学士学位论文—-多旋翼飞行器的关键技术以及区域性无线定位技术的研究思路体育教育.doc

xx航空大学学士学位论文

毕业设计（论文）

题 目：多旋翼飞行器的关键技术以及区域性无线定位技术的研究思路
学 院： 体 育 学 院
专业名称： 体育教育
班级学号： xxx
学生姓名： xx
指导教师： xx

二O一六年 六 月

学士学位论文原创性声明
本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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作者签名： 日期：

导师签名： 日期：

多旋翼飞行器的关键技术以及区域性无线定位技术的研究思路
学生姓名：xx 班级：121021
指导老师：xx

摘要：多旋翼飞行器近年来快速发展，应用的范围也越来越广泛。如在地形勘探、巡航监控、植物保护、拍摄电影等等方面，为人们的生活提供了方便，提高了一些行业的工作效率，创造了更多的社会价值。
在多旋翼飞行器自主飞行模块的发展下，使得更多的普通民众能够接触到这一领域。然而，多旋翼飞行器的技术繁杂，飞行技术更是需要飞手摸索。除了某些高校中开设了这门专业课以外，通过其它的渠道很难理解这一领域的关键技术，社会中也缺少介绍这一领域的专门书籍，使得很多多旋翼飞行器爱好者在探索这一领域时走了不少弯路。
本文根据现有多旋翼飞行器的发展，介绍了其构成的关键技术以及在特定条件下的飞行技术。后又根据现有的定位自主飞行技术对于区域性无线定位技术做一前瞻性的分析。

关键词:多旋翼飞行器 关键技术 通俗 解释 区域性 定位

指导教师签名：

The key technology of rotary-wing aircraft, as well as regional research of wireless location technology
student name: xx class: 121021
Advisor: xxxx
Abstract: Rapid development of rotary-wing aircraft in recent years, more and more broad application. Such as terrain for exploration, cruise control, plant protection, film and so on, provides convenience to people's lives, increase productivity in some industries, creating more social value.
Autonomous flight in rotary wing aircraft under the module development, allowing more people access to this area. However, technical complexity of rotary wing aircraft flight technology is needed to feel. In addition to some universities outside of this specialized course was opened in through other channels is difficult to understand why this area of key technologies, society also introduced specialized books in this field is missing, many rotary wing aircraft enthusiasts trying to walk in this area a lot of detours. Development based on rotary wing aircraft, introduced its key technologies and flight technology under specific conditions. According to the existing position independent after flying for a forward-looking analysis of regional wireless location technology.

Keywords: popular interprets the culture positioning multi-rotor aircraft key technology.

Advisor signature:

目 录
摘要 Ⅰ
Abstract II
1前言 1
2国内外研究现状 1
3多旋翼飞行器的构成模块 2
3.1多旋翼飞行器的核心构成 2
3.1.1机架 3
3.1.2嵌入式计算机模块 3
3.1.3底层控制芯片 3
3.2多旋翼飞行器的可选拓展模块 3
3.2.1飞控模块 3
3.2.2自主飞行模块 4
3.2.3数据传输模块 4
4多旋翼飞行器在不同环境下的飞行技术 4
4.1城市环境飞行 5
4.1.1开阔广场环境飞行 5
4.1.2街道环境飞行 6
4.2乡村环境飞行 7
4.2.1山谷地形飞行 8
4.2.2平原地形飞行 9
4.2.3丘陵地形飞行 10
5浅析区域无线定位系统 11
参考文献 13
致 谢 15

