CN110426970B - 一种无人机拍照系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种无人机拍照系统及其控制方法，属于无人机功能系统及其控制方法，解决了现有无人机拍照系统需配备陀螺仪采集数据、数据采集记录范围受限、数据读取不便和相机使能控制占用空间大的问题。包括用于为整个拍照系统供电的电源；用于获取无人机位置信息和姿态信息并传送至处理器的遥控电路和遥测电路；还包括处理器，根据无人机位置信息判断是否到达拍照地点，对无人机姿态信息进行分析运算，通过处理器内的定时器产生PWM方波，PWM方波经电平转换芯片转换为云台舵机能够识别的信号，控制云台运动；同时，输出使能信号控制相机拍照模块完成拍照动作，并将拍照数据存入数据记录模块；数据记录模块中的拍照数据通过处理器上设置的USB接口读取。

Description

一种无人机拍照系统及其控制方法

技术领域

本发明属于无人机功能系统及其控制方法，具体涉及一种无人机拍照系统及其控制方法。

背景技术

在无人机应用领域，测绘是非常重要的一项应用。无人机搭载高清相机进行拍照作业可以预设航线，在作业区域上空自动作业采集数据，根据数据进行后处理，这个过程中无人机需要控制相机云台保持相机的平衡稳定，持续记录相关数据并控制相机进行拍照。

目前，相机云台大多需要独立的陀螺仪采集数据，成本和体积都较大。数据采集记录模块需要配套GPS或北斗等卫星定位板卡或模块一起使用，只能记录卫星定位相关数据，无法记录相机的时间等数据。记录数据也多采用SD卡等外部插卡设备，但飞机在空中由于抖动很可能出现接触不良的现象。关于相机的使能控制，目前是通过飞行控制在计算机或者外部单独电路板独立控制，需要地面给出指令后进行拍照并且占用额外空间。

发明内容

本发明的主要目的是在于解决现有无人机拍照系统需配备陀螺仪采集数据、数据采集记录范围受限、数据读取不便和相机使能控制占用空间大的问题，提供一种无人机拍照系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无人机拍照系统，其特殊之处在于，包括电源、遥控电路、遥测电路，以及布置在同一集成电路板上的处理器、数据记录模块和相机拍照模块；电源，用于为整个拍照系统供电；遥控电路和遥测电路，用于获取无人机位置信息和姿态信息并传送至处理器；处理器，根据无人机位置信息判断是否到达拍照地点，对无人机姿态信息进行分析运算，通过处理器内的定时器产生PWM方波，PWM方波经电平转换芯片转换为云台舵机能够识别的信号，控制云台运动；同时，输出使能信号控制相机拍照模块完成拍照动作，并将拍照数据存入数据记录模块；数据记录模块中的拍照数据通过处理器上设置的USB接口读取。

进一步地，所述电源为机载24V电源，经转换后为系统供电。

进一步地，所述遥控电路和遥测电路获取的无人机姿态信息通过RS232总线协议进行传输，经MAX3232芯片进行物理层协议转化，将部分信息传送至处理器。

进一步地，所述数据记录模块为FLASH记录电路，与处理器的FSMC接口相连。

进一步地，还包括相机曝光时间采集电路和卫星定位收发器；卫星定位收发器采集卫星导航和星历数据，通过TTL串行接口发送至处理器；同时卫星定位收发器采集PPS信号发送至处理器；相机曝光时间采集电路记录相机曝光信号，经运算放大器后输送至处理器IO接口。

进一步地，一种如上所述无人机拍照系统的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，根据无人机任务需求设定拍照地点预定信息；

步骤2，遥控电路和遥测电路接收无人机位置信息并发送给处理器，处理器根据所述预定信息判断是否已抵达拍照地点，若抵达拍照地点，执行步骤3；

步骤3，遥控电路和遥测电路接收无人机姿态信息并部分传送至处理器，处理器对无人机姿态信息进行分析运算，向云台输入PWM波信号控制云台运动至预设状态；

步骤4，处理器向相机拍照模块输入拍照指令，相机拍照模块完成拍照动作；

步骤5，数据记录模块记录拍照信息，需要读取拍照信息时通过外接USB读取。

进一步地，所述步骤3中遥控电路和遥测电路接收无人机姿态信息通过RS232总线协议进行传输，使用MAX3232芯片进行物理层协议转化，再将部分信息传送至处理器。

进一步地，所述步骤3具体为：处理器接收无人机姿态信息后，通过处理器中的定时器产生不同占空比的PWM方波，再通过电平转换芯片转换为PWM波，控制云台舵机从而控制云台运动；其中占空比

