基于APM的开源测绘无人机组装流程探讨_刘亚非.pdf

收稿日期：基金项目：中国铁路设计集团有限公 司科技 开发计 划重 点课题（）。作者简介：刘亚非（），男，年毕业于北方交通大学交通土建专业，工学学士，工程师，：。文章编号：（）基于 的开源测绘无人机组装流程探讨刘亚非（中国铁路设计集团有限公司，天津）摘 要：随着测绘科技设备的快速发展，无人机在测绘领域的应用越来越广泛，并取得了一定的成绩。无人机测绘的优势在于可以快速、高效地获取常规测绘手段难以获取的地理信息数据。从现场的使用经验来看，由于飞手对飞机不熟悉，经常会出现不确定的飞行事故，不但影响现场项目进度，还会引发安全事故。为了降低无人机使用成本，以及更精准地控制无人机，根据实际制作经验，从开源软件 出发，详细阐述基于 自制 轴测绘无人机的过程，从开源无人机的硬件组成、无人机固件写入、各部件调试、无人机实测飞行等方面进行介绍。研究表明，自制的多旋翼无人机具有制作成本低、维修方便、续航时间长等优点，可满足铁路测绘行业基本的使用需求。关键词：无人机；多旋翼；飞控固件；校准流程中图分类号：；文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（）：（，）：，：；概述低空无人机航空摄影测量技术因其高时效、高分辨率、低成本及可重复性等优势，在诸多领域得到广泛应铁 道 勘 察 年第 期用。首先通过无人机飞行平台所搭载的高分辨率 相机、激光扫描仪等机载遥感设备获取的信息，再利用计算机图像处理软件根据实际的使用环境和特定的精度要求，制作符合要求的图像。无人机测绘搭载的设备有可见光相机、激光雷达（）、合成孔径雷达等，后端数据处理程序有 、等。无人机摄影成图的基本流程见图。图 无人机摄影成图基本流程无人机测绘作业时，受外界环境条件影响较大，且对“飞手”操控水平要求较高。一旦发生“炸机”情况，就需要送厂返修，来回耽误时间很长，这对于工期要求很紧的现场测绘作业项目来说很难接受。为了解决该问题，基于开源固件，采用市场很方便就能购得的相关零部件，自制 轴多旋翼无人机。自制无人机除了能够大幅度降低成本外，如果飞机在作业现场发生损坏，飞手很容易地能够修复飞机，从而不耽误现场的测绘作业进度；另外，还能够根据搭载设备的重量、种类、续航时间要求，配置不同的飞行平台，以适应不同领域的测绘需求，满足现场生产需要。大疆最新的两款机型和作者自制机对比见图，其中，开源 轴、荷载 无人机可用于 相机作业；开源 轴、荷载 无人机可满足激光雷达（）作业需求（见图）。图 开源机与成品机外观比较 测绘无人机组成测绘用无人机一般由两部分构成，一部分是飞行系统（飞行平台），另一部分是荷载系统（机载设备系统）。飞行平台有多旋翼、直升机、固定翼、垂直起降固定翼等，具体选用哪种飞行平台，主要由作业要求和荷载重量决定；机载设备有数字相机、激光雷达等，具体选用哪种设备，主要由数据需求决定。飞行平台一般分为两大部分，一部分是硬件部分，一部分是软件部分。硬件部分采用市场上常用零部件，包括：机架、无刷电机（）、飞控、的、乐迪遥控器及配套接收机、好盈 电调、螺旋桨、数传电台、图传等；软件部分主要是飞控固件，采用基于开源 生成的多旋翼 固件。项目至诞生到现在，大约有十多年的历史，其固件版本也由当时的.版本发展到现在的.版本，固件开源且免费，运行性能稳定，功能强大，其中的 系列固件为自制多旋翼无人机的首选。.飞行平台的组装飞行平台为典型的 多旋翼无人机套装配件（见图），整个套件价格不超过￥元。