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應(yīng)用 | 使用 UgCS 進行無人機 LiDAR 勘測規(guī)劃
為了獲得準(zhǔn)確的 LiDAR 掃描結(jié)果，飛行員需要遵循一些規(guī)則：
l正確校準(zhǔn) IMU（慣性測量單元）
l保持正確的飛行高度和掃描之間的線間距，以確保覆蓋范圍和點密度
l確保無人機正確轉(zhuǎn)彎和線掃描，以盡量減少 IMU 誤差積累和感興趣區(qū)域上方 LiDAR 的過度抖動
在手動飛行模式下，要完美呈現(xiàn)每一個細節(jié)都是一項挑戰(zhàn)，而使用專為攝影測量調(diào)查設(shè)計的飛行規(guī)劃工具則更是如此。SPH Engineering 的 UgCS LiDAR 工具集充分發(fā)揮了 LiDAR 的潛力，使遙感成為最有效的方法，并且不會出現(xiàn)人為錯誤：
lIMU 初始化模式作為無人機命令：
1. 八位數(shù)
2. U形
3. DJI L1、L2 的 IMU 校準(zhǔn)段
l航線規(guī)劃的飛行模式：
1. 激光雷達區(qū)域
2. 激光雷達走廊
3. 模式校準(zhǔn)（任務(wù)內(nèi)）
l預(yù)設(shè)的無人機轉(zhuǎn)彎：
1. 銀行轉(zhuǎn)
2. 循環(huán)轉(zhuǎn)彎
lAGL（地面以上）和 AMSL（平均海平面以上）線間距
IMU（慣性測量單元）校準(zhǔn)通常每次飛行至少進行兩次。掃描開始前和掃描結(jié)束后。飛行員可以選擇暫停飛行并進行額外的 IMU 校準(zhǔn)以重置累積誤差。校準(zhǔn)可以手動進行，也可以使用 UgCS 中的自動 IMU 校準(zhǔn)命令進行。
不同的 LiDAR 制造商推薦不同的校準(zhǔn)模式。UgCS 支持最流行的校準(zhǔn)模式：
l八位數(shù)
lU 形
lDJI L1、L2 校準(zhǔn)（來回）
校準(zhǔn)模式的主要目標(biāo)是讓無人機在滾動角度方面發(fā)揮出最 大能力。這意味著必須以盡可能高的速度執(zhí)行該動作，才能正確校準(zhǔn) IMU。
要添加圖形，飛行員可以點擊地圖來指定中心和高度，然后指定轉(zhuǎn)彎的寬度、長度、速度、高度和方向角。
輸入?yún)?shù)和八字很相似，但生成的軌跡不一樣，無人機來回飛幾圈后掉頭（圖1）。
當(dāng)無人機（M300、M600、M210、M200）連接到 UgCS 時，“命令”中將出現(xiàn)“模式”按鈕。要添加圖形，飛行員需要指定轉(zhuǎn)彎的寬度、長度、速度、高度和方向角。
DJI 建議在飛行任務(wù)期間每 100 秒或每 1000 米（以先到者為準(zhǔn)）執(zhí)行一次來回飛行。此模式默認自動添加到 LiDAR 區(qū)域和走廊任務(wù)中?？梢酝ㄟ^選中/取消選中航段設(shè)置中的“IMU 校準(zhǔn)”復(fù)選框來添加/刪除它。
UgCS 中有兩種不同的 LiDAR 勘測部分：
lLiDAR 走廊
lLiDAR 區(qū)域
LiDAR 區(qū)域掃描可用于以下領(lǐng)域：建筑工地、露天礦、發(fā)電站、垃圾填埋場、考古和林業(yè)。
飛行員必須指定以下信息：
l區(qū)域邊界為多邊形
l飛行高度 AGL 或 AMSL
lLiDAR 傳感器 FOV（視場）角度
該區(qū)域可分為以下幾條軌跡：
l單網(wǎng)格
l雙網(wǎng)格