II

对于多旋翼飞行器关键技术的通俗解释以及区域性无线定位技术的浅析
1 前言
随着科技的发展，国民生活水平提高，无人机模型飞行科技的提升，越来越多人开始接触航模这一领域，更多的人开始加入航空电子模型飞行运动的这个行列中。发展航空模型飞行运动不仅能够提高国民的综合素质，还能在一定程度上推动航空模型制造以及飞行技术的发展。但是大多数航模爱好者都只是单纯的使用现有的成品模型飞行，并不能真正理解其知识原理。在实际飞行的过程中，甚至不能解决一些简单的问题。在探索飞行技术的道路上，不由得走了许多弯路，甚至炸机，造成许多不必要的损失。由于专门性的科技杂志学术性太强，广大模友无法理解。这就使得简单通俗的阐述和解释无人机模型的关键技术成为航空模型飞行运动得以推广的第一件事；之后结合自身在实际飞行中发现的现有自导飞行技术的定位精确度不足，对新兴的无线区域定位系统进行前瞻性探讨。
随着近年来模友数量不断的增加，通俗解释无人机关机技术有利于提高模友群体的知识水平，有利于飞手在实际飞行中对于复杂情况作出合理判断，有利于推进现有无人机的发展；浅析无人机区域定位系统有利于解决现有自导系统由于精度不足造成的损失。抛砖引玉,推动无线定位系统的发展。
2 国内外研究现状
无人机(Unmanned Aerial Vehicle或者Drone)是一种由无线电进行遥控或者通过机身载有的程序自主控制操纵的无人驾驶飞行[1]。近年来，多旋翼无人机（飞行器）(Multi-Rotor UAV)由于微电子机械系统(MEMS)器件和相关配套硬件的突破性发展，以及机身结构简单、构造和维护成本低、支持定点悬停和垂直起降(Vertical Take Off and Landing )的优点，在旋翼无人机的研究和工程应用中获得了快速的发展[2]。由于多旋翼无人机的旋翼数量和机身尺寸规格等参数的不同，多旋翼的构型和应用的场景也不尽相同，包括四旋翼[3]、六旋翼[4]、八旋翼无人机[5]等，多用于室外飞行任务中的军事侦察、气象观测、航空拍摄、小型货物运输、安防监控以及低空测量标定等场合，其中，在民用多旋翼无人机中，用于室外航拍[6]的相关产品在近年来在无人机市场中的份额有了大幅的提升，其中包括深圳大疆公司在内的多家公司生产的多旋翼无人机航拍产品已经实现了较高的盈利，其中尺寸较小的四旋翼飞行器还有很多在室内环境下的应用[7]，在室内导航的基础上实现室内的自主飞行，路径规划[8][9]和三维地图构建[10]，可用于建筑环境内部的灾难搜救，动态监控，安防巡视等用途。
随着多旋翼无人机的微型化，它的飞行空间已经扩大到丛林、城市甚至建筑物内。然而在这些复杂环境中，通常存在着噪声干扰、信号遮挡等问题，导致全球定位系统（GPS）的信号十分不稳定。所以无法得到多旋翼无人机准确的位姿参数，这就为无人机的自主导航控制带来了很大难题。因此，如何利用视觉系统或机载传感器（如激光雷达、摄像头或光流传感器等）对多旋翼无人机进行复杂环境下的定位已经逐渐成为各国的研究重点。迄今为止，欧美各国及我国都已经对此开展了研究并取得了一定的进展，其中包括日本千叶大学[11][12]、美国犹他州立大学[13]、宾夕法尼亚大学[14]、纽约市立大学[15][16]、康奈尔大学[17]、麻省理工学院[18][19] 、德国弗莱堡大学[20][21]、航空航天中心[22]等。
目前对小型多旋翼无人机的室外定位主要使用全球定位系统（GPS），室内主要采用多模块配合定位的自主飞行系统。全球定位系统（GPS）的民用精度只能精确到3米范围，军用级别GPS虽然精度更高，但是使用费用相当高昂，并且有着诸多限制。大多数小型多旋翼无人机的机身长度不超过1米，若使用民用级别的全球定位系统（GPS），定位精度已经无法应付复杂环境下的定位。若使用多模块配合定位的自主飞行系统，定位的范围仅运用于室内或者很小的范围。而本课题探究的这种区域定位系统是近年来新兴的一种定位系统，使用现有的无线发射基站以及各电信运营商的无线发射塔、无线WiFi、蓝牙模块进行极高精度的定位。使用此系统的无人机在无线信号覆盖的城市、山地、乡村环境下可以进行自主飞行或者固定路线飞行。可运用于城市3D地图测绘，区域范围山地地形勘探，考古墓穴探测，区域性无人机监控等诸多领域。这种高精度低成本且定位范围广的区域定位系统亟待研究。因此解释，分析此类定位技术在于为新的多旋翼无人机定位系统做出假设，抛砖引玉。
3 通俗解释多旋翼飞行器构成模块的关键技术
3.1多旋翼飞行器的核心构成
多旋翼飞行器是由硬件和软件两部分来构成的，起初，硬件部分的组成就只有机架、嵌入式计算机和底层控制芯片、电调、电池和电机。最初的多旋翼飞行器也是难以控制的，飞手需要自行练习很长的时间才能使其稳定飞行。而且这种多旋翼飞行器并不具备复杂飞行的条件。甚至吹一阵风就能报废一架多旋翼。但是最初的多旋翼是具有时代意义的，后人在此基础上，设计和发展的新模块使得无人机得以进化，发展到现有水平。