自制无人机原则：首先确定无人机的用途，进而确定无人机的荷载，荷载确定后要考虑无人机的标准，并注意各项指标均衡。另外，最重要的一点就是安全性，其次才是操控性、性价比、续航时间、负载能力等。在无人机组装的时候要重点注意几个问题：焊接问题，电烙铁建议选取 的电烙铁，焊锡的连接处要使用热缩管绝缘，不要使用绝缘胶布。在进行螺丝连接的时候，一定要打螺丝胶（无人机工作时整体处于震动状态，容易出现螺丝松动的现象，打螺丝胶能够有效地避免螺丝松动）；无人机组装是个细致耐心的工作，要仔细熟悉无人机各部件的性能指标，如接收机 信号与 信号的区别，接口与 接口的区别，接收机 针和 针的区别等。.无人机固件编译环境的建立无人机固件编译是自制无人机的核心工作。环境下无人机固件编译环境需要的工具主要有以下几种。（）该工具为一个运行于 系统上轻量化的 虚拟机，可以在 环境下运行 命令。在 中有很多软件包，包括、等库文件。：该工具主要功能为建立无人机模拟飞行仿真环境的；配置脚本：通过 下载基于 的开源测绘无人机组装流程探讨：刘亚非图 多旋翼无人机套材 官网提供的自动脚本文件，以便建立 的编译环境。（）编译器由于飞控固件运行在单片机上（系列），需要用到 编译器，下载地址为：，编译器安装完毕后，应添加路径到环境变量。（）系统 是一种分布式版本控制系统，应用此系统，可以使若干个不同的远端代码仓库进行交互，安装完毕后，需 要 输 入 命 令“”进行配置。.飞控固件的克隆及版本的切换下载开源 的飞控固件前，需要先注册一个 账号，同时还需要下载安装 ，以实现远端代码复制，然后进行编辑、编译、等工作。编辑软件选取种类较多，建议采用，具体步骤如下。登录，进入注册页面（见图）。点击 按提示要求注册，注册成功后界面见图。在搜索框输入“”，界面见图。右键选择“”，根据网速不同，全部分支会自动下载到本地电脑的 盘，下载成功后，然后生成一个名为 的文件夹。图 登录注册界面图 注册成功界面下载到 盘的 文件处于主分支状态（分支），此时，不可以用主分支文件编译飞控固件，必须切换到稳定版本才能进行编译。然后进入 终端，打开 ，依此输入命令（见图，图）。.飞控固件的编译及烧写切换完分支后，应对 文件进行编译，以生成能在单片机上运行的文件（后缀为），编译飞控文件的编译器为，飞控硬件选择 框架（目前开源 飞 控 硬 件 对 应 的 框 架 有 框 架 和铁 道 勘 察 年第 期图 文件夹界面图 系列固件版本图 更新 子模块 框架，框架对应 的 系列单片机，框架对应 的 系列单片机），运行终端，依此输入以下命令。：进入 文件所在盘符 盘。进入 文件。查看所有支持版本，以确认文件包含飞控类型。选择飞控板为 类型。编译文件为多旋翼固件。编译成功后，本地电脑的 文件即为飞控写入文件（见图）。安装地面站软件，飞控连接到电脑，依此选择初始设置安装固件加载自定义固件，选择 文件，按提示完成固件烧写（见图）。测绘无人机校准固件写入飞控，无人机各部件连接完毕后，方可进图 飞控固件编译图 飞控固件位置行校准工作。主要有加速度校准、磁罗盘校准、遥控器校准、电流计校准、电调油门校准。.加速度校准进入 页面，依此选择“始设置必要硬件加速度计校准”，进入加速度计校准，然后分别按提示进行“平放、飞控向左、飞控向右、飞控向下、飞控向上”等操作，俗称无人机业界的“加速度舞蹈”，校准成功后，提示，即为校准成功，然后重启（见图）。图 加速度校准界面.磁罗盘校准无人机罗盘有内置罗盘和外置罗盘之分，内置罗盘是飞控内的罗盘，外置罗盘是外接 的罗盘，为防止各种外界因素对磁罗盘的干扰（震动、温度等因素），应尽量选用 外置罗盘。