港深无人直升机研究小组成功完成珠峰等西藏高原地区的飞行测试和航拍实验

以香港科技大学自动化技术中心, 哈工大深圳研究生院自动化技术中心和深圳市大疆创新科技有限公司组成的港深无人直升机(又称空中机器人) 研究小组, 于2009年6月中旬经过近十天的时间,完成了包括羊卓雍措(简称羊湖,海拔4400米)、 珠峰(海拔8844米)、卡若拉冰川(海拔5560米)、错那县原始森林和湖泊等特殊地区的飞行测试及航拍实验。


作为空中机器人最主要的一种类型,无人直升机系统利用GPS和小型惯性导航系统为核心, 通过无线数据传输链路进行远程测控,可实现全自主的GPS坐标导航飞行,同时将检测数据, 如:视频和图片,实时传输到地面控制终端。 小型的无人直升机系统根据不同动力系统, 可携带5-15公斤载荷,如可见光或者红外的视频吊舱,激光测距仪,大气数据监测仪, 飞行高度可达海拔9000米。采用电动驱动,飞行半径超过50公里, 如使用汽油发动机, 飞行半径更可达200公里以上。相对于固定翼飞机,无人直升机主要的优点为: 可在任意地形起降(无需飞行跑道),可在空中悬停,对固定目标进行重复及稳定的监测, 以及拥有良好的抗风性能。配备不同的载荷,无人直升机可用于航拍,科学考察,地理地形观测, 环境气象数据采集,公安消防,电力,和军事等各种应用。


近年来,包括美国,日本,奥地利等国家对包含无人直升机的空中机器人技术的开发和应用投入了大量的人力及财力资源。 空中机器人市场已达十多亿美元,并有望在十年内达到三十多亿美元。


以香港科技大学自动化技术中心为主的无人直升机研究团队是中国在该领域最具影响力的研究团队之一。 从2004年起,该团队对无人直升机的核心技术及应用进行了大量、深入、系统的研究, 创造了中国无人直升机技术的多个“首次”:首次把无人直升机系统应用于四川地震灾区的泥石流,偃塞湖监测; 首次将无人直升机控制技术产业化。目前,大疆创新科技公司的产品已远销美国,日本,加拿大,及欧洲等地区并获得了良好的市场反应。


为了把无人直升机技术的研发和应用提高到一个新的高度, 研究小组于两年前策划了这次对部分西藏高原地区的飞行测试和科学实验。 众所周知,高海拔地区的稀薄空气及恶劣气象条件对飞行器尤其是直升机有着非常苛刻的要求和严峻的挑战。 二战时期的驼峰航线(也称死亡航线,平均高度3000多米),即是高海拔对飞行安全产生致命影响的著名例子。


青藏高原的生态环境,不仅影响本地区也影响整个中国,甚至全世界。 利用现代科技平台和手段,系统地研究青藏高原的生态环境,包括冰川、雪山、湖泊、草原、森林、动植物现状与变化有着极其重要地意义。 近年来虽然在政府的支持下西藏地区的环境保护及监测手段有了很大程度的进步与发展, 但由于该地区特有的地理及气象条件和现有资源及技术手段的约束, 环境保护及监测急需更加先进的技术设备和手段支持。 新兴的无人直升机技术无疑成为目前最佳的选择之一。


针对西藏高海拔地区稀薄的空气和恶劣的气象条件, 研究小组对无人直升机的设计进行了全新的改进, 并将其命名为“珠峰号”。珠峰号在动力方面采用了零污染的电动技术,在增加了留空时间的前提下,还提高了在恶劣气象条件之下的飞行稳定性。


首先,研究小组选择了山南地区泽当镇周边海拔3600多米的西藏第一城堡-雍布拉康进行了飞行和航拍实验 (图1), 取得了高原地区飞行的第一组数据。也许是第一次见到无人直升机对这个建于公元前三世纪的第一代藏王城堡进行航拍, 飞行试验吸引了众多本地民众及小朋友的关注.