LiDAR 走廊掃描有助于以下應(yīng)用：道路、電力線和管道。
該走廊可分為以下幾條軌跡：
l單程通行——沿走廊中心線
l通過多次掃描覆蓋一定的走廊寬度，并具有一定的橫向重疊
對于走廊幾何來說，用戶指定中心線和寬
除了一般的軌跡形狀外，飛行員還需要輸入以下信息：
FOV 應(yīng)始終由飛行員手動指定。一般假設(shè)無人機始終在低于 LiDAR 范圍的高度飛行；即飛行員獨立定義 FOV 和高度。這些參數(shù)會影響線間距。
對于 AGL 和 AMSL 模式，行距的計算方式不同：
SW（掃描寬度）= 2*H*tan（FOV/2）
線距（邊距）= SW *（1-邊重疊百分比）
無人機轉(zhuǎn)彎方式對激光雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量影響很大，最重要的是減少傳感器的晃動，盡可能準(zhǔn)確地跟蹤軌跡。
當(dāng)角度大于“環(huán)轉(zhuǎn)彎角度”度時，轉(zhuǎn)彎應(yīng)該看起來像正常的傾斜轉(zhuǎn)彎（圖 3）。
傾斜轉(zhuǎn)彎的半徑應(yīng)符合“轉(zhuǎn)彎半徑”的規(guī)定。
對于小于或等于“環(huán)形轉(zhuǎn)彎角度”度的角度，轉(zhuǎn)彎可能看起來像環(huán)形機動（圖 4）。
默認情況下，軌跡和激光雷達覆蓋范圍被假定位于走廊或區(qū)域內(nèi)。
區(qū)域緩沖區(qū)適用于所有飛行區(qū)域，通過擴展原始形狀來提高邊界的覆蓋范圍。
超調(diào)延伸前向傳球，在主軌跡外轉(zhuǎn)彎。
用于垂直測量的 UgCS 工具有助于自動化無人機拍攝垂直物體，例如：
l建筑立面
l橋梁
l煙囪
l露天礦坑墻壁。
無人機測量的結(jié)果是一組以指定的前向和側(cè)向重疊捕獲的圖像，可以拼接成垂直正射影像并用于：
l墻壁裂縫等缺陷檢測
l熱檢查。
UgCS 的垂直掃描工具易于使用，并且可以在調(diào)查現(xiàn)場直接進行任務(wù)規(guī)劃：
l繪制折線：無人機飛向地面的垂直平面投影。確保該平面與所有可能的障礙物保持安全距離（圖 1）。
l使用激光（或其他儀器）測量物體與計劃飛行表面之間的近似距離。通過“與立面之間的距離”參數(shù)將該值輸入 UgCS。
l指定無人機軌跡距地面的最小和最 大高度。
l從無人機的預(yù)定義有效載荷列表中選擇一個攝像頭。如果攝像頭不在列表中，請按照“如何在 UgCS 中添加新有效載荷”的說明添加新有效載荷
l指定圖像所需的前向和側(cè)向重疊。默認值分別為 60% 和 30%，最 高可增至 80%。
l選擇圖案類型。UgCS 提供兩種選項：垂直和水平圖案。垂直圖案將垂直設(shè)置前向通道（圖 2）。使用水平圖案，前向通道將與地面平行。請查看“實用提示”部分，了解圖案建議，具體取決于測量對象類型
圖案選擇的實用技巧
模式選擇背后的邏輯非常簡單：如果物體的高度大于寬度，則選擇垂直飛行模式。否則，選擇水平飛行模式。
遵循這個簡單的規(guī)則可以最 大限度地減少沿途的轉(zhuǎn)彎次數(shù)，從而節(jié)省電池壽命。
l指定無人機所需的速度。
就是這樣！
UgCS 將計算無人機的飛行軌跡 和適當(dāng)?shù)南鄼C觸發(fā)動作。
需要記住的是，在高層建筑附近，GPS 信號質(zhì)量可能較差，甚至?xí)耆?。因此，飛行員應(yīng)始終將遙控器握在手中，并隨時準(zhǔn)備接管無人機的控制權(quán)。
