一種小型四旋翼航拍無人機(jī)技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

曾舒婷 夏慶峰 朱燁 王辰

摘要：依據(jù)2015-2020年中國無人機(jī)行業(yè)研究分析及市場前景預(yù)測報(bào)告，航拍及娛樂、農(nóng)林、安防、電力四大領(lǐng)域是無人機(jī)市場的重點(diǎn)細(xì)分領(lǐng)域。本文以四旋翼航拍無人機(jī)相關(guān)技術(shù)為研究重點(diǎn)，提出了一套完整的小型四旋翼航拍無人機(jī)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)飛行航拍實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，航拍無人機(jī)飛行圖傳穩(wěn)定，PC端實(shí)時采集圖像視頻及飛行數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室的航拍無人機(jī)教學(xué)科研。

關(guān)鍵詞：航拍無人機(jī);四旋翼;圖傳系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0219-04

Research on Small Quadrotor Aerial Photography UavTechnology

ZENG Shu-ting， XIA Qin-feng， ZHU Ye， WANG Chen

（Information Engineering， Nanjing Jinling Institute， NanJing 210000， China）

Abstract： According to the research analysis and market outlook forecast report of China's uav industry from 2015 to 2020， aerial photography， entertainment， agriculture， forestry， security and power are the key segments of the uav market.In this paper， a complete design scheme of small quadrotor aerial photography uav is proposed with the focus on the relevant technology of quadrotor aerial photography uav. The experimental results of aerial photography show that the aerial photography of uav has stable transmission of flight map and real-time image acquisition video and flight data on PC， which can be applied to the teaching and research of aerial photography uav in uav laboratory.

Key words： UAV; quadrotor; Picture transmission system

1 引言

微型無人機(jī)首先是由美國科學(xué)家布魯諾·W·奧根斯坦在20世紀(jì)90年代美國國防高級研究計(jì)劃局在一次未來軍事的會議上提出的一種概念， 它有著隱蔽性強(qiáng)、重量輕、體積小等優(yōu)勢[1]。

然而對于無人機(jī)的研究，一開始大部分學(xué)者都是圍繞空氣動力學(xué)、能源以及材料進(jìn)行的，主要就是探索如何讓無人機(jī)更好的飛向空中，故忽略了對無人機(jī)的圖像無線傳輸系統(tǒng)方面的研究[2]。直至2001 年9月，日本成功開發(fā)了當(dāng)時世界上最輕的微型無人機(jī)“UFR-II”， 機(jī)重僅 12.3g， 該機(jī)可以按照程序設(shè)計(jì)路線自主飛行， 其上攜帶有微型攝像機(jī)并可以將拍攝到的圖像情報(bào)迅速傳送回基地[3]。同年在加州大學(xué)伯克利分校研究出的 BEAR，則采用了搭載了2臺 Pentium 233 MHz PC104 嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案，其中有一臺使用了圖像傳輸， 攝像機(jī)是用SONY EVI-D30，通過串口調(diào)節(jié)來調(diào)整水平、垂直兩個方向的圖像采集，視頻采集頻率為30 Hz，采用了2.4 GHz的無線圖像鏈路進(jìn)行圖像的傳輸[4]。

本文提出了一套完整的小型四旋翼航拍無人機(jī)設(shè)計(jì)方案，主要包括四旋翼航拍無人機(jī)硬件架構(gòu)及圖傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 小型四旋翼航拍無人機(jī)硬件設(shè)計(jì)

小型四旋翼航拍無人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)包括幾大模塊，主控電路模塊、動力模塊、航拍模塊以及地面站部分。