T₁为PWM方波一个周期内低电平持续时间，T₂为PWM方波一个周期内高电平持续时间。

进一步地，所述步骤5中数据记录模块记录拍照信息，是通过外设的相机曝光时间采集电路和卫星定位收发器采集数据，并将数据发送至处理器，处理器经分析运算后输送至数据记录模块记录拍照信息。

进一步地，所述步骤5中数据记录模块记录拍照信息具体为：卫星定位收发器采集PPS信号发送至处理器，相机曝光时间采集电路采集相机曝光信号发送至处理器，处理器结合PPS信号和相机曝光信号进行分析运算得到相机曝光时间，输送至数据记录模块存储；同时卫星定位收发器采集卫星导航和星历数据，发送至处理器后传输记录于数据记录模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明一种无人机拍照系统，处理器、数据记录模块和相机拍照模块组成的相机使能控制集成在同一电路板上，有效减小了体积节省了空间；另外，数据记录模块中记录的拍照数据直接通过USB读取，方便可靠；通过遥控电路、遥测电路获取无人机位置信息和姿态信息，不需要再外设陀螺仪等传感器，进一步节约成本的同时也有效减小了体积。整个系统可根据遥控电路、遥测电路采集的数据实时自动控制拍照，不需要再根据地面给出的指令进行拍照。

2.拍照系统需要的无人机姿态信息通过遥控电路和遥测电路获取后，经MAX3232芯片进行物理层协议转化，将信息一分为二，既不改变原来的数据流向，又可获得所需要的信息。

3.数据记录模块采用FLASH记录电路，提高了可靠性，避免了因无人机飞行振动造成的接触不良现象。

4.通过外设相机曝光时间采集电路和卫星定位收发器，可在拍照的同时获取卫星导航和星历数据，以及相机曝光时间数据，能够在完成拍照动作的同时获取更多相机拍照信息。

5.一种无人机拍照系统控制方法，通过遥控电路和遥测电路获取的无人机位置及姿态信息进行分析计算，不需要单独的陀螺仪等传感器，能够根据无人机姿态信息实时控制拍照系统在预定信息下完成拍照动作，通过PWM波控制云台调整至预设状态；另外，数据记录模块能够通过外接的USB读取信息，读取更加方便。

6.遥控电路和遥测电路获取无人机姿态信息后，经MAX3232芯片进行物理层协议转化后，能够将信息一分为二，在不改变原来数据流向的前提下又可获得所需要的信息。

7.卫星定位收发器采集卫星导航和星历数据，传输至处理器后记录于数据记录模块，同时采集PPS信号，相机曝光时间采集电路采集相机曝光信号输送至处理器，处理器结合PPS信号和相机曝光时间信号进行分析运算得到相机曝光时间并存储于数据记录模块，因此数据记录模块能够同时获取卫星导航和星历数据，以及相机曝光时间，能够获得更多关于无人机拍照的信息。

附图说明

图1为本发明实施例中一种无人机拍照系统的组成示意图；

图2为本发明实施例中处理器的电路图；

图3为本发明实施例中遥控电路和遥测电路的电路图；

图4为本发明实施例中PWM输出电路的电路图；

图5为本发明实施例中PWM方波的波形示意图；

图6为本发明实施例中FLASH记录电路的电路图；

图7为本发明实施例中相机曝光时间采集电路的电路图；

图8为本发明实施例中数据读取电路的电路图；

图9为本发明实施例中相机拍照模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1和图2，一种无人机拍照系统，包括电源、遥控电路、遥测电路，以及布置在同一集成电路板上的处理器、数据记录模块和相机拍照模块。