始終讓無人機處于視線范圍內(nèi) (VLOS) 是一種很好的做法。UgCS 允許規(guī)劃無人機轉(zhuǎn)彎時的垂直掃描。但是，我們不建議超視線飛行 (BVLOS)。相反，建議飛行員與轉(zhuǎn)彎處的無人機一起移動。
如果無人機必須沿水平方向飛行，則垂直勘測路線可以發(fā)展為多個較小垂直掃描的組合，每個掃描覆蓋單獨的一面墻壁。
大多數(shù)自動駕駛儀或多旋翼無人機都支持航路點的不同轉(zhuǎn)彎類型。DJI 無人機是最 受歡迎的無人機之一，它有兩種轉(zhuǎn)彎類型（圖 14）：
l停止轉(zhuǎn)彎：無人機準(zhǔn)確飛到定點，并停留在該定點，然后飛到下一個定點。
l自適應(yīng)傾斜轉(zhuǎn)彎：性能與傾斜轉(zhuǎn)彎模式類似（圖14），但實際飛行軌跡會更加準(zhǔn)確。?
自適應(yīng)傾斜轉(zhuǎn)彎應(yīng)謹慎使用，因為無人機可能會錯過航點，并且不會啟動任何攝像頭觸發(fā)。
為了縮短飛行時間（與停止轉(zhuǎn)彎相比），請使用自適應(yīng)傾斜轉(zhuǎn)彎。對于攝影測量領(lǐng)域，建議將自適應(yīng)傾斜轉(zhuǎn)彎與超調(diào)相結(jié)合（參見超調(diào)部分）。
最初，超調(diào)設(shè)計是為了讓固定翼（飛機）無人機有足夠的空間進行掉頭機動。
可以在攝影測量工具中設(shè)置超調(diào)，以在每條測量線的兩端添加額外的線段。
為直升機無人機添加超調(diào)在兩種情況下很有用：
l當(dāng)使用自適應(yīng)傾斜轉(zhuǎn)彎（或非 DJI 無人機的類似方法）時，增加超調(diào)將增加無人機精 確進入測量線并觸發(fā)攝像機控制動作的機會。UgCS 團隊建議將超調(diào)設(shè)置為大約等于平行測量線之間的距離。
l當(dāng)“停止和轉(zhuǎn)彎”類型與航路點的相機觸發(fā)相結(jié)合時，存在這樣的風(fēng)險：在拍攝之前，無人機將開始旋轉(zhuǎn)到下一個航路點，從而帶回錯誤方向或模糊的照片（圖 16）。為避免這種情況，請設(shè)置較短的超調(diào)，例如 5 米。不要設(shè)置太短的值（<3 米），因為有些無人機可以忽略太近的航路點。
UgCS支持三種攝像機控制操作：
l“設(shè)置相機模式”以便在指定點精 確拍攝
l“按時間設(shè)置相機”每 N 秒拍攝一次
l“按距離設(shè)置相機”每隔 N 米拍攝一張照片
大多數(shù)情況下，攝影測量測量相機應(yīng)垂直向下。請確保為攝影測量段選擇了具有 90 度傾斜角的“設(shè)置相機”姿態(tài)操作（圖 17）。
對于具有垂直表面的城市區(qū)域，我們建議使用傾斜 45 度的相機對這些區(qū)域進行另一次掃描（圖 18）。這將能夠捕捉墻壁并提高點云的質(zhì)量。
如上所述，此航路點應(yīng)設(shè)置為 Stop&Turn 類型，否則無人機可能會跳過此操作。要將相機設(shè)置為水平位置，請選擇最后一個測量路線航路點，單擊“設(shè)置相機姿態(tài)/縮放”，然后在“傾斜”字段中輸入“0”。
攝影測量工具具有高級操作執(zhí)行參數(shù)，該參數(shù)具有三個可能的值：
l每一點
l開始時
l向前傳球
l此參數(shù)定義如何以及在何處執(zhí)行攝影測量工具指定的照相機操作。
對于攝影測量/測量任務(wù)最有用的選項是設(shè)置前向通行證：無人機只會在測量線上拍攝照片，不會在垂直線上拍攝多余的照片。