1） 主控電路模塊包括：飛控板、GPS定位系統(tǒng)、羅盤、數(shù)傳模塊、遙控器信號接收器、電源模塊。

2） 動力模塊包括：電調(diào)、電機(jī)、螺旋槳、鋰電池。

3） 航拍模塊包括：云臺、攝像機(jī)、圖傳模塊，圖傳發(fā)送和接收機(jī)。

4） 地面站部分包括：遙控器以及地面站。

2.1 主控電路模塊

1） 飛控模塊

飛控板是四旋翼無人機(jī)的核心電子部件?？紤]到嵌入算法的需要，選用開源飛控板。開源飛控領(lǐng)域影響比較大的就是3d robotics公司生產(chǎn)的APM和Pixhawk。該小型四旋翼航拍無人機(jī)飛控板選用的是Pixhawk飛控板，其繼承了APM和PX4的優(yōu)點(diǎn)，并在其基礎(chǔ)上改進(jìn)。Pixhawk是一個雙處理器的飛行控制器。其中一個主處理器為32bit 168MHZ 的STM32F427 Coretex M4，內(nèi)含256KB RAM、2MB Flash，支持強(qiáng)大運(yùn)算。另外一個協(xié)處理器主要定位于工業(yè)用途的32bit STM32F103，它的特點(diǎn)是安全穩(wěn)定。所以就算主處理器死機(jī)了，還有一個協(xié)處理器來保障安全。

2） GPS 定位與羅盤模塊

在無人機(jī)的起飛，航行，懸停，返回的任何一個階段，都需要我們的GPS模塊進(jìn)行實(shí)時定位。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到。

電子羅盤主要用于提供關(guān)鍵性的慣性導(dǎo)航和方向定位系統(tǒng)的信息。較其他傳感器相比，電子羅盤有明顯地功耗優(yōu)勢，同時具有高精度、響應(yīng)時間短等特點(diǎn)，非常適用于無人機(jī)的應(yīng)用。

根據(jù)GPS所獲取的飛機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)、目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，電子羅盤獲取的飛機(jī)航向與目標(biāo)航向的偏差角及象限等數(shù)據(jù)計(jì)算航向修正指令，并發(fā)往舵機(jī)控制系統(tǒng)。

3） 數(shù)傳模塊

無人機(jī)的數(shù)傳模塊一方面用于收集、整理和記錄飛機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，并生成報(bào)文發(fā)向地面;另一方面，對接收的報(bào)文進(jìn)行譯碼，改變飛行參數(shù)，并通過伺服系統(tǒng)控制飛機(jī)的飛行狀態(tài)。

4） 控制器PPM信號接收器

無人機(jī)控制器PPM信號接收器用于接收由地面站控制器發(fā)送來的控制信號，并根據(jù)控制信號指令作用于飛行控制器，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行控制。

5） 電源模塊

無人機(jī)電源模塊，是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對于依賴電池電源的移動式設(shè)備至關(guān)重要。

2.2 動力模塊

1） 電機(jī)

航拍要選用低KV電機(jī)配大槳，轉(zhuǎn)速低，效率高，同樣低轉(zhuǎn)速電機(jī)的震動也小。對航拍來說這些都是極為有利的。該小型四旋翼航拍無人機(jī)選用KV2000的電機(jī)。

2） 電調(diào)

依據(jù)電調(diào)重要的參數(shù)是工作電流，刷新頻率，重量，該小型四旋翼航拍無人機(jī)的電子調(diào)速器選用驅(qū)動50A無刷直流電機(jī)。

3） 螺旋槳

螺旋槳與電機(jī)的搭配主要是從機(jī)架大小、能否提供足夠動力兩方面進(jìn)行考慮。該小型四旋翼航拍無人機(jī)選用9450S的快拆尼龍槳葉。

4） 鋰電池

現(xiàn)在幾乎所有的四旋翼無人機(jī)都使用鋰電池，主要從電池的容量、放電速率、自身重量進(jìn)行考慮。該小型四旋翼航拍無人機(jī)的電池采用了5300mAh的鋰電池。

2.3 航拍模塊

1） 云臺

航拍無人機(jī)云臺上的耗電是影響無人機(jī)飛行的一大因素，在穩(wěn)定云臺的電機(jī)耗電上，比不安裝航拍云臺下降30%的續(xù)航時間。航拍無人機(jī)云臺主要考慮參數(shù)有可控姿態(tài)，可控旋轉(zhuǎn)角度，穩(wěn)定性，及重量。

