一種小型四旋翼航拍無人機技術與實現

曾舒婷 夏慶峰 朱燁 王辰

摘要：依據2015-2020年中國無人機行業研究分析及市場前景預測報告，航拍及娛樂、農林、安防、電力四大領域是無人機市場的重點細分領域。本文以四旋翼航拍無人機相關技術為研究重點，提出了一套完整的小型四旋翼航拍無人機設計方案。經飛行航拍實驗結果表明，航拍無人機飛行圖傳穩定，PC端實時采集圖像視頻及飛行數據，可應用于無人機實驗室的航拍無人機教學科研。

關鍵詞：航拍無人機;四旋翼;圖傳系統

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：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

微型無人機首先是由美國科學家布魯諾·W·奧根斯坦在20世紀90年代美國國防高級研究計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、重量輕、體積小等優勢[1]。

然而對于無人機的研究，一開始大部分學者都是圍繞空氣動力學、能源以及材料進行的，主要就是探索如何讓無人機更好的飛向空中，故忽略了對無人機的圖像無線傳輸系統方面的研究[2]。直至2001 年9月，日本成功開發了當時世界上最輕的微型無人機“UFR-II”， 機重僅 12.3g， 該機可以按照程序設計路線自主飛行， 其上攜帶有微型攝像機并可以將拍攝到的圖像情報迅速傳送回基地[3]。同年在加州大學伯克利分校研究出的 BEAR，則采用了搭載了2臺 Pentium 233 MHz PC104 嵌入式計算機的設計方案，其中有一臺使用了圖像傳輸， 攝像機是用SONY EVI-D30，通過串口調節來調整水平、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設計方案，主要包括四旋翼航拍無人機硬件架構及圖傳系統設計。

2 小型四旋翼航拍無人機硬件設計

小型四旋翼航拍無人機硬件結構包括幾大模塊，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、羅盤、數傳模塊、遙控器信號接收器、電源模塊。

2） 動力模塊包括：電調、電機、螺旋槳、鋰電池。

3） 航拍模塊包括：云臺、攝像機、圖傳模塊，圖傳發送和接收機。

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。開源飛控領域影響比較大的就是3d robotics公司生產的APM和Pixhawk。該小型四旋翼航拍無人機飛控板選用的是Pixhawk飛控板，其繼承了APM和PX4的優點，并在其基礎上改進。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，內含256KB RAM、2MB Flash，支持強大運算。另外一個協處理器主要定位于工業用途的32bit STM32F103，它的特點是安全穩定。所以就算主處理器死機了，還有一個協處理器來保障安全。

2） GPS 定位與羅盤模塊

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

電子羅盤主要用于提供關鍵性的慣性導航和方向定位系統的信息。較其他傳感器相比，電子羅盤有明顯地功耗優勢，同時具有高精度、響應時間短等特點，非常適用于無人機的應用。

根據GPS所獲取的飛機當前坐標、目標點坐標，電子羅盤獲取的飛機航向與目標航向的偏差角及象限等數據計算航向修正指令，并發往舵機控制系統。

3） 數傳模塊

無人機的數傳模塊一方面用于收集、整理和記錄飛機的各項參數，并生成報文發向地面;另一方面，對接收的報文進行譯碼，改變飛行參數，并通過伺服系統控制飛機的飛行狀態。

4） 控制器PPM信號接收器

無人機控制器PPM信號接收器用于接收由地面站控制器發送來的控制信號，并根據控制信號指令作用于飛行控制器，實現無人機飛行控制。

5） 電源模塊

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

2.2 動力模塊

1） 電機

航拍要選用低KV電機配大槳，轉速低，效率高，同樣低轉速電機的震動也小。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選用KV2000的電機。

2） 電調

依據電調重要的參數是工作電流，刷新頻率，重量，該小型四旋翼航拍無人機的電子調速器選用驅動50A無刷直流電機。

3） 螺旋槳

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

4） 鋰電池

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

2.3 航拍模塊

1） 云臺

航拍無人機云臺上的耗電是影響無人機飛行的一大因素，在穩定云臺的電機耗電上，比不安裝航拍云臺下降30%的續航時間。航拍無人機云臺主要考慮參數有可控姿態，可控旋轉角度，穩定性，及重量。

該小型四旋翼航拍無人機云臺經對比選用Storm32位三軸無刷云臺。其可控旋轉角度為 YAW水平轉向正負180度，roll橫滾角度正負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），總重量越輕越利于航拍延時。

2） 攝像機

影響航拍無人機質量的參數包括：分辨率、像素、錄制時間、遠程搖控、防抖、防水。經過航拍質量以及經費考慮，最終選用SJCAM SJ7 STAR運動相機。

3） 圖傳系統

該小型四旋翼航拍無人機采用5.8GHz頻段傳輸模擬視頻到地面，最遠距離能達600多米。圖傳系統的圖傳發射端采用TS835發射端，發射頻率為5.8G。圖傳系統的圖傳接收端采用5.8G 150頻點圖傳接收機。

