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[摘要]无人机作为一种新型便捷的航空摄影测量平台，已广泛应用于各种地势复杂、环境恶劣地区的航摄应用中，其作业能力和作业范围处于不断发展过程中。本文在对川西高原地区气候环境特点进行分析的基础上，结合无人机航摄技术对航摄作业过程中存在的主要问题给出了具体的解决方案，并根据无人机航摄技术现状，对无人机的发动机做出一定的改进，使其更适于高原、高海拔地势复杂区域的作业。
[关键词]无人机 航摄 川西高原 发动机
[中图分类号] V279+.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-4-222-1
0引言
川西高原为青藏高原东南缘和横断山脉的一部分，分为川西北高原和川西山地两部分，地面海拔4000-4500米。该区海拔高差大，气候立体变化明显，从总体来看，以寒温带气候为主，气候总体特征是河谷干暖，山地冷湿，光照丰富，降水量少。近年来，川西高原地区生态环境持续恶化，各种地质灾害频发，航摄影像将为及时掌握该地区环境的详细情况，并针对具体情况做出相应的决策提供很大帮助，但该地区由于地处偏远，气候恶劣，大飞机进行航空摄影具有很大的困难[1]，而无人机航摄遥感系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等特点，因而成为最佳的选择[2]。然而无人机航摄系统在该地区执行作业任务时仍存在很多不同于平原地区的问题。本文将根据现有无人机航摄遥感技术，结合川西高原特殊的自然地理环境，对无人机在川西高原航摄的实际环境进行分析研究，并针对具体问题给出相应的解决方案。
1无人机动力系统
无人机平台的动力系统包括：发动机系统、燃油系统、电子点火系统和螺旋桨。其中燃油系统包括油箱和输油管。电子点火系统包括：CDI、转速传感器和电池。发动机包括缸体、化油器和排管，如图1所示。
2无人机高原航摄主要问题及解决方案
2.1高海拔、低温、低压对无人机动力系统的影响
无人机在川西高原航摄作业时所面临的第一个问题就是高海拔、低温、低压对无人机平台动力系统的影响。市场上无人机动力系统中所使用的发动机主要是为大型航模开发，对温度、湿度、气压等条件变化的适应能力较差。对于川西高原特定的作业环境，最直接的影响就是当发动机在高空低温、低压环境中长时间工作时，空气中的水蒸气会在化油器进气口周围凝结，并与汽油混合产生白色泡沫，影响汽油与空气的混合比。依凝结情况轻重将导致发动机输出功率降低、发动机工作不稳定，甚至熄火等一些列问题[3，4]。
为了使无人机能够适应川西高原地区高海拔、低温、低压的作业环境，确保川西高原地区地质灾害应急任务的顺利圆满完成，首要任务是保证无人机的发动机能够安全稳定的工作，因此本文针对实际应用中存在的问题对无人机航摄市场中使用最为广泛的DLE双缸60cc发动机（如图2所示）进行了改造。该发动机原厂设计最佳工作温度为105℃，进气温度为室温20℃。
对DLE双缸60cc发动机进行改造的原理为利用发动机排出的废气对化油器进行加热。具体做法是使用8mm软态紫铜管将废气从排气管中导出，对进气进行加热。由于化油器进气口较小，不方便对大量空气进行加热，故设计了一款全金属空气滤清装置，将接入排气管的铜管以螺旋状缠绕在空气滤清器的内部，对进入发动机的空气形成一个加热区，同时使用铝合金薄板阻挡气流直接吹向化油器，并对化油器包合形成一个封闭区域以保持化油器温度，加装导热管的空气滤清器结构图如图3所示，改造后的DLE双缸60cc发动机如图4所示。
为了验证对发动机进行改造后无人机更加适应川西高原地区的航摄作业，本文分别用改造前后的的无人机在相同的环境中进行航摄实验，得到改造前后发动机的性能对比情况，如表1所示。
通过表1可以看出，改造后的发动机在高海拔和低温条件下作业时较改造前性能更加稳定，输出功率也更高，特别是缸温和排气温度分别提高16℃和15℃，能够有效地改善水蒸气在化油器进气口周围凝结的问题。
此外，由于高原地区空气稀薄，为保障发动机能够高功率输出动力，可酌情牺牲发动机寿命，在本次实验中汽油与机油的配比采用40：1的比例。
2.2低温对电子设备的电池的影响
无人机上大量使用精密电子设备，锂电池作为这些电子设备的电源已经在无人机领域得到了广泛的应用。但高海拔地区的低温对于电子设备和锂电池的影响也是不容忽视的。一般情况下，空气温度随着海拔的增大而逐渐降低，海拔每升高1000米，空气温度降低5℃[5]。在甘孜等地最高航飞高度达海拔6000米以上，无人机飞行过程中会遭遇到低压冷空气，机身周围温度可低至-20℃。