該小型四旋翼航拍無人機(jī)云臺經(jīng)對比選用Storm32位三軸無刷云臺。其可控旋轉(zhuǎn)角度為 YAW水平轉(zhuǎn)向正負(fù)180度，roll橫滾角度正負(fù)25度，pitch俯仰角度+45到-90度，可垂直地面拍攝; Storm32位三軸無刷云臺重量為186g（不含相機(jī)），總重量越輕越利于航拍延時。

2） 攝像機(jī)

影響航拍無人機(jī)質(zhì)量的參數(shù)包括：分辨率、像素、錄制時間、遠(yuǎn)程搖控、防抖、防水。經(jīng)過航拍質(zhì)量以及經(jīng)費(fèi)考慮，最終選用SJCAM SJ7 STAR運(yùn)動相機(jī)。

3） 圖傳系統(tǒng)

該小型四旋翼航拍無人機(jī)采用5.8GHz頻段傳輸模擬視頻到地面，最遠(yuǎn)距離能達(dá)600多米。圖傳系統(tǒng)的圖傳發(fā)射端采用TS835發(fā)射端，發(fā)射頻率為5.8G。圖傳系統(tǒng)的圖傳接收端采用5.8G 150頻點(diǎn)圖傳接收機(jī)。

2.4 地面站部分

地面站設(shè)備組成一般都是由遙控器、電腦（控制軟件）、視頻顯示器，電源系統(tǒng)，數(shù)傳接收端、圖傳接收端等設(shè)備組成，通過航線規(guī)劃工具規(guī)劃飛機(jī)飛行的線路，并設(shè)定飛行高度，飛行速度，飛行地點(diǎn)，飛行任務(wù)等通過數(shù)據(jù)口連接的數(shù)傳電臺將任務(wù)數(shù)據(jù)編譯傳送至飛控中。

1） 遙控器

無人機(jī)搖控器利用無線搖感技術(shù)對無人機(jī)起到實(shí)時調(diào)控的作用，其中控制的通道就是可以遙控器控制的動作路數(shù)，比如遙控器只能控制四軸上下飛，那么就是1個通道。但四軸在控制過程中需要控制的動作路數(shù)有：上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)。所以最低得4通道遙控器。航拍無人機(jī)就需要更多通道的遙控器了。

2） 地面站

地面站控制軟件采用開源的Mission Planner軟件。 Mission Planner是無人機(jī)地面控制站軟件，適用于固定翼，旋翼機(jī)和地面站，僅僅在windows系統(tǒng)下工作。

3 航拍無人機(jī)圖傳系統(tǒng)

無人機(jī)影像系統(tǒng)主要是由相機(jī)和圖傳模塊、OSD模塊構(gòu)成。

微型攝像頭采集目標(biāo)圖像信息，其自身的素質(zhì)決定了拍攝圖像的清晰程度。相機(jī)并非單獨(dú)作用，而要與無人機(jī)云臺共同工作。無人機(jī)云臺的主要作用對象就是相機(jī)，通過對相機(jī)姿態(tài)的調(diào)節(jié)，保證了在飛行中，航拍無人機(jī)能夠獲取穩(wěn)定并且清晰的畫面。

圖傳的任務(wù)是將航拍無人機(jī)所拍攝的畫面“實(shí)時，穩(wěn)定”的發(fā)射給地面無線遙控接收設(shè)備。圖像傳輸過程中，首先通過圖像處理算法對圖像增強(qiáng)處理，例如通過電子穩(wěn)像，去除視頻中存在的抖動、晃動等因素，使得視頻畫面過度更加平穩(wěn)。然后利用2.4GHz或是5.8GHz無線技術(shù)進(jìn)行傳輸。5GHz技術(shù)相對于2.4GHz技術(shù)采用了更高頻段的信號，具有更高的傳輸速率和帶寬。但信號的頻率越高，穿透力越弱，故衰減較明顯，避障能力弱[4]。