3.1.1机架
机架也就是无人机的主体部分，根据机臂的数量不同，从三轴到十八轴不等，还有组合轴型（比如四轴八旋翼。前段时间外国研究出了双轴多旋翼，但是需要很严格的放飞方式）无人机的所有机载设备全都安装在机架上。一般喜欢将机架的前后使用不同的颜色进行喷涂，这样有利于控制飞行姿态。由于强度和重量的考虑，大部分机架采用碳纤维材质（少部分使用合成高分子材料（也就是属性不同的塑料）。
3.1.2嵌入式计算机模块
嵌入式计算机模块是一架多旋翼飞行器的核心，它不仅使各个模块可以分工协作，还提供了强大的飞行算法。（作为非研究人员此处并不深究）简言之，它就像是多旋翼飞行器的大脑。通过处理不同模块给它反馈的数据，调整多旋翼的飞行姿态和飞行模式。
3.1.3底层控制芯片
底层控制芯片是对嵌入式计算机的一种辅助，如果将嵌入式计算机模块比喻成大脑，那么底层控制芯片类似于脑干，来控制各个模块不同的分工，最后将这些数据统一交给嵌入式计算机进行分工处理。
3.2多旋翼飞行器的可选拓展模块
随着多旋翼飞行器的兴起，许许多多的拓展模块开始出现，拓展模块是为了帮助飞手更好的操控多旋翼无人机。例如：电子陀螺仪、加速度计、电路控制体统等（统称为飞控（飞行控制模块））近些年，由于自主化飞行精度要求，又出现了许多高端自主飞行模块。例如：GPS接收器、声呐传感器、激光雷达传感器。使用多旋翼飞行器总有一些具体的任务（当前的多旋翼主要用于与图像传输有关的任务），所以，很多多旋翼无人机还带有数据传输模块。
3.2.1飞控模块
飞行控制模块包括了所有对多旋翼飞行有所帮助的辅助模块，（这里只讨论部分常用和普及的模块，对于实验研究级别的高端数据模块不做研究）。陀螺仪：最早的机械陀螺仪用于航海，后用于飞机，但是机械陀螺仪太大并且十分笨重。发展到现代，出现了电子陀螺仪。陀螺仪只测试旋转角速度，它对加速度十分敏感。对于多旋翼飞行器来说，陀螺仪是保证平稳飞行的关键。加速度计：用于测量飞行器来自不同轴的加速度和重力（飞行器一般都有三个轴向，分别是水平、俯仰、滚转），在多旋翼飞行器突然转向或者升降时，它可以使飞行器更加安全平稳的作出相对应的一系列变化。电路控制系统：这里得介绍一个对于电子多旋翼飞行器十分重要的模块：电调。（也称电子调速器）它将飞控系统做发出的控制信号，转变成电流信号大小，从而控制多旋翼飞行器的飞行姿态。同时，电调还承担了电压变化器的功能（所有电机同时工作需要的电流大小远远大于飞控所使用的），使得飞控和电机能够稳定运行。
3.2.2自主飞行模块
谈及这个模块，首先就是GPS接收模块。GPS系统是一个全球覆盖率高达98%的系统。美国耗资300亿耗时20多年完成此系统。可靠性很高，应用范围也很广泛。GPS模块能测出无人机当前的经纬度、海拔高度、对地速度等信息，一般还会包含地磁罗盘，用于测定航向。多旋翼无人机搭载此模块就是为了更好地自主飞行。通过GPS的精准定位（其实用于多旋翼无人机而言任然不够，第四章会提到）可以相对准确的飞行。声呐传感器：其实多旋翼飞行器应用声呐传感器是为了配合修正其它模块由于电磁干扰或者震动所带来的定位精度缺失。主要是对升降时的对地距离修正。使无人机不至于因为失准而重力降落。激光雷达传感器：搭载激光雷达传感器主要用于避障，通过激光不停地返回当前飞行器所处环境周边的信息，从而进行调整，避免装上障碍物（新兴技术）。
3.2.3数据传输模块
数据传出模块是多旋翼飞行器多见的模块之一，现有的多旋翼飞行器多用于拍摄，所以机载数据传输模块很常见。一般而言都是机载云台，配备一个高清的摄像机（相机）然后以短波的形式传送回地面PC站（或者手机和平板电脑，大疆公司的精灵系列就是将数据传输回ipad或者iPhone），在研发当中，还以传送飞行日志，也就是各个部件之间工作的数据，以便于修改和完善多旋翼飞行器的飞行控制系统
4 多旋翼飞行器在不同环境下的飞行技术
多旋翼无人机是通过控制电机转动，改变分布在机体周围多个旋桨的转速来提供升力的一种无人机。（以四旋翼为例）四旋翼无人机的飞行原理可以简单概括如下:(1)当同时增加或减小四个旋桨的转速时，无人机可产生向上或者向下的升力，从而实现垂直方向上的运动，如图1-1(a); (2)当保持旋桨2和4转速不变时，增加旋桨3转速的同时降低旋桨4转速，无人机可产生绕Y方向的正力矩，使机体实现向前的倾斜运动。反之则产生向后的倾斜运动，如图1-1 (b); (3)在保持旋桨1和3转速不变的情况下，增加旋桨2转速的同时降低旋桨4转速，无人机可产生绕x方向的正力矩，使机体实现向左的倾斜运动，反之则产生向右的倾斜运动，如图1-1（c）; (4)当等量增加旋桨1和旋桨3的转速，同时等量降低旋桨2和旋桨4的转速时，无人机可产生逆时针的反力矩，从而实现机体逆时针转动，反之则会顺时针转动，如图1-1（d）