復(fù)雜勘測區(qū)域
有時，攝影測量/勘測任務(wù)必須針對不規(guī)則區(qū)域進行規(guī)劃。例如，如果兩個呈“T”形連接的田地被標(biāo)記為單個攝影測量區(qū)域，則無論測量線方向如何，路線都不會是最 佳的（圖 19）。
UgCS 功能可以將任意數(shù)量的攝影測量區(qū)域組合到一條路線中，避免將該區(qū)域分割成單獨的路線。每個區(qū)域的測量線都可以單獨優(yōu)化（圖 20）。
雙網(wǎng)格是提高城市地區(qū)和高海拔或高植被地區(qū)的點云質(zhì)量的一種非常有效的方法。在攝影測量設(shè)置中使用雙網(wǎng)格選項（圖 21）。
在地面上方以恒定高度飛行會導(dǎo)致過多的航路點。自動駕駛儀可以支持有限數(shù)量的航路點，因此飛行員可能希望減少這個數(shù)字。降低軌跡細節(jié)級別也將導(dǎo)致無人機移動更平穩(wěn)（比較圖 22 和圖 23）。攝影測量調(diào)查的 AGL 公差參數(shù)可用于 AGL 高度模式。AGL 公差指定垂直走廊。只要軌跡在此走廊的上限和下限內(nèi)，UgCS 就不會生成額外的點。
一般來說，飛行速度越高，飛行時間越短。但高速飛行加上相機曝光量大，會導(dǎo)致圖像模糊。大多數(shù)情況下，10 m/s 是最 佳選擇。
在執(zhí)行任何任務(wù)之前，檢查現(xiàn)場的起飛區(qū)域非常重要！為了更好地解釋設(shè)置起飛點的最 佳實踐，讓我們首先回顧一個不應(yīng)該這樣做的例子。示例任務(wù)中的起飛點（圖 24）標(biāo)有飛機圖標(biāo)，無人機飛行員將通過設(shè)置自動起飛的自動任務(wù)在地面上傳路線。
自動起飛模式下，大部分無人機會爬升到 3-10 米左右的低空，然后直直地飛向第 一個航點。其他無人機會從地面直直地飛向第 一個航點。在示例地圖（圖 24）中，可以注意到起飛點和第 一個航點之間有一些樹木。在這個例子中，無人機更有可能無法達到安全高度并撞上樹木。
不僅周圍環(huán)境會影響起飛計劃。無人機制造商可能會在無人機固件中更改高度行為：因此，建議在固件更新后檢查無人機的自動起飛模式。
請記住，大多數(shù)小型無人機使用相對高度進行任務(wù)規(guī)劃?；?/span>第 一個航路點計算高度是實際起飛點應(yīng)靠近第 一個航路點且位于同一地形水平的第二個原因。
UgCS 團隊建議將第 一個航路點盡可能靠近實際起飛點，并指定安全起飛高度（大多數(shù)情況下，高于任何樹木約 30 米，見圖 25）。這是保證任何任務(wù)安全起飛的唯 一方法，并避免任何奇怪的無人機行為、不可預(yù)測的固件更新等。
增加起飛點，改變了測量網(wǎng)格入口點，從而優(yōu)化了整個路線（見圖25）。
要更改測量網(wǎng)格入口點，請在靠近所需起始角的地方設(shè)置一個額外的航路點（圖 26）。
如果在攝影測量區(qū)域外沒有添加著陸點，則在完成測量任務(wù)后，無人機將在最后一個航點飛行并懸停。有兩種著陸選項：
l手動控制無人機并將其引導(dǎo)至著陸點
l在 UgCS 或遙控器 (RC) 中激活返回主頁命令
較大的勘測區(qū)域或遙控器出現(xiàn)問題可能會導(dǎo)致與無人機失去無線電聯(lián)系。在這種情況下，根據(jù)無人機及其設(shè)置，可能會發(fā)生以下情況：
l如果與地面站的無線電連接丟失，無人機將自動返回原位
