无人机水文测流技术应用初探

无人机水文测流技术应用初探

刘育1魏伟男2

黄委河南水文水资源局河南郑州4500001

黄委水文局河南郑州4500002

摘要：水文工作对社会发展有着非常重要的作用。传统的水文测流方法是使用转子式流速仪或者采用浮标法进行测量，要求实测人员按照水文测量规范要求，以及长期的工作实践经验对河流断面进行测量，不仅劳动强度大，而且历时较长，费工费力。水文数据具有一定的时效性，洪水期间，河流量较大，涉水测量存在一定的安全隐患，而且由于人为因素，测量数据很难做到及时、稳定、准确。近年来，多旋翼无人机在水利行业得到越来越广泛的应用，主要包括山洪灾害调查评价、水土保持监测评价、河道监测与监管、防洪抗旱减灾和水利工程等，多通过无人机搭载相机、摄像机、激光雷达等开展图片拍摄、视频摄像、影像传输等工作。目前，多旋翼无人机水文测流应用还处在探索阶段，暂无比较成熟的或有突破性成果的文献或报告，是一个较新的研究领域。

关键词：多旋翼无人机；水文测流技术应用；

前言：传统的测流方式导致工作人员只能长期驻守测站，效率低，任务重，耗时耗力。水文行业的发展过程与社会的发展息息相关，各个水文站准确、及时、可靠的水情数据是地方防汛抗灾指挥的重要依据，是各类水利工程设计、项目审批、建设管理的科学依据，为地方水资源管理提供全方位服务。所以说水文数据尤为重要。

一、无人机功能

1.针对中小河流水文测验和应急监测任务，在确定数字地图的条件下，可以实现航线任务实时规划。多旋翼无人机作业系统的主要功能如下：（1）任意地形作业航迹规划；（2）人工操纵/增稳控制/自动控制飞行模式切换；（3）通过操纵手控制遥控器上的开关，实现三者之间的一键切换；（4）全自动控制作业飞行，多旋翼无人机本体对象不稳定，通过内回路的姿态稳定控制和外回路精确制导逻辑，保证多旋翼无人机可精确稳定跟踪各类控制指令，实现作业过程中无人干预情况下的全自动起飞/着陆、以及航迹的精确跟踪（亚米级），并在作业完成后自动返航、或通过地面站指令实现“一键返航”；（5）高度通道人工可干预，在地形起伏较大、规划难以补偿（受限于地理信息采集点有限）的情况下，可通过遥控器操纵杆人工干预补偿飞行高度，保证无人机的安全飞行，这一功能在峡谷、城市作业时尤为重要；（6）地面遥测遥控，通过地面站的显示界面，可在起飞前加载飞行任务，在飞行中发送飞行指令并实时监测各种飞参数据，且具有第一人称飞行图像显示功能，具有友好的人机界面；

2.技术特点。（1）采用小型传感器系统，提高任务可靠性的同时减少了重量；

（2）采用成熟货架电动舵机，提高舵机的寿命；（3）通过内置飞行参数记录模块，提高调整试飞工作效率；（4）包含完善的计算机、舵机的自监控措施，保证故障切换的可靠性；（5）紧急情况之下可采取紧急返航或自转下滑策略，最大限度地保证系统安全性；（6）软件中采取完善的故障处理措施，提高系统安全性。