电源，用于为整个拍照系统供电。

遥控电路和遥测电路，用于获取无人机位置信息和姿态信息并传送至处理器；

处理器，根据无人机位置信息判断是否到达拍照地点，对无人机姿态信息进行分析运算，通过处理器内的定时器产生PWM方波，PWM方波经电平转换芯片转换为云台舵机能够识别的信号，控制云台运动；同时，输出使能信号控制相机拍照模块完成拍照动作，并将拍照数据存入数据记录模块；

数据记录模块中的拍照数据通过控制器上设置的USB接口读取。拍照系统还包括相机曝光时间采集电路和卫星定位收发器；卫星定位收发器采集卫星导航和星历数据，通过TTL串行接口发送至处理器；同时卫星定位收发器采集PPS信号发送至处理器；相机曝光时间采集电路记录相机曝光信号，经运算放大器后输送至处理器IO接口。

下面将结合附图对本实施例中各模块做详细解释：

本实施例中电源采用机载24V电源，经由电源转换电路与系统的接入适配，为系统提供电力来源。

如图3，遥控电路和遥测电路通过RS232协议传输数据，使用MAX3232芯片进行物理层协议转化，将信息一分为二，一部分按照原信息传输方向进行传输，另一部分发送至处理器进行分析运算。

如图2，处理器使用STM32F407，具有168MHz主频，可通过FSMC接口连接NANDFLASH进行数据存储，通过IO接口接收相机曝光脉冲和卫星定位PPS脉冲，用以记录相机曝光时间，通过全速USB读取数据。

如图4，PWM输出电路接收处理器输出的PWM方波，并通过电平转换芯片转换成5V峰值的PWM波，控制云台舵机从而控制云台调整至预设的状态。

如图6所示，数据记录模块为FLASH记录电路，FLASH记录电路采用大容量的存储芯片，连接至处理器的FSMC接口进行控制。如图7，相机曝光时间采集电路采集相机曝光信号并结合卫星定位收发器的PPS信号在处理器中进行分析运算得到相机曝光时间，由于相机曝光输出信号较弱，在500mv左右，处理器的IO接口无法识别，需要使用运放放大，PPS信号使用MOSFET调整上升沿和下降沿使其方便处理。如图8，数据读取电路采用USB接口进行数据读取，USB的5V供电通过线性稳压电源转换成3.3V后给处理器、FLASH记录电路及相关器件断电，同时USB的5V作为输入信号采集结束的标志，切断向卫星定位板卡的供电。

如图9是相机拍照模块的电路图，相机拍照模块是通过一定时间宽度的脉冲来使能，处理器检测到需要拍照后，IO接口输出脉冲，经电平转换芯片转换成相机兼容的点评后发送给相机进行拍照。

基于上述无人机拍照系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据无人机任务需求设定拍照地点预定信息；

步骤2，遥控电路和遥测电路接收无人机位置信息并发送给处理器，处理器根据所述预定信息判断是否已抵达拍照地点，若抵达拍照地点，执行步骤3；

步骤3，遥控电路和遥测电路接收无人机姿态信息并部分传送至处理器，处理器对无人机姿态信息进行分析运算，向云台输入PWM波信号控制调整云台运动至预设状态；

步骤4，处理器向相机拍照模块输入拍照指令，相机拍照模块完成拍照动作；

步骤5，数据记录模块记录拍照信息，需要读取拍照信息时通过外接USB读取。

具体的控制过程为：

根据无人机任务需求设定相关预定信息，遥控电路和遥测电路接收无人机位置信息发送给处理器，处理器根据预定信息判断是否已抵达拍照地点，若抵达拍照地点则进行拍照。遥控电路和遥测电路将接收到的无人机姿态信息通过RS232总线协议进行传输，使用MAX3232芯片进行物理层协议转化，将信息一分为二，一部分按照原路径传输，另一部分传输至处理器，处理器接收到无人机姿态信息后，处理器内的定时器产生不同占空比的PWM方波，PWM方波的波形如图5所示，其中占空比