OSD的功能是為航拍無人機(jī)獲取的實(shí)時圖像疊加上無人機(jī)時的飛行數(shù)據(jù)使得飛手在接收終端看到飛行畫面時，同樣能觀測到無人機(jī)的運(yùn)行情況。

OSD硬件模塊包含主控芯片和字符疊加芯片，主控芯片采用了Atmega328，字符疊加芯片則采用MAX7456的解決方案。

Atmega328p，這是一塊開源飛控項(xiàng)目中十分常見的周邊模塊，它通過內(nèi)置的模塊UART以端口0（RX）和1（TX）與外界進(jìn)行串口通信。Atmega328具有32kb的flash，2kb的sram以及1kb的eeprom。

圖3所示，MAX7456是一塊專門用來疊加視頻信息顯示的芯片，內(nèi)部集成了視頻驅(qū)動、同步分離器、視頻開關(guān)以及 EEPROM[7]，又叫作單通道隨屏顯示發(fā)生器。通過使用這種芯片，我們可以在動態(tài)視頻上附加上需要的特定圖形。MAX7456可以存儲256個字符，可以實(shí)現(xiàn)pal信號或者是ntsc信號的字符疊加。芯片共可以提供256個525線和625線標(biāo)準(zhǔn)的可編程顏色字符大大降低了系統(tǒng)成本。

下位機(jī)（MAX7456芯片）與上位機(jī)（PC）通過串口通信，可以對視頻疊加的字符進(jìn)行定制化和界面的重新布局。視頻疊加的字符進(jìn)行刷新的過程如圖4所示。

上位機(jī)通過串口通信，獲取OSD模塊的字符存儲器里的初設(shè)的字符樣式與界面布局。接著，通過OSD設(shè)置的軟件可以對顯示界面進(jìn)行重新的布局，以及將字符刷寫成自己想要的字體、語言或者定制方便飛手觀測的圖形，最后，將自定義的字符疊加到模擬界面上的各個像素點(diǎn)上，以達(dá)到視頻疊加的效果。

而對于下位機(jī)，視頻疊加系統(tǒng)主要包括寫入，顯示，清除字符三個步驟。首先，上位機(jī)通過軟件的刷寫，定義了新的字符信息，這些字符信息通過串口寫入MAX7456芯片的字符存儲器中。在寫入字符的過程結(jié)束后，通過定義好的視頻疊加功能，便可以實(shí)現(xiàn)在顯示器終端上的字符自定義和界面的布局。而清除字符的功能，主要是完成對不需要的字符消除。

OSD軟部分，采用Mavlink通信協(xié)議[8-9]，在串口上獲得封裝為Mavlink協(xié)議的飛行數(shù)據(jù)，并可以將其顯示在視頻輸出之上，同時支持用戶自行設(shè)置顯示信息的板式和內(nèi)容。

4 航拍無人機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)

四旋翼航拍無人機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)如圖5所示。經(jīng)測試，該四旋翼航拍無人機(jī)性能如表1所示。

該四旋翼航拍無人機(jī)圖傳測試，如圖6所示，左上角第一行、第二行分別為空速、飛行速度。第三行數(shù)據(jù)為97%，表示當(dāng)前無人機(jī)電池電量占比。第四行數(shù)據(jù)顯示了無人機(jī)工作電流4.84A，第五行數(shù)據(jù)工作電壓2.48V。最后兩行數(shù)據(jù)分別顯示了飛行距離30m和海拔高度1m。右上角數(shù)據(jù)為當(dāng)前經(jīng)緯度具體數(shù)值為北緯32.178°，東經(jīng)118.704°。中間顯示了飛行器朝向?yàn)楸逼珫|30°。右下角顯示機(jī)體溫度為37.36°C。這些數(shù)據(jù)說明無人機(jī)圖傳模塊、數(shù)傳模塊、OSD和相機(jī)工作都正常。

5 結(jié)語

綜上所述，本文總結(jié)了一套小型四旋翼航拍無人機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)方案。飛行航拍實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圖傳系統(tǒng)的圖像及數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，PC端實(shí)時采集圖像視頻及飛行數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室的航拍無人機(jī)教學(xué)。

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