（图1-1）
其实通俗的讲，在练习四旋翼飞行时，应该让其一个旋翼固定朝向飞手自己，这样就可以在开始学习飞行时，灵活的操控。这种练习飞行的方式叫做：对头练习。如图（1-1），a是垂直起降，b是朝着箭头标注的方向前进，c和b相同，d是在水平方向做横转。
在对西安市的部分模友的走访中，发现他们大多数的问题来自飞行技术，部分模友甚至没有经过培训或者练习，买了成品机型就直接开始飞行，然后才在实际的飞行中获得经验和教训。这种方法是极其不可取的，不仅风险很大，而且容易对他人造成伤害。
于是我和几位模友在实际的飞行训练中，通过不断的飞行以及经验的累计，设计出了一些十分具有借鉴价值的飞行实验，下面是对于这些经验的部分总结。
4.1城市环境飞行
随着航空模型运动的发展，越来越多的普通人开始加入这个行列，而且大部分的模友也都来自城市，很多模友节假日会在江边、学校操场、大型公园里飞自己的多旋翼飞行器（多见为四轴）。但是在实际飞行中，并不是所有的模友都能规避一些的潜在危险，在这种因素下，我们开始了一些实验。
4.1.1开阔广场环境飞行
实验背景：
城市中较为适合飞行的场所就是比较开阔的广场，模型飞行时一定要尽可能的选择这种场地。不仅能来得及反应，还可以避免伤及他人。但是城市开阔广场飞行也有潜在风险。城市中影响多旋翼无人机飞行的因素无外乎电磁干扰和城市乱流。由于无人机自主避障功能的研发，即使控制信号被干扰，只要无人机在视距内，自动避障功能就能将风险降到最低。但是城市乱流还是存在，突然的强风可能让无人机离开你的视线范围，城市中障碍物又多，就可能出现飞丢的可能。
实验目的：
测试城市乱流对多旋翼飞行器的影响。
实验预测：
突然出现的城市乱流会强烈影响多旋翼飞行器的飞行轨迹。
实验工具和器材：
大疆PHANTOM3 （PROFESSIONAl）、秒表、风速计。
实验方案设计：
以公园内地面风速为0m/s的一点为起点，在同一直线上，每间隔30m左右，做一次高度60m的匀速爬升，记录各个点需要爬升的时间和最终偏移的位置，得出数据。
实验结果记录和处理：
表1：城市开阔广场飞行试验数据表

