.5G4.4G5G航时1.8小时3-4小时2-3小时标准作业航程110公里250公里180公里巡航抗风能力13米/秒15米/秒17米/秒起降抗风能力5级5级5级控制半径100公里200公里200公里3.2飞行控制系统本项目采用中国科学院遥感应用研究所自主研发的微型无人机控制系统——Quickeye（快眼）型无人机飞控系统。该系统包含：机载飞控、地面站、通讯设备。可以控制各种布局的无人驾驶飞机，使用简单方便，控制精度高，GPS导航自动飞行功能强，并且有各种任务接口，方便用户使用各种任务设备。起飞后即可立即关闭遥控器进入自动导航方式，在地面站上可以随意设置飞行路线和航点，支持飞行中实时修改飞行航点和更改飞行目标点。单一地面站控制多架飞机的能力和自动起降的功能也正在开发中。作为无人机的飞行控制核心设备，系统的主要任务是利用GPS等导航定位信号，并采集加速度计、陀螺等飞行器平台的动态信息，通过INS/GPS组合导航算法解算无人机在飞行中的俯仰、横滚、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收处理地面发射的测控信息，用体积小巧的嵌入式中央处理器形成以机载控制计算机为核心的电子导航设备，对无人机进行数字化控制，根据所选轨道来设计舵面偏转规律，控制无人机按照预定的航迹飞行，使其具有自主智能超视距飞行的能力。1)、自稳能力：在各种气象条件及外界不可预测影响下，智能测算无人机的各项指标参数，自动控制无人机的飞行姿态的稳定，确保无人机正常飞行；2）、自航能力：在保持无人机飞行稳定的前提下，采用各种导航手段，控制无人机按照预先设定的航迹飞行，执行相应航线任务；3）、状态监控与测控接口：作为整个无人机系统的控制核心，飞行控制计算机系统实时监控无人机各模块状态，并通过高速接口与地面站实时进行指令和数据的交换。Quickeye（快眼）型无人机飞控系统采用了最先进的FutabaPCM1024系列遥控，操作比一般的无人机控制系统更加灵活灵活，飞行姿态控制更加方便。控制系统的舵机是中科院遥感所自主研发的，达到了50Hz更新率，13位舵机分辨率，使项目微型无人机能够获取更高精度的数据。主要特性如下：¾集成4Hz更新率GPS，可扩展北斗、GLONASS组合导航；¾集成数字式空速、气压传感器，0.1mba高精度，高度测量可扩展无线电高度计；¾集成低成本低重量IMU，通过带GPS修正的Kalman滤波计算最贴近真实情况的飞机姿态，动态精度±2º，消除瞬时加速度、陀螺漂移对姿态计算的影响；¾使用跳频遥控信道传输遥控指令，跳频902~930MHz，摈弃普通无线遥控器，相当于扩展了跳频抗干扰遥控增程器，遥控控制距离增强到电台的控制距离(地对空10~50km以上)，抗干扰性极强抗干扰性极强，在电磁环境复杂地区仍然能安全可靠的手动遥控无人机；¾定位系统可扩展差分GPS，实现精准航线控制与自动滑降；¾可外接高精度惯性导航组件，各类AHRS、垂直陀螺，并可外接涡喷发动机电子控制单元（ECU）；¾可控制机载伺服云台转动，CCD变焦，算法可控制云台锁定地面固定目标；¾定时、定距相机拍照控制，并在机上保存拍照时的飞机遥测参数；¾提供半自主控制，操作员仅仅进行摇杆的左右操作，在定高状态下自动控制无人机飞行；¾实时修改、上传航线，实时调整飞行控制参数；¾飞行操控手的所有操作动作均有数字记录，可回放分析操控过程；¾实时显示3轴加速度值、3轴陀螺值等IMU传感器信息；¾7—20V宽电压输入，12位A/D采集电压监控；¾多种PID组合控制算法，256~1024个任务航路点，12个制式航线，航段速度、高度、半径和任务可单独设置；¾“傻瓜式”操作，多种飞行控制方式：全自主弹射起飞、全自主手掷起飞、全自主巡航飞行、全自主“一键式”回收、点哪飞哪、就地盘旋；完全夜航功能；¾用户可设置的安全保护功能；电压监控、发动机转速监控，发动机灭车、意外安全保护；¾支持实验室模拟飞行功能，足不出户预先判断飞行效果；¾9通道舵机输出，支持定时、定距控制拍照任务舵机动作，支持开伞、切伞、开舱、抛撒等舵机动作；¾支持完全副翼转弯、压坡度横滚转弯，支持常规、V尾、H尾、三角翼等各种布局；¾搭载在系留平台高空悬浮7天考核，经过军品装备验收程序严格考核，高低温、振动、冲击、电磁兼容等各项指标符合国军标。Quickeye（快眼）自动驾驶仪参数:项目参数主供电电压7—20V主供电电流≥200mA可控最高空速200m/s可控最高地速350m/s可控飞行高度20-5500m（海高）导航支持方式GPS，4HZ姿态测量精度±2º，RMS姿态控制精度横滚±3º、俯仰±3º、旋偏±6º导航控制精度（偏航距）±5m，无差分，直飞段，重复精度高度控制精度±5m，直飞段，重复精度输出舵机控制通道9路中央处理器主时钟频率200MHz舵机更新频率50HZ工作温度-10℃~+55℃储存温度-20℃~+85℃3.3地面站系统地面控制系统软件在无人机飞行前进行任务航路规划，在无人机飞行过程中显示飞行区域的电子地图、航迹、飞行参数、飞机的姿态航向参数。飞行中所有飞行参数和导航数据可实时下传并记录。操作者可通过航迹规划和路径调整进行各种任务的控制执行。地面控制系统的人机界面让操作者可方便的修改航路点、目标航向并监视飞行状态；地面站软件界面示意图3.4航拍摄像系统系统为多种小型遥感传感器提供了良好的搭载平台，如探地雷达、热成像仪、气象传感器、合成孔径雷达等，易于拓展监测功能，以满足多种快速监测所需，可以根据需要更换搭载设备。此项目以搭载CanonEOS5DMarkII相机为主，主要参数如下：相机类型：CanonEOS5DMarkII（36×24mm）像素：5616×3744pixel像元大小：6.41umX0＝2792.2860Y0＝1863.0639f0=3794.7582(像素)K1=0.000000008010972863K2=-0.000000000000000534P1=0.000000146843225210P2=0.000000042386011979a=-0.000036388934b=-0.000191509278焦距24航高相片宽度相片高度横向分辨率纵向分辨率有效相片宽度有效相片宽度底片宽35.81001491000.030.035265底片高23.92002981990.050.051041293004482990.080.08157194底片横向像素数56164005973980.110.11209259底片纵向像素数37445007464980.130.132613246008955980.160.1631338870010446970.190.1936545380011937970.210.21418518纵向重叠率35%90013438960.240.24470583航线重叠率65%100014929960.270