二、多旋翼无人机水文测流技术应用

1.稳定飞行控制系统。结合水文监测任务的飞行环境，稳定飞行控制系统可实现以下8种稳定飞行控制功能：（1）三轴姿态保持（ATT）。姿态保持是最基本的控制模态，提供多旋翼无人机三轴姿态（俯仰、横滚与航向）保持功能；（2）速度给定与保持（VEL）——含纵、横向速度遥调功能。速度给定与保持模态可提供保持投入瞬间的速度值的功能。依据飞行速度又分为空速保持、地速保持和悬停保持3种。可通过飞行组合指令的速度给定项来调整速度基准；（3）航向给定与保持（HDG）——含航向遥调功能。航向给定与保持模态可提供跟踪并保持飞行组合指令给出的航向给定值的功能。由滚转通道和航向通道协调进行控制；（4）高度给定与保持（ALT）—含高度遥调功能。高度给定与保持模态可提供保持投入瞬间的高度值的功能。依据当前高度又分为气压高度给定与保持和无线电高度给定与保持两种工作方式。可通过飞行组合指令中的高度给定值来调整高度基准；（5）自动区域导航（NAV）。自动区域导航模态依据预先装订的航路信息及惯性导航系统的飞行状态信息所计算生成航向导引指令控制多旋翼无人机完成沿设定航路的飞行的功能；（6）位置给定与保持（PH）——含纵、横向位置遥调功能。位置给定与保持模态可提供保持投入瞬间位置的功能。可通过飞行组合指令的纵、横向位置给定项来调整位置基准；（7）自动向下过渡（TDN）。自动向下过渡模态的功能是使用俯仰及总距通道，以预先编制的程序退出巡航飞行状态，逐步调整到悬停飞行状态，即调整飞行速度由巡航空速至零地速，同时调整高度至机场航路点上方10m（暂定）的高度。当地速小于1m/s（暂定），且高度达到期望高度后，由制导逻辑确定该模态是否结束，并调用其它模态；（8）自动向上过渡（TUP）。自动向上过渡模态的功能是使用俯仰及总距通道，使多旋翼无人机以预先编制的程序退出悬停飞行状态，逐步调整到巡航状态，即调整飞行速度由零地速至巡航空速，同时调整高度至应飞航路点的高度。当空速达到巡航空速，且高度达到期望高度后，由制导逻辑确定该模态是否结束，并调用其它模态。

2.冰凌监测试验研究。通过准备，载荷搭载多旋翼无人机在获取冰情凌汛高分辨率影像数据。多旋翼无人机系统搭载MiniSAR载荷，要求其动力系统任务载荷及其起飞重量满足5kg以上即可。现场使用自主研发的移动数据处理车处理生成标准数据产品，提供了准确判读的决策依据，发挥了SAR载荷昼夜间数据获取及移动数据处理车现场数据处理优势，为冰情凌汛监测、研判、预防处置提供了全新技术手段，创新了沿用多年的传统人工防凌监测模式;有效地解决了凌汛险情快速定位、复杂环境下多旋翼无人机爆破效果评估和安全作业等难题。机载SAＲ影像获取和移动数据处理车的应用，提升了对凌情险情的监测能力，为相关部门应急抢险决策提供了准确的数据信息和科学依据，使得破冰除险更加安全高效。微型高性能合成孔径雷达与多旋翼无人机飞行平台系统集成，主要对任务载荷安装舱进行一定的适应性设计，使其能够容纳合成孔径雷达设备，将微型高性能SAR设备安装于任务载荷舱头部，天线安装于机身右前方，与水平面成60°安装，并保证起落架对其无干涉影响。安装过程中，MiniSAR载荷设备以及相应的天线安装支架会对多旋翼无人机重心有较大的影响，通过三维数模测试制定严格的重心比例，对任务载荷布置方案进行进一步的优化，以保证飞行的安全。

3.多旋翼无人机技术的影响。通过多旋翼无人机的高清拍摄功能，以及对环境适应强的特点，可以对遥感技术进行一个数据上的实时补充，使其在数据传输上实现实时传输，更加快速、准确的执行任务。多旋翼无人机技术对遥感技术中地质环境信息的更新以及GIS数据库的升级、维护提供了更加便捷的操作平台，在传统手段和设备不能满足测流条件时完成测流，还可以通过在多旋翼无人机上安装雷达流速仪，采用非接触方式测流方法，使测流更加安全、可靠、灵活。多旋翼无人机技术无疑对水文工作有着更加深远的意义。

结束语：多旋翼无人机水文监测系统是一种崭新的非常规应急测流技术方法，多旋翼无人机测流飞行轨迹、视频图像及悬停点测流数据均通过无线链路传送回地面控制站计算机，数据被实时处理和存储。多旋翼无人机测流技术的研究是谁先开展了，谁就领先。凡是需要空中解决方案的地方，都将有多旋翼无人机的一席之地。

参考文献：

［1］朱晓原.我国水文测验技术的回顾与发展［J］.水文，2017(3):45－47.

［2］卞英春，周俊，朱文杰。浅谈遥感技术在水文水资源领域中的应用。河南水利与南水北调，2017(1):51－52

［3］郭良，等.无人机技术综述及在水利行业的应用［J］.中国防汛抗旱，2017(3):34－39.