对照组
实验组1
实验组2
实验组3
实验组4
实验组5
实验组6
实验组7
实验组8
实验组9
实验组10
地面风速(m/s)
0
0.3
0.6
1.2
1.5
1
1.8
0
0
1.3
0.6
爬升速率
4.8
5.3
3.6
4.9
4.5
5.88
5.35
4.54
6.25
5.94
7.22
爬升高度
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
所用时间
12.5s
11.3s
16.3s
12.1s
13.2s
10.2s
11.2s
13.2s
9.6s
10.1s
8.3
偏移距离
4.6m
5m
16m
20m
26m
12m
6m
14m
5.2m
14m
22m
(注：这里风速取各个方向风速的绝对值)
实验分析与结论：由实验数据可以看出，在爬升高度相同，匀速爬升的情况下，城市环境的乱流仍然会很大程度的影响多旋翼飞行器的飞行状态，特别是靠近城市高层建筑和街道口的地方，可能会突然出现强烈的横向风或者上升气流或下降气流。都会对城市飞行产生一定的影响，所以建议在城市中飞行时，时刻保持飞行器的飞行高度，以防在出现意外时能够及时补救。
4.1.2街道环境飞行
实验背景：
城市街道环境复杂多变，对于多旋翼飞行器的飞行来说，是个巨大的挑战，我们也不建议初学者在这种环境里飞行。在大疆公司推出了大疆PHANTOM4之后，似乎在这种环境飞行也不是什么难事（大疆PHANTOM4配备了基于视觉的自动避障模块）。由于某些飞行任务的需要（跟拍，定点巡航），仍然需要在这种环境下飞行，于是在现有条件下，我们在一条较为宽阔的街道进行了实验。
实验目的：
测试城市街道中乱流对多旋翼飞行器的影响。
实验预测：
街道中不稳定的乱流会使多旋翼飞行器难以控制。
实验工具和器材：
大疆PHANTOM4、秒表、风速计。
实验方案设计：
选择一条两端有十字路口的宽阔大街，从街道的一头开始，使用具有自动避障功能的多旋翼飞行器进行匀速30m高度的爬升。之后在街道中，随机选取障碍物较少的点，做爬升实验。
实验结果记录和处理：
表2：街道飞行实验数据表