进入 页面，依此选择初始设置必要硬件指南针选项，进入磁罗盘校准，根据校准进度条提示进行旋转，完成磁罗盘校准，校准成功后，页面会有校准误差提示（见图）。.遥控器校准进入 页面，依此选择初始设置必要硬件遥控器校准选项，进入遥控器校准，然后分别对（横滚）、（俯仰）、（旋转）、（油门）各摇杆及遥控器进行旋转，按提示完成遥控器校基于 的开源测绘无人机组装流程探讨：刘亚非准（见图）。图 罗盘校准界面图 遥控器校准界面.电调油门校准步骤为：遥控开机油门打满飞机上电飞机断电重新上电开启飞控 开关遥控油门拨最低飞机断电重新上电完成校准。测绘无人机的控制开源无人机既可以使用开源地面站进行操控，也可以单独使用遥控器进行操控。将飞控与 地面站进行连接，点击“飞行计划”图标，进入“飞行计划”窗口页面，通过该窗口的“”“地图”等按钮设置时间和地图模式，从而实现对时间、空间基准的设置。在该窗口右键单击鼠标，弹出功能窗口，根据窗口提示内容插入航点，编辑航线。选择自动航点工具，依据测绘任务需求在弹出窗口，可以实现相机类型选择、飞行高度、航线角度、航向重叠率、起始点位置、相机参数等功能的设置。实测飞行.飞行前注意事项根据民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定，最大起飞质量 的民用无人机必须在“中国民用航空局民用无人机实名登记系统”上申请账户，并将系统给定的登记标记粘贴在无人机上，由于无人机测绘作业的敏感性，在飞行作业中，应严格遵守中华人民共和国测绘成果管理规定中华人民共和国测绘法中华人民共和国保守国家秘密法等相关法律法规。.实测飞行经多次实测飞行，采用本方法制造的 轴无人机在荷载 、块 动力锂电池情况下，留空时间为 ；如果并联 块备用电池，荷载下留空时间能达到 。可满足铁路测绘行业基本使用要求。结语实践证明，基于 的开源自制无人机能满足在铁路测绘现场的使用，同时也能节约一定的生产成本。另外，无人机测绘在铁路测绘行业的推广使用应结合本行业的特点，如铁路既有线测量若采用无人机技术，会对铁路运营线路的安全产生一定的威胁，未来铁路测绘无人机发展应结合智能硬件的使用，走出一条适合本行业发展的道路。参考文献 刘亚林 无人机数码航摄技术在铁路勘测中的应用 测绘通报，（）：王冬梅 无人机测绘技术 武汉：武汉大学出版社，肖景和，赵健 无线电遥控组件及其应用电路 北京：人民邮电出版社，林庆峰，谌利，奚海蛟 多旋翼无人飞行器嵌入式飞控开发指南 北京：清华大学出版社，大塚弘记 入门与实践 北京：人民邮电出版社，凌杰，姜楠 学习指南 北京：人民邮电出版社，张海龙，袁国忠 第六版中文版 北京：人民邮电出版社，王瑞，丁晓青 四旋翼飞行器设计与实现 北京：清华大学出版社，全权，戴训华，王帅 多旋翼飞行器设计与控制实践 北京：电子工业出版社，国家民航局 民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定：北京：民航局出版社 万刚 无人机测绘技术及应用 北京：测绘出版社，官建军，李建明，苟胜国，等 无人机遥感测绘技术及应用 天津：河北工业大学出版社，张雍华，王富章，蒋丽丽，等 高速铁路智能基础设施发展关键技术研究 铁道建筑，（）：刘含海 无人机航测技术与应用 北京：机械工业出版社，姚建平，蔡德钩，安再展，等 铁路无人机巡检研究应用现状与发展趋势 铁道建筑，（）：冯增文，李珂，李梓豪，等 低空无人机的倾斜摄影测量技术在城市轨道交通建设中的应用 测绘通报，（）：铁 道 勘 察 年第 期