2.4 地面站部分

地面站設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，數傳接收端、圖傳接收端等設備組成，通過航線規劃工具規劃飛機飛行的線路，并設定飛行高度，飛行速度，飛行地點，飛行任務等通過數據口連接的數傳電臺將任務數據編譯傳送至飛控中。

1） 遙控器

無人機搖控器利用無線搖感技術對無人機起到實時調控的作用，其中控制的通道就是可以遙控器控制的動作路數，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有：上下、左右、前后、旋轉。所以最低得4通道遙控器。航拍無人機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是無人機地面控制站軟件，適用于固定翼，旋翼機和地面站，僅僅在windows系統下工作。

3 航拍無人機圖傳系統

無人機影像系統主要是由相機和圖傳模塊、OSD模塊構成。

微型攝像頭采集目標圖像信息，其自身的素質決定了拍攝圖像的清晰程度。相機并非單獨作用，而要與無人機云臺共同工作。無人機云臺的主要作用對象就是相機，通過對相機姿態的調節，保證了在飛行中，航拍無人機能夠獲取穩定并且清晰的畫面。

圖傳的任務是將航拍無人機所拍攝的畫面“實時，穩定”的發射給地面無線遙控接收設備。圖像傳輸過程中，首先通過圖像處理算法對圖像增強處理，例如通過電子穩像，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。然后利用2.4GHz或是5.8GHz無線技術進行傳輸。5GHz技術相對于2.4GHz技術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獲取的實時圖像疊加上無人機時的飛行數據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的運行情況。

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目中十分常見的周邊模塊，它通過內置的模塊UART以端口0（RX）和1（TX）與外界進行串口通信。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，內部集成了視頻驅動、同步分離器、視頻開關以及 EEPROM[7]，又叫作單通道隨屏顯示發生器。通過使用這種芯片，我們可以在動態視頻上附加上需要的特定圖形。MAX7456可以存儲256個字符，可以實現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線標準的可編程顏色字符大大降低了系統成本。

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

上位機通過串口通信，獲取OSD模塊的字符存儲器里的初設的字符樣式與界面布局。接著，通過OSD設置的軟件可以對顯示界面進行重新的布局，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上，以達到視頻疊加的效果。

而對于下位機，視頻疊加系統主要包括寫入，顯示，清除字符三個步驟。首先，上位機通過軟件的刷寫，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束后，通過定義好的視頻疊加功能，便可以實現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通信協議[8-9]，在串口上獲得封裝為Mavlink協議的飛行數據，并可以將其顯示在視頻輸出之上，同時支持用戶自行設置顯示信息的板式和內容。

4 航拍無人機的硬件實現

四旋翼航拍無人機硬件實現如圖5所示。經測試，該四旋翼航拍無人機性能如表1所示。

該四旋翼航拍無人機圖傳測試，如圖6所示，左上角第一行、第二行分別為空速、飛行速度。第三行數據為97%，表示當前無人機電池電量占比。第四行數據顯示了無人機工作電流4.84A，第五行數據工作電壓2.48V。最后兩行數據分別顯示了飛行距離30m和海拔高度1m。右上角數據為當前經緯度具體數值為北緯32.178°，東經118.704°。中間顯示了飛行器朝向為北偏東30°。右下角顯示機體溫度為37.36°C。這些數據說明無人機圖傳模塊、數傳模塊、OSD和相機工作都正常。

5 結語

綜上所述，本文總結了一套小型四旋翼航拍無人機硬件實現方案。飛行航拍實驗結果表明，圖傳系統的圖像及數據傳輸穩定，PC端實時采集圖像視頻及飛行數據，可應用于無人機實驗室的航拍無人機教學。

參考文獻：

[1] 謝春茂.無人機系統產業發展及市場研究[J].科技傳播.2013（11）：107-109.

[2] 孫仕祺，馬杰.歷史與現實：無人機發展歷程、現狀及其所面臨的挑戰[J].飛航導彈.2005（1）：14-19.

[3] 劉鵬，彭艷鵬，鄒秀瓊，何雯.我國無人機航攝系統現狀和前景[J].地理空間信息.2010（8）：4-6.161.

[4] 高珍，鄧甲昊，孫驥，宋崧.微型無人機圖像無線傳輸系統的發展現狀及其關鍵技術[J].科技導報.2007，25（16）：68-72.

[5] 王佩，榮昶，賈斐，介璽.基于無人機的無線圖像傳輸系統構建研究[J].實驗技術與管理.2017，34（4）：94-98.

[6] 高珍，鄧甲昊，孫驥，等.微型無人機圖像無線傳輸系統方案與關鍵技術[J].北京理工大學學報.2008：1078-1082.

[7] 汪輝，王昌明，宋高順，等.基于MAX7456的字符疊加系統設計[J].電子設計工程.2010（7）：181-183

[8] 孟穎.基于APM飛控制作的MAVLink通信協議分析[J].電子世界.2014.101-102.

[9] 呂強，倪佩佩，王國勝，等.DSP的MAVLink微型無人機通信協議移植與應用[J].單片機與嵌入式系統應用.2014（11）.