对照组
实验组1
实验组2
实验组3
实验组4
实验组5
实验组6
实验组7
实验组8
实验组9
实验组10
风速
0
0.3
0.6
0
0.1
0.3
0.6
0
0
0.4
0.5
爬升速率
4.8
5
4.54
7.14
4.5
4.48
4.41
4.84
4.62
4.84
4.92
爬升高度
30m
30m
30m
30m
30m
30m
30m
30m
30m
30m
30m
所用时间
6.2s
6.0s
6.6s
4.2s
6.3s
6.7s
6.8s
6.2s
6.5s
6.2s
6.1s
偏移距离
2.2m
3.4m
1.2m
1.6m
1.4m
2.6m
1.2m
1.4m
6m
2.4m
3.6m
(注：这里风速取各个方向风速的绝对值)
实验分析与结论：根据实验数据可以看出，在城市街道环境飞行时，来往车辆会引起气流的方向突然发生变化。车辆驶来时气流会突然抬升，致使飞行器随气流突然抬升，当车辆驶离时，强烈的下降流会牵引飞行器下降并朝着车辆行驶方向飞行，当多辆车辆混合行进时，气流变化十分复杂，在很大程度上影响飞行器飞行的稳定性，飞手应该尽量避免在此种环境下飞行，或者配备有自动避障功能的飞行器。
4.2乡村环境飞行
多旋翼飞行器应用的领域多种多样，植物保护就是其中一种。这中飞行任务的产生需要飞手去乡村进行飞行，乡村相对于城市来说，飞行场地更为开阔，而且干扰也并没有城市中那么多。相对来说比较轻松。但是在不同的地形飞行，仍然存在飞行风险，我们就这几种较为特殊的地形，进行了几种针对性的实验。
4.2.1山谷地形飞行
实验背景：
多旋翼飞行器在商业拍摄领域的使用，使其在复杂地形拍摄成为必要。山谷就是其中一种。不管是景区宣传片，还是电影取景制作。山谷谷间飞行的稳定性尤为重要，对此，我们进行了一系列的实验。
实验目的：
测试影响山谷间多旋翼飞行的主要因素。
实验预测：
山谷间出现的上升和下降气流会使飞行器飞行不稳定，出现的谷风会使得飞行器的航向偏移。
实验工具和器材：
大疆PHANTOM3（PROFESSIONAl）、秒表、风速计。
实验方案设计：
在一山谷的入口，做匀速60m的爬升，之后做匀速的200m直线运动，收集爬升所用的时间、匀速运动的时间、风速、航向偏移的距离。
实验结果记录和处理：
表3：山谷地形飞行试验数据

对照组
实验组1
实验组2
实验组3
实验组4
实验组5
实验组6
实验组7
实验组8
实验组9
实验组10
风速(m/s)
0
1
2.3
0.4
1.6
3.2
1.2
0.6
1.5
2.6
1.2
爬升速率
6.25
5.94
5.36
5
5.88
6.25
6.9
6.25
5.77
5.36
5.66
爬升高度
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
爬升时间
9.6s
10.1s
11.2s
12s
10.2s
9.6s
8.7
9.6
10.4
11.2
10.6
爬升偏移距离
0
6m
3.6m
4m
2.3m
12m
3m
4.5m
0.6m
5.3m
2m
运行距离
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
200m
运行时间
20.1s
19.6s
17.6s
18.3s
22.4s
19.4s
17.6s
18.3s
19.2s
21.3s
20.1s
(注：这里风速取各个方向风速的绝对值)
实验分析与结论：白天由于谷风的影响，多旋翼飞行器爬升速度受到上升气流的抬升，爬升速率较快；进出山口的风力受到山峰阻挡，可能突然加大，横向风风向不定，飞行时应当注意抬升过快以及横向风方向突变等问题，避免造成抬升过度，飞丢飞行器，以及横向风影响飞行器飞行轨迹。
4.2.2平原地形飞行
实验背景：
平原地形飞行是乡间最为普遍的飞行了，不管是农田作业，还是植物保护，平原空旷的环境也会使得飞行更为轻松，但是，快速的平原风和开阔地所造成的眩晕效果，使得飞行仍然存在隐患。对此，我们进行了实验。
实验目的：
测试强力的侧向风对飞行器的具体影响，以及产生空旷眩晕的因素。
实验预测：
侧向风使得无人机平原做业偏移距离，农药喷洒不精确。
实验工具和器材：
大疆PHANTOM3（PROFESSIONAl）、秒表、风速计。
实验方案设计：
选择一块较大的农田，做往返运动（模拟正常的田间作业）以不使用风向标和风力测试装置的实验组为对照组，用相同的飞行方式，分别测试使用风向标和风力测试装置不同组下的飞行状态，主要收集航向偏移数据。
选择区域较大的农场，进行长距离的往返飞行，记录产生眩晕的时间和因素。
实验结果记录和处理：
表4：平原地形飞行实验数据