而锂电池使用的正常温度为-20℃到60℃。锂电池在低温条件下，由于电池的阻抗增大，极化增强，充电过程中在负极将出现锂金属析出与沉积，沉积出的金属锂易与电解液发生不可逆反应，从而导致电池容量降低[6]。当温度达到-40℃时，锂电池放出的电量只有室温时的30%[7]。一旦无人机长时间在高海拔低温环境中飞行，锂电池的放电量相对于低海拔地区将有明显的降低。选择使用镍氢（Ni-MH）电池能够有效地解决这一问题。锂电池与镍氢电池在相同温度下的放电量对比表如表2所示。
3结束语
本文通过几次在川西高原高海拔、低温、低压环境中进行无人机航摄作业，总结了一些无人机在该地区作业时所遇到的问题，主要有高海拔、低温、低压对无人机动力系统的影响、低温对电子设备的电池的影响以及高山对无人机数据传输的影响，并针对这些问题提出了相应的解决方案。但在实际应用中，还存在很多细节问题，有待对其进行进一步的分析和解决。
参考文献
[1]邹长慧，谢晓尧，周忠发.无人机低空航拍遥感系统在贵州高原山区的应用前景探讨[J]. 贵州师范大学学报. 2011， 29（2）： 24-2
[2]胡开全，张俊前. 固定翼无人机低空遥感系统在山地区域影像获取研究[J]. 北京测绘.2011（3）： 35-37
[3]杜鹤龄. 航空发动机高空模拟[M]. 北京：国防工业出版社. 2002， 302-351
[4]郭昕，杨志军. 航空发动机高、低温起动及高原起动试验技术探讨[J]. 航空动力学报.2003， 18（3）： 327-330
[5]臧克，孙永华，李京，等. 微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用[J]. 自然灾害学报.2010， 19（3）： 162-166
[6]刘英，李秋红，胡悦丽. 低温锂离子电池研究现状及发展前景[J]. 电源技术. 2013， 37（2）：321-323
[6]FAN J. On the discharge capability and its limiting factors of commercial 18650 Li-ion cell at low temperatures[J]. J Power Sources. 2003， 117（2）： 170-178
[7]唐延福. 高海拔地区对电气设备的影响[J]. 电气工程应用. 2002， 1（2）：36-38.
[关键词]无人机 航摄 川西高原 发动机
[中图分类号] V279+.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-4-222-1
0引言
川西高原为青藏高原东南缘和横断山脉的一部分，分为川西北高原和川西山地两部分，地面海拔4000-4500米。该区海拔高差大，气候立体变化明显，从总体来看，以寒温带气候为主，气候总体特征是河谷干暖，山地冷湿，光照丰富，降水量少。近年来，川西高原地区生态环境持续恶化，各种地质灾害频发，航摄影像将为及时掌握该地区环境的详细情况，并针对具体情况做出相应的决策提供很大帮助，但该地区由于地处偏远，气候恶劣，大飞机进行航空摄影具有很大的困难[1]，而无人机航摄遥感系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等特点，因而成为最佳的选择[2]。然而无人机航摄系统在该地区执行作业任务时仍存在很多不同于平原地区的问题。本文将根据现有无人机航摄遥感技术，结合川西高原特殊的自然地理环境，对无人机在川西高原航摄的实际环境进行分析研究，并针对具体问题给出相应的解决方案。
1无人机动力系统
无人机平台的动力系统包括：发动机系统、燃油系统、电子点火系统和螺旋桨。其中燃油系统包括油箱和输油管。电子点火系统包括：CDI、转速传感器和电池。发动机包括缸体、化油器和排管，如图1所示。
2无人机高原航摄主要问题及解决方案
2.1高海拔、低温、低压对无人机动力系统的影响
无人机在川西高原航摄作业时所面临的第一个问题就是高海拔、低温、低压对无人机平台动力系统的影响。市场上无人机动力系统中所使用的发动机主要是为大型航模开发，对温度、湿度、气压等条件变化的适应能力较差。对于川西高原特定的作业环境，最直接的影响就是当发动机在高空低温、低压环境中长时间工作时，空气中的水蒸气会在化油器进气口周围凝结，并与汽油混合产生白色泡沫，影响汽油与空气的混合比。依凝结情况轻重将导致发动机输出功率降低、发动机工作不稳定，甚至熄火等一些列问题[3，4]。