T₁为PWM方波一个周期内低电平持续时间，T₂为PWM方波一个周期内高电平持续时间，PWM方波经电平转换芯片转换成5V峰值的PWM波控制云台舵机，从而控制云台调整至预设状态；同时处理器向相机拍照模块输出使能信号，控制相机完成拍照动作。相机曝光时间采集电路采集相机曝光信号，卫星定位收发器采集PPS信号、卫星导航和星历数据，相机曝光信号、PPS信号以及卫星导航和星历数据均传输至处理器，处理器经分析运算得到相机曝光时间。分析运算相机曝光时间的具体方法如下：

(1)使能处理器的一个内部定时器；

(2)PPS信号产生时，上述定时器计数清零；

(3)接收到相机曝光信号时，获取定时器数值，便可算出PPS信号产生到相机曝光之间的时间T_P；

(4)再结合卫星定位收发器发送的GPS周T_W和周内秒T_S，便可准确计算出相机曝光时间为GPS周T_W，周内秒T_S+T_P。

然后将相机曝光时间记录于数据记录模块并存储，另外卫星定位收发器采集的卫星导航和星历数据也传输至处理器，再存储于数据记录模块。需要读取数据时使用USB读取，读取数据时可以通过USB接口为板卡供电，外部电源不需要工作。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种无人机拍照系统，其特征在于：包括相机曝光时间采集电路、卫星定位收发器、电源、遥控电路、遥测电路，以及布置在同一集成电路板上的处理器、数据记录模块和相机拍照模块；

电源，用于为整个拍照系统供电；

遥控电路和遥测电路，用于获取无人机位置信息和姿态信息并传送至处理器；

处理器，根据无人机位置信息判断是否到达拍照地点，对无人机姿态信息进行分析运算，通过处理器内的定时器产生PWM方波，PWM方波经电平转换芯片转换为云台舵机能够识别的信号，控制云台运动；同时，输出使能信号控制相机拍照模块完成拍照动作，并将拍照数据存入数据记录模块；

数据记录模块中的拍照数据通过处理器上设置的USB接口读取；

卫星定位收发器采集卫星导航和星历数据，通过TTL串行接口发送至处理器；同时卫星定位收发器采集PPS信号发送至处理器；

相机曝光时间采集电路记录相机曝光信号，经运算放大器后输送至处理器IO接口。

2.如权利要求1所述一种无人机拍照系统，其特征在于：所述电源为机载24V电源，经转换后为系统供电。

3.如权利要求1所述一种无人机拍照系统，其特征在于：所述遥控电路和遥测电路获取的无人机姿态信息通过RS232总线协议进行传输，经MAX3232芯片进行物理层协议转化，将部分信息传送至处理器。

4.如权利要求1所述一种无人机拍照系统，其特征在于：所述数据记录模块为FLASH记录电路，与处理器的FSMC接口相连。

5.一种如权利要求1-4任一项所述无人机拍照系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据无人机任务需求设定拍照地点预定信息；

步骤2，遥控电路和遥测电路接收无人机位置信息并发送给处理器，处理器根据所述预定信息判断是否已抵达拍照地点，若抵达拍照地点，执行步骤3；

步骤3，遥控电路和遥测电路接收无人机姿态信息并部分传送至处理器，处理器对无人机姿态信息进行分析运算，向云台输入PWM波信号控制调整云台运动至预设状态；

步骤4，处理器向相机拍照模块输入拍照指令，相机拍照模块完成拍照动作；

步骤5，卫星定位收发器采集PPS信号发送至处理器，相机曝光时间采集电路采集相机曝光信号发送至处理器，处理器结合PPS信号和相机曝光信号进行分析运算得到相机曝光时间，输送至数据记录模块存储；同时卫星定位收发器采集卫星导航和星历数据，发送至处理器后传输记录于数据记录模块。

6.如权利要求5所述一种无人机拍照系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3中遥控电路和遥测电路接收无人机姿态信息通过RS232总线协议进行传输，使用MAX3232芯片进行物理层协议转化，再将部分信息传送至处理器。

7.如权利要求5所述一种无人机拍照系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3具体为：处理器接收无人机姿态信息后，通过处理器中的定时器产生不同占空比的PWM方波，再通过电平转换芯片转换为PWM波，控制云台舵机从而控制云台运动；其中占空比

T₁为PWM方波一个周期内低电平持续时间，T₂为PWM方波一个周期内高电平持续时间。

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