随后,研究小组拜访了山南地区环保局、西藏大学和中科院青藏高原研究所,了解了他们在环境保护, 资源探测和地理地貌信息获取等方面所做的一些工作及这些工作对现代空中机器人的具体要求。 西藏大学的老师对无人直升机技术在他们今后工作中的应用表示了强烈的兴趣。 应他们的要求,研究小组在现场演示了无人直升机技术和系统,并且对西藏大学新校区进行了航拍,双方为下一步的合作进行了初步的沟通。


研究小组的第三站是位于山南地区的西藏三大神湖之一的羊卓雍措(羊湖, 海拔 4400 米)。 在六级大风的情况之下,无人直升机从5000米到5500米的高度,拍下了羊湖壮观美丽的录像, 远处7千多米的宁金抗沙雪峰,湛蓝的天与洁白的云与无人直升机构成了一幅如诗如画图面(图 2)


研究小组的第四站,也是这次行程的重点,是从珠峰周围的几个观测点进行飞行测试和航拍实验。 研究小组首先到达海拔5200多米的加乌拉山口,展现在研究小组面前的是极为雄伟壮观的世界14座8000米高峰当中的5座: 珠峰(8844米),卓奥友峰(8201米),洛子峰(8516米),西夏邦马峰(8012米)和马卡鲁峰(8463米)。 当时风速已经超过11米/秒,小组成员克服了严重的高原反应和旅途疲劳,快速完成了无人机的组装与调试, 取得了高海拔,高风速下的第一组飞行数据(图3)。随后小组到达距离珠峰最近的据称是地球上最高的寺院-绒布寺周围, 并于次日早晨进行了飞行测试和航拍实验。这应是人类空中机器人第一次对世界第一高峰近距离飞行航拍。 这次飞行试验也为下一次更高层次的珠峰探测采集了宝贵的数据,积累了有用的经验 (图4)


随后研究小组对日喀则地区的卡若拉冰川(图5),山南地区的拿日雍措 (图6,7),牦牛群(图8)和原始森林进行了飞行和航拍实验。 圆满的完成了这次西藏高原之行。


这次西藏之行成员包括:香港科技大学教授,自动化技术中心主任, 同时也是哈工大深圳研究生院长江讲座教授 的李泽湘博士, 哈工大深圳研究生院副教授朱晓蕊博士, 香港科技大学电子与计算机工程系研究生同时也是深圳市大疆创新科技有限公司创始人汪滔, 哈工大深圳研究生院自动控制与机电工程学科部研究生石峻(图9)。


一位著名的登山者在被问到为什么要多次攀登珠峰的时候,答道:“因为山在那边。” 对于无人直升机研究者来说,珠峰和西藏地区众多的高海拔雪山、冰川、湖泊及草原提供了独特的实验环境和致命的诱惑。 这次西藏之行,使我们对自己的研究工作和应用有了更清晰的认识和了解。 能将自己的研究与青藏高原的环境保护结合起来是莫大的荣幸。 ------李泽湘


珠峰号在 雍布拉康上空的飞行实验与航拍 (海拔3600 米)
图1: 珠峰号在 雍布拉康上空的飞行实验与航拍 (海拔3600 米)

羊湖美丽的风景与珠峰号构成了一幅状观的图画(海拔5000米, 风力六级)
图2: 羊湖美丽的风景与珠峰号构成了一幅状观的图画(海拔5000米, 风力六级)

加乌拉山口上的飞行测试吸引了几位藏胞强烈的兴趣 (海拔5200米,风力11米/秒)
图3: 加乌拉山口上的飞行测试吸引了几位藏胞强烈的兴趣 (海拔5200米,风力11米/秒)

珠峰号无人直升机与珠峰的第一次亲密相见 (起飞海拔:5000 米)
图4:珠峰号无人直升机与珠峰的第一次亲密相见 (起飞海拔:5000 米)

珠峰号无人机航拍卡若拉冰川 (海拔5500 米)
图5:珠峰号无人机航拍卡若拉冰川 (海拔5500 米)

完成航拍后,队员们与珠峰号小歇一会,恢复兴奋后的疲劳 (左起:石峻,汪滔,李泽湘)
图 6:完成航拍后,队员们与珠峰号小歇一会,恢复兴奋后的疲劳 (左起:石峻,汪滔,李泽湘)

在美丽的拿日雍措上空 (海拔 4700 米)
图7:在美丽的拿日雍措上空 (海拔 4700 米)

牦牛虽然已习惯了汽车与人,但第一次见到无人机,略显惊慌,四处乱跑 (海拔4600米)
图8:牦牛虽然已习惯了汽车与人,但第一次见到无人机,略显惊慌,四处乱跑 (海拔4600米)

研究小组成员
图9:研究小组成员(左起:汪滔 朱晓蕊 石峻 李泽湘)