Беспилотный аэрофотосъемочный комплекс «Эльф» ПП-45

Альтернативой классической аэрофотосъемке, при создании ортофотопланов в небольших объемах или при картографировании территории населенных пунктов, расположенных вблизи государственной границы, является аэрофотосъемка с беспилотно-пилотируемого летательного аппарата (БПЛА). Аэрофотосъемка с БПЛА существенно отличается от классической аэрофотосъемки, так, например:

• траектория полета имеет сложную конфигурацию;
• большие углы наклона камеры во время аэрофотосъемки;
• перепад высот фотографирования приводит к разномасштабности снимков.

Как следствие из этого, между тремя последовательными кадрами может вообще не быть перекрытия и нет гарантии сплошного покрытия участка территории стереопарами. С учетом этих особенностей аэросъемки в Западно-Сибирском филиале ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ уже более десяти лет ведутся работы по созданию аэрофотосъемочных комплексов.

Современные требования заставляют совершенствовать не только методику аэросъемки, но и конструкцию летательного аппарата, а также съемочной техники. Использование БПЛА стало намного разнообразнее. Появилась объективная потребность установки на борту не только фотоаппаратуры, но и высококачественной видеоаппаратуры, комплексного навигационного оборудования, тепловизоров и других средств дистанционного зондирования территорий. Актуальной является задача повышения производительности аэрофотосъемки. С точки зрения топографии всё чаще возникает потребность в изготовлении наряду с ортофотопланами 3D моделей местности. Все эти современные требования были учтены при создании аэросъемочного комплекса нового поколения, который получил наименование «Эльф» ПП-45.

Для повышения эффективности аэрофотосъемки с БПЛА была разработана фотоплатформа, состоящая из трех фотоаппаратов. Предлагалось создать платформу таким образом, чтобы фотоаппарат, расположенный по центру, был направлен в надир, а два других фотоаппарата располагались под небольшим наклоном слева и справа от центрального аппарата по направлению полета так, чтобы обеспечивалось перекрытие между боковыми снимками. Принципиальная схема предложенной платформы приводится на рис. 1.

Благодаря такому расположению фотокамер при одновременном фотографировании значительно возрастает площадь покрытия поверхности снимками, следовательно, вероятность пропусков между маршрутами уменьшается. Снимки с камер, расположенных под углом, могут быть использованы для построения фотоизображений фасадов зданий при 3D-моделировании. Максимальный угол захвата местности трехкамерной фотоплатформой от 75° до 95°, в зависимости от характеристик устанавливаемых фотокамер.

Технология обработки аэрофотосъёмки, выполненной трехкамерной платформой, подразумевает сшивку снимков с трех фотокамер в единое изображение аффинно-проективными преобразованиями. Преобразование заключается в вычислении координат левого и правого снимков в системе координат центрального снимка. При создании электронного накидного монтажа используются сшитые изображения, что значительно сокращает объем выполняемых работ.

Для оценки погрешностей пересчета координат левого и правого снимков в систему координат центрального снимка аффинно-проективным преобразованием была создана аналитическая модель трехкамерной платформы. Параметры аналитической модели съемки и трехкамерной платформы:

• фокусное расстояние камер - 0,038 м;
• расстояние между центрами фотографирования - 0,070 м;
• угол наклона боговых камер от вертикали - 14°;
• размер кадра - 0,036 м × 0,024 м;
• высота фотографирования - 300 м.

Результаты оценки точности пересчета по расхождению вычисленных координат центрального снимка и трансформированных координат идентичных точек с боковых камер представлены в таблице 1.


Модель земной поверхности, используемой при исследовании точности трансформирования снимков в единое изображение (Рис. 2).

Результаты оценки точности транс формирования координат боковых снимков в систему координат центрального снимка, представленные в таблице 1 соизмеримы с погрешностями фотограмметрических измерений на снимках.

Новый летательный аппарат «Эльф» ПП-45 рассчитан на установку трехкамерной фотоплатформы. При выборе аэродинамической схемы нового планера за основу был выбран двухмоторный высокоплан с крылом типа чайка и с V-образным хвостовым оперением (Рис. 3).

Двухмоторная схема позволяет повысить устойчивость прохождения маршрута при выполнении аэрофотосъёмки. На двигателях установлены воздушные винты левого и правого вращения, что полностью исключает кренящий реактивный момент, возникающий при полёте на одном моторе. Повышается надёжность полёта, возможен полёт на одном моторе. Высокоплан с крылом типа «чайка» позволяет переместить центр тяжести летательного аппарата вниз, что повышает устойчивость летательного аппарата по крену и при полёте в сильный боковой ветер на маршруте аэрофотосъёмки. V-образное хвостовое оперение способствует дополнительной устойчивости и имеет меньший вес по сравнению с другими типами оперений, оно удобней в эксплуатации и ремонте. Сопряжение чайкообразного центроплана и носовой части фюзеляжа позволило компактно и удобно поместить бортовое оборудование, уменьшить вес планера и повысить его прочность.

Новый летательный аппарат «Эльф» ПП-45 изготовлен с применением современной технологии 3D-конструирования, новейших композиционных материалов на основе кевларовых сот и углепластиков, обладает повышенным ресурсом и высокими эксплуатационными характеристиками, разборный, с удобным размещением различного оборудования, экономичная электрическая силовая установка обеспечивает продолжительный полет.

Комплекс предназначен для выполнения цифровой фотосъемки локальных участков местности, видеонаблюдения и видеосъемки высокого разрешения Full HD.

По сравнению с предыдущей разработкой «Эльф» ПП-40, новый комплекс обладает большей универсальностью, увеличена в два раза продолжительность полета, возможно применение широкого спектра фото-, и видеооборудования, фотоплатформ, тепловизоров и другого оборудования общим весом до 1,5 килограмм, возможность установки фото и видел оборудования 3D-формата.

• размах крыла - 2,17 м
• длина фюзеляжа - 1,4 м
• взлетный вес - 3,5 кг (5 кг - опция)
• вес полезной нагрузки - до 1 кг (1,5 кг - опция)
• силовая установка - электродвигатели 2 шт., по 0,5 квт
• аккумуляторная батарея - Li-po, Li-Fe, топливные электроэлементы
• максимальная скорость полета - 150 км/ч
• крейсерская скорость полета - 50-70 км/ч
• максимальная дальность маршрута - 100 км
• радиус полета - до 5 км (25 км - опция)
• рабочая высота полета - 300-600 метров
• практический потолок - 4000 метров
• продолжительность полета - до 2 часов (3 часа - опция)
• время развертывания комплекса - 10 минут

Условия эксплуатации:

• ветер на старте - до 12 м/с
• ветер максимальный - 20 м/с
• температура окружающего воздуха - 10 °С до + 35 °С
• умеренный дождь, умеренные снежные осадки
• взлет с руки (с площадки 30×30 м)
• посадка стандартная - планирование, на фюзеляж
• посадка на парашюте - опция
• БПЛА разбирается и переносится в контейнере 850×620×250 мм

Создание нового летательного аппарата, позволяющего устанавливать различное фото-, и видеооборудование, сделало возможным применение БПЛА в следующих видах работ: аэрофотосъемка; рекламная фото-, видеосъемка; видео наблюдение в реальном времени с передачей видеоизображения на наземный сегмент комплекса; землеустройство и мониторинг; лесоохрана» мониторинг наводнений, пожаров и других стихийных бедствий.