对照组
实验组1
实验组2
实验组3
实验组4
实验组5
实验组6
实验组7
实验组8
实验组9
实验组10
风速(m/s)
1.2
3.2
1.1
2
2.3
3.2
1.6
2.4
3.2
1.6
2.2
运行距离
35m
35m
35m
35m
35m
35m
35m
35m
35m
35m
35m
运行时间
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
偏移距离
4.1m
6m
3.1m
2.3m
4m
6.3m
2m
2.3m
5.7m
2.2m
4.2m
(注：这里风速取各个方向风速的绝对值)
实验分析与结论：平原地形是无人机飞行最为理想的环境，空旷、视野开阔、干扰较少，在练习飞行的时候，一般也会选取这种地形。这种地形主要需要注意的问题就是强力的横向风和空旷眩晕。突然出现的横向风让飞手猝不及防，无人机会偏离预定的飞行航线，需要飞手进行修正。飞行时间过长会产生空旷眩晕。当然，空旷眩晕的产生有多种因素，比如强烈的阳光照射、多旋翼飞行器的运行速度、飞手的状态等等。
4.2.3丘陵地形飞行
实验背景：
乡间最常见的地形就是丘陵地形，当然，大型的农场一般建在平原，丘陵地形果园居多。这类地形飞行与山谷和平原都不同，我们就这种特殊地形，进行了一系列实验。
实验目的：
测试丘陵地形影响飞行的因素。
实验预测：
影响丘陵地带飞行器飞行的因素不仅存在上升下降流还有侧向风。
实验工具和器材：
大疆PHANTOM3（PROFESSIONAl）、秒表、风速计、风向标。
实验方案设计：
选择建于丘陵地带的果园，分别在园内的最高点和最低点进行多组60m匀速爬升测试，记录时间、风速、航向偏移距离。
实验结果记录和处理：
表5：丘陵地形飞行实验数据（区域高点）

对照组
实验组1
实验组2
实验组3
实验组4
实验组5
实验组6
实验组7
实验组8
实验组9
实验组10
风速(m/s)
0
1.6
1.4
1.3
2.1
1.6
1.4
1.8
1.7
1.3
0.8
爬升速率
5
5.66
5.94
5.36
6.25
5.88
5.77
5.88
5.94
5.88
5.88
爬升高度
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
所用时间
12s
10.6s
10.1s
11.2
9.6
10.2
10.4
10.2
10.1
10.2
10.2
偏移距离
0m
4m
4.6m
4.2m
6m
4.6m
3.6m
4.2m
5.1m
4.1m
3.8m
表6：丘陵地形飞行实验数据（区域低点）

对照组
实验组1
实验组2
实验组3
实验组4
实验组5
实验组6
实验组7
实验组8
实验组9
实验组10
风速(m/s)
0
0.8
1.2
0.6
0.4
0
0.6
0.7
1.1
1.4
0.9
爬升速率
5
4.41
4.29
4.76
4.55
3.85
4.88
3.9
4.58
4.23
4.92
爬升高度
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
60m
所用时间
12s
13.6s
14s
12.6s
13.2s
15.6s
12.3s
15.4s
13.1s
14.2s
12.2s
偏移距离
0m
1.2m
1.4m
2.6m
2.2m
1.3m
2.1m
2.1m
0.6m
1.4m
1.5m