为了使无人机能够适应川西高原地区高海拔、低温、低压的作业环境，确保川西高原地区地质灾害应急任务的顺利圆满完成，首要任务是保证无人机的发动机能够安全稳定的工作，因此本文针对实际应用中存在的问题对无人机航摄市场中使用最为广泛的DLE双缸60cc发动机（如图2所示）进行了改造。该发动机原厂设计最佳工作温度为105℃，进气温度为室温20℃。
对DLE双缸60cc发动机进行改造的原理为利用发动机排出的废气对化油器进行加热。具体做法是使用8mm软态紫铜管将废气从排气管中导出，对进气进行加热。由于化油器进气口较小，不方便对大量空气进行加热，故设计了一款全金属空气滤清装置，将接入排气管的铜管以螺旋状缠绕在空气滤清器的内部，对进入发动机的空气形成一个加热区，同时使用铝合金薄板阻挡气流直接吹向化油器，并对化油器包合形成一个封闭区域以保持化油器温度，加装导热管的空气滤清器结构图如图3所示，改造后的DLE双缸60cc发动机如图4所示。
为了验证对发动机进行改造后无人机更加适应川西高原地区的航摄作业，本文分别用改造前后的的无人机在相同的环境中进行航摄实验，得到改造前后发动机的性能对比情况，如表1所示。
通过表1可以看出，改造后的发动机在高海拔和低温条件下作业时较改造前性能更加稳定，输出功率也更高，特别是缸温和排气温度分别提高16℃和15℃，能够有效地改善水蒸气在化油器进气口周围凝结的问题。
此外，由于高原地区空气稀薄，为保障发动机能够高功率输出动力，可酌情牺牲发动机寿命，在本次实验中汽油与机油的配比采用40：1的比例。
2.2低温对电子设备的电池的影响
无人机上大量使用精密电子设备，锂电池作为这些电子设备的电源已经在无人机领域得到了广泛的应用。但高海拔地区的低温对于电子设备和锂电池的影响也是不容忽视的。一般情况下，空气温度随着海拔的增大而逐渐降低，海拔每升高1000米，空气温度降低5℃[5]。在甘孜等地最高航飞高度达海拔6000米以上，无人机飞行过程中会遭遇到低压冷空气，机身周围温度可低至-20℃。
而锂电池使用的正常温度为-20℃到60℃。锂电池在低温条件下，由于电池的阻抗增大，极化增强，充电过程中在负极将出现锂金属析出与沉积，沉积出的金属锂易与电解液发生不可逆反应，从而导致电池容量降低[6]。当温度达到-40℃时，锂电池放出的电量只有室温时的30%[7]。一旦无人机长时间在高海拔低温环境中飞行，锂电池的放电量相对于低海拔地区将有明显的降低。选择使用镍氢（Ni-MH）电池能够有效地解决这一问题。锂电池与镍氢电池在相同温度下的放电量对比表如表2所示。
3结束语
本文通过几次在川西高原高海拔、低温、低压环境中进行无人机航摄作业，总结了一些无人机在该地区作业时所遇到的问题，主要有高海拔、低温、低压对无人机动力系统的影响、低温对电子设备的电池的影响以及高山对无人机数据传输的影响，并针对这些问题提出了相应的解决方案。但在实际应用中，还存在很多细节问题，有待对其进行进一步的分析和解决。
参考文献
[1]邹长慧，谢晓尧，周忠发.无人机低空航拍遥感系统在贵州高原山区的应用前景探讨[J]. 贵州师范大学学报. 2011， 29（2）： 24-2
[2]胡开全，张俊前. 固定翼无人机低空遥感系统在山地区域影像获取研究[J]. 北京测绘.2011（3）： 35-37
[3]杜鹤龄. 航空发动机高空模拟[M]. 北京：国防工业出版社. 2002， 302-351
[4]郭昕，杨志军. 航空发动机高、低温起动及高原起动试验技术探讨[J]. 航空动力学报.2003， 18（3）： 327-330
[5]臧克，孙永华，李京，等. 微型无人机遥感系统在汶川地震中的应用[J]. 自然灾害学报.2010， 19（3）： 162-166
[6]刘英，李秋红，胡悦丽. 低温锂离子电池研究现状及发展前景[J]. 电源技术. 2013， 37（2）：321-323
[6]FAN J. On the discharge capability and its limiting factors of commercial 18650 Li-ion cell at low temperatures[J]. J Power Sources. 2003， 117（2）： 170-178
[7]唐延福. 高海拔地区对电气设备的影响[J]. 电气工程应用. 2002， 1（2）：36-38.