無人機遙感數據記錄系統設計與實現＊

黃克明 張明義 趙溫波 劉發磊

（解放軍陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

近年來，以無人機為飛行平臺攜帶數碼相機或成像光譜儀進行低空遙感航拍技術越來越受到重視，發展迅速。該技術可廣泛應用于國防軍事、低空遙感、資源勘探、森林消防、水源檢測、電力巡線、災害評估、人員搜救等各個領域，經過多次實踐檢驗，其應用效果受到廣泛贊譽［1～3］。

無人機遙感航拍攝正射影像圖時，要求航拍相機的CCD感光面必須與地面保持平行，即相機拍攝到照片的中心點的坐標和航拍相機CCD感光面坐標保持一致。同時要求同步獲取成像時的六種外方位（POS）數據［4～5］，包括三軸姿態、三維位置等，為航拍后期圖像的校正、融合、拼接等處理提供基礎數據。由于中小型無人機載荷能力限制，航拍相機與量測型相機在拍攝方式和后期處理上都與傳統的航空攝影測量有所不同［6～8］，無法直接提供POS數據。針對目前的實際狀況，通常這些數據由無人機載飛控計算機間接提供。由于無人機的位置和姿態傳感器安裝位置距離相機較遠、相機安裝時存在角度偏差等原因，飛控計算機給出的POS數據并不能精確反應出曝光時相機的實際位置和姿態，因此會極大影響后期的圖像處理。

針對上述問題，本文研究利用ARM為核心控制處理器，通過在遙感航拍相機上設置姿態、位置傳感器，在控制相機曝光同時，同步記錄其POS數據，實現圖像和POS數據的嚴格對應，為后期的圖像拼接處理提供同步數據。

2 無人機遙感數據記錄系統硬件設計［9～10］

無人機遙感數據記錄系統硬件方案如圖1所示。系統組成主要包括航拍相機接口、航拍控制指令輸入接口、GPS模塊、航姿儀（AHRS）模塊、數據處理模塊、數據存儲模塊、通信模塊、航拍云臺接口以及電源模塊。

數據處理模塊以意法半導體（ST）的STR711微控制器為核心［11］。STR711是片上集成Flash和RAM的微控制器。它基于高性能的ARM7TDMI內核，該系列中的所有器件都包含片上高速單電壓Flash存儲器和高速RAM存儲器。由于內嵌ARM內核，所以STR71x與所有的ARM工具和軟件兼容。由于STR71x擁有豐富的外設和增強的I／O功能，共有四個串口，完全滿足本系統應用需求。

圖1 系統組成

航拍指令輸入接口接收無人飛行器或遙控接收機指令并識別，判斷是否開始拍攝或停止拍攝；航拍相機接口輸出PWM信號給航拍相機按照設定的拍攝時間間隔進行拍攝或停止拍攝；可在飛行前根據具體飛行速度和高度預先設定控制航拍相機曝光時間間隔。AHRS和GPS測量航拍相機的三維位置經度、維度、高度、速度、俯仰角、橫滾角和航向角以及工作時間等參數并把測量的數據通過串口傳輸到數據處理模塊；控制相機曝光時，數據處理模塊根據AHRS和GPS模塊提供的相機姿態位置數據，一方面通過板載存儲模塊進行實時存儲，另外通過伺服云臺接口控制相機，使相機始終處于正射狀態；電源模塊為系統各模塊提供穩定電源。系統也可通過通信模塊接受曝光控制時間、曝光間隔等參數，也可輸出相機曝光的各種POS參數。

3 無人機遙感數據記錄系統軟件設計

無人機遙感數據記錄系統軟件采用C語音編寫，軟件流程如圖2所示。

系統加電以后進行初始化，包括系統初始化，SD卡文件系統初始化，GPS和AHRS初始化。初始化完成以后，數據處理模塊獲取GPS和AHRS數據，計算俯仰和橫滾角偏差，并輸出偏差給航拍云臺，驅動云臺使相機軸心向下垂直成正射狀態。當航拍指令輸入接口接收到指令后，數據處理模塊判斷是否是航拍相機曝光指令。如果不是，則繼續等待；如果是，則獲取曝光時間間隔設置，通過航拍相機接口輸出曝光指令到航拍相機快門，控制相機快門按設定間隔曝光，同時記錄曝光的序列、時間、位置、速度、姿態等外方位數據，并寫入SD存儲模塊進行存儲。當接收到停止曝光指令后，則停止相機曝光，程序結束，否則返回。

圖2 程序流程圖

4 系統實現及試驗

采用上述設計后，最終無人機遙感數據記錄系統實物如圖3所示。

系統具備以下功能：

1）可利用遙控接收機一個通道連接接收機，自動識別接收機遙感拍攝信號。

2）可利用一個開關通道連接自動駕駛儀，利用地面站通過自動駕駛儀控制航拍，距離更遠。

3）可利用無線數傳電臺串口直接發送航拍控制信號給控制器，控制內容包括拍攝指令、時間間隔等，控制器可利用串口自動向地面送航拍數據。

4）按設定控制遙感航拍相機接進行拍攝；根據具體飛行速度和高度設定拍攝時間間隔：預設8個，分別是1／3、1／2、3／4、1、1.5、2、2.5、3s。

5）控制器通過快門連接線和遙感航拍相機相接相連。

圖3 系統實物圖

6）標準遙感數據包括：航片序列、拍攝時間、經度、緯度、高度、俯仰角、橫滾角、航向角，為遙感航片后期處理提供全部數據。

7）遙感數據可利用板載存儲模塊SD卡存儲，也可利用串口直接傳輸到地面站。

8）利用控制器姿態傳感器反饋數據控制遙感云臺、使遙感航拍相機始終處于正射狀態，為遙感應用提供高質量航拍和航測數據，方便后期數據處理。

2011年10月在安徽滁州地區進行了多次無人機機載實際飛行試驗，驗證了無人機遙感數據記錄系統性能，圖4為部分試驗圖片，表1為部分試驗數據。

圖4 部分遙感航拍試驗圖像

表1 試驗記錄數據

5 結語

本文提出了一種小型無人機遙感數據記錄系統設計方案，系統可接受遙感航拍控制指令，調整航拍云臺處于正射姿態，控制相機按設定曝光間隔進行曝光，同時利用GPS模塊、AHRS模塊獲得相機曝光時的序號、時間、位置、姿態等數據并存儲，為航拍后期圖像處理提供必要的POS數據。本文設計無人機遙感數據記錄系統體積小，重量輕，接口簡單，5V供電，非常適合無人機等無人飛行器低空遙感航拍使用。

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