实验分析与结论：丘陵地形飞行时分为两种，一种是在高点，一种是在谷中。在高点飞行时，由于高点受横向风和上升气流影响，爬升效率非常高，横向风使飞行器难以控制，飞手得提前观察环境并且提前预判作出提前量的抗风飞行措施。在谷中飞行时，受到的横向风变小，但是下降气流容易使得飞行器撞到环境中的障碍物，建议安装有声呐模块的多旋翼飞行器飞行。
5 区域无线定位系统
多旋翼飞行器现有的自主飞行定位系统是以GPS为主导，其它模块为辅助的一种定位系统。GPS定位技术发展成熟，但是仍然存在由于信号干扰而产生的定位精度不足，于是就有了其它辅助模块辅助飞行（例如声呐、激光雷达等等）在实际的城市或者复杂地形飞行时，暴露出了一系列问题。
在实际的飞行中，我和我的伙伴们也遇到了不少关于定位不足而产生的问题，比如由于精度缺失，多旋翼飞行器在横穿狭窄空间时，需要飞手手动校准，但是某些特殊的地形飞手不能近距离操纵（在上面的街道飞行实验时，就有遇到穿越树冠从，而飞手看不见飞行器的问题），自主飞行的GPS模块又不能正常工作，就使得很多本来多旋翼飞行器能够应用的场合无法发挥出它应有的作用。
就多旋翼飞行器在我国现有的发展水平而言，多数是应用于室外宽阔的简单地形。然而多旋翼飞行器十分灵活，完全能够胜任复杂空间的复杂飞行任务。多旋翼飞行器的飞行之所以被限制，就是现有的定位技术已经无法满足如此之高的定位精度。
区域无线定位系统是多旋翼飞行器在一定区域内高精度自主飞行的关键技术。它和传统的定位系统相比有着定位精度高、定位速度快、信号频率不易受干扰等优势。但是由于现有的多旋翼飞行器制造商过于依赖GPS定位系统，使得此种技术没有得到充分的发展，尤其是在我国，这一技术基本处于空白状态。
当前GPS定位技术的民用精度在理想情况下才能到3m，（注：这是在我国能够使用的精度。军用级别0.3m）而现有的多旋翼大部分的机架长度都大于0.3m，所以使用GPS模块的飞行器大部分都使用了其它模块辅助，并且有飞手实时观测，才能做到低风险的自主飞行。
对于城市中高密度的建筑和大量的电测干扰，基于GPS模块的多旋翼飞行器飞行就需要飞手实时注意掌控，让飞行器自主飞行很难做到。若配合多模块避障，成本又会很高。多旋翼飞行器无法安全用于城市，这与它的设计初衷不相符合。这就需要发展区域无线定位系统。
区域无线定位是联合地面基站、WiFi、蓝牙等无线发射终端所建立的一种适用于区域的定位技术。可以在城市建立这种定位网，然后飞行器搭载所对应的接收器，就能高精度的自主飞行。（定位精度可以到1厘米）并且可以尽量少的搭载其它辅助飞行模块。这种系统建立之后，可以适配所有的飞行器进行自主飞行。这样一来，多旋翼飞行器的优势就能够充分发挥。
随着多旋翼飞行器的发展，进行城市飞行的需求会越来越大，过分依赖GPS模块不仅不利于多选于飞行器区域无线定位系统的发展，还让国内的多旋翼飞行器与国外的定位技术高度耦合，这无疑也是不利于国内多旋翼飞行器的发展。本文希望能够抛砖引玉，让更多的飞行器爱好者能够重视这种技术，从而推动区域无线定位技术的发展。

参考文献
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