l無人機將飛到最后一個航點并懸停。如果電池電量充足，則：
l無人機將緊急降落或
l無人機將嘗試飛回原點
建議在路線中添加明確的著陸點，以避免依賴不可預(yù)測的無人機行為或設(shè)置。
如果無人機不支持自動降落或飛手喜歡手動降落，則應(yīng)在計劃降落點上方添加最后一個航點。最后一個航點的高度應(yīng)高于周圍區(qū)域的障礙物，以確保安全下降和舒適降落。一般情況下，30 米是最 佳選擇。
此步驟過去是強制性的，目的是將測量輸出地圖與地球上的坐標(biāo)精 確對齊?，F(xiàn)在，由飛行員和客戶決定是否部署地面控制點或僅使用 PPK。然而，使用 GCP 仍然是確保地圖準(zhǔn)確性的唯 一方法。
Agisoft Metashape、Pix4d 和其他數(shù)據(jù)處理軟件可以使用地理標(biāo)記圖像生成精 確的地圖，但無論如何都需要地面控制點才能實現(xiàn)真正的精度。
地面控制點應(yīng)用于測量級輸出。要獲得“足夠好”精度的地圖，只需 RTK GPS 和數(shù)據(jù)處理軟件功能即可。
如果任務(wù)計劃周密，這一步就非常簡單了。這里不描述任務(wù)執(zhí)行，因為它可能因所用無人機和設(shè)備的類型而異（請參閱設(shè)備和 UgCS 手冊）。飛行前的重要注意事項：
l大多數(shù)國家都有或多或少嚴格的無人機相關(guān)法規(guī)，通常可在當(dāng)?shù)睾娇展芾砭值木W(wǎng)站上查閱。
l在某些國家/地區(qū)，任何類型的航拍照片/視頻拍攝都需要獲得特殊許可。請查看當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)（罰款和其他后果可能很嚴重）。
l即使任務(wù)規(guī)劃看起來完成得很出色，也總是要在到達現(xiàn)場時再三檢查，并考慮特定調(diào)查區(qū)域的具體情況和當(dāng)?shù)氐娘w行條件。
圖像地理標(biāo)記對于現(xiàn)代無人機而言是可選的。它可以在飛行過程中自動完成，也可以在無人機著陸后在 UgCS 中完成。
請注意，在大多數(shù)情況下，PPK 處理就足夠了。使用您最喜歡的工具，例如這個。
然而，只有地面控制點才能保證所需的地圖精度。
對于數(shù)據(jù)處理，請使用市場上的第三方軟件或服務(wù)。對于現(xiàn)場快速處理，UgCS Mapper 是一個不錯的選擇，因為它無需互聯(lián)網(wǎng)連接即可工作。對于飛行保真度處理，請使用 Pix4D Mapper、Agisoft Metashape 或其他支持密集點云生成和 GCP 的專業(yè)工具
支持的無人機
最 受歡迎的 DJI 無人機（Phantom 4 / PRO、M300 / 350RTK 等）
美國制造的無人機：Inspired Flight、Freefly、Watts 和其他 PX4/Ardupilot 無人機
好處
同時控制多架無人機，通過協(xié)調(diào)無人機飛行節(jié)省時間和資源
支持 DJI 和其他領(lǐng)先的無人機制造商，在單一平臺上無縫集成不同品牌的無人機
實時遙測儀表板，讓您一目了然地監(jiān)控關(guān)鍵無人機數(shù)據(jù)
無人機監(jiān)控的 3D 環(huán)境，讓您可以實時可視化無人機操作
可定制的飛行控制，讓您可以隨時調(diào)整無人機任務(wù)
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