CN103336475B - 无人机监视镜头多路选择器 - Google Patents

Abstract

无人机监视镜头多路选择器，属于无人机监视领域，本发明为解决现有无人机监视镜头切换时存在的问题。本发明包括单片机、遥控信号接收端口、m个光耦继电器、m个镜头连接端口、视频无线信号交互端口、红色状态灯LED1和绿色状态灯LED2，遥控信号接收端口的遥控信号输出端与单片机的遥控信号输入端相连；每个镜头连接端口通过一个光耦继电器与单片机的一个镜头切换指令传输端相连；每个镜头连接端口通过一个光耦继电器与视频无线信号交互端口的视频传输端相连；单片机的红灯状态指令输出端与红色状态灯LED1的初能端相连，单片机的绿灯状态指令输出端与绿色状态灯LED2的初能端相连。

Description

无人机监视镜头多路选择器

技术领域

本发明涉及无人机监视镜头多路选择器，属于无人机监视领域。

背景技术

利用无人机进行高空侦察、监视是现代军民用领域的前沿科技，在战场态势评估、反恐、交通流量控制等方面均有广阔的应用前景。为了同时监视多个角度的实时场景，一架无人机上往往搭载有多个可回传视频信号的摄像头。现有的无人机高空监视系统见图1所示。但为了减轻无人机的飞行重量，机上通常只配备一套数传电台，这就要求在多路视频信号间进行切换。

在飞行作业中，地面人员通过遥控来决定无人机监视镜头的切换。遥控信号是一个小占空比的PWM波，周期为50Hz，高电平有效脉宽大约在1ms～2ms之间。

无人机监视镜头所产生的视频信号是一个低功率模拟量，适合采用继电器作为切换元件。但传统的机械式继电器开关时间较慢，可靠性较差，使用寿命较短。

由于各无人机系统采用的遥控器不尽相同，各品牌遥控器的遥控信号高电平脉宽并不严格落于1ms～2ms之间。如果使用分立元件来实现此多路选择器，则产品的适应范围会变窄。

发明内容

本发明目的是为了解决现有无人机监视镜头切换时存在的问题，提供了一种无人机监视镜头多路选择器。

本发明所述无人机监视镜头多路选择器，它包括单片机、遥控信号接收端口、m个光耦继电器、m个镜头连接端口、视频无线信号交互端口、红色状态灯LED1和绿色状态灯LED2，

遥控信号接收端口的遥控信号输出端与单片机的遥控信号输入端相连；

每个镜头连接端口通过一个光耦继电器与单片机的一个镜头切换指令传输端相连；

每个镜头连接端口通过一个光耦继电器与视频无线信号交互端口的视频传输端相连；

单片机的红灯状态指令输出端与红色状态灯LED1的初能端相连，单片机的绿灯状态指令输出端与绿色状态灯LED2的初能端相连。

本发明的优点：本发明所述无人机监视镜头多路选择器需识别该遥控信号，并根据其高电平脉宽来决定切换哪一路视频信号回传到地面站。

本发明采用近些年出现的光耦继电器来替代机械式继电器，不但把开关时间提升至毫秒级，且理论上无需考虑寿命问题。

本发明采用以单片机为核心元件的数字电路设计，利用ICP1输入捕捉单元可自动识别遥控器的有效高电平范围，理论上能够支持任何品牌的遥控器，最大限度地满足了无人机监视系统的多路视频选择需求。产品实现了三个监视镜头的切换，但可按需求进行自由扩展，能够较容易地实现无人机监视镜头的多路选择。

PWM高电平脉宽的识别分辨率可达1024，镜头视频信号切换时间小于1ms，失控保护启动和信号恢复时间小于20ms。

附图说明

图1是背景技术中涉及的无人机高空监视系统的原理框图；

图2是本发明所述无人机监视镜头多路选择器的原理框图；

图3是本发明所述无人机监视镜头多路选择器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式所述无人机监视镜头多路选择器，它包括单片机1、遥控信号接收端口2、m个光耦继电器3、m个镜头连接端口4、视频无线信号交互端口5、红色状态灯LED1和绿色状态灯LED2，

遥控信号接收端口2的遥控信号输出端与单片机1的遥控信号输入端相连；

每个镜头连接端口4通过一个光耦继电器3与单片机1的一个镜头切换指令传输端相连；

每个镜头连接端口4通过一个光耦继电器3与视频无线信号交互端口5的视频传输端相连；

单片机1的红灯状态指令输出端与红色状态灯LED1的初能端相连，单片机1的绿灯状态指令输出端与绿色状态灯LED2的初能端相连。

遥控信号接收端口2接收遥控接收机通过天线接收到的遥控信号，所述遥控信号为周期50Hz的小占空比PWM波。

每个镜头连接端口4连接一个机载镜头，任何一路的视频信号均通过图传发射机、天线发射出去，由地面的图传接收机接收并在地面站监视屏上显示该路视频信息。

具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，单片机1采用Atmel公司的ATmega8L单片机，光耦继电器3采用型号为AQY212的光耦继电器。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，m=3，单片机1的PB0脚通过电阻R1连接遥控信号接收端口2；

单片机1的PB5脚通过电阻R2连接第一个光耦继电器3的1号端口，第一个光耦继电器3的2号端口连接数字地，第一个光耦继电器3的3号端口连接第一个镜头连接端口4；

单片机1的PD1脚通过电阻R3连接第二个光耦继电器3的1号端口，第二个光耦继电器3的2号端口连接数字地，第二个光耦继电器3的4号端口连接第二个镜头连接端口4；

单片机1的PD2脚通过电阻R4连接第三个光耦继电器3的1号端口，第三个光耦继电器3的2号端口连接数字地，第三个光耦继电器3的4号端口连接第三个镜头连接端口4；

第一个光耦继电器3的4号端口、第二个光耦继电器3的3号端口和第三个光耦继电器3的3号端口同时与视频无线信号交互端口5相连；

单片机1的PD5通过电阻R5与红色状态灯LED1的正极连接，红色状态灯LED1的负极连接数字地；

单片机1的PD6通过电阻R6与绿色状态灯LED2的正极连接，绿色状态灯LED2的负极连接数字地。

R1选择阻值为51Ω的电阻；R2、R3、R4、R5和R6均选择选择阻值为470Ω的电阻。

电源正VCC和电源负之间并联电容C0。

遥控信号采集与处理部分：

单片机1的PC6脚通过电阻R7与电源正VCC相连。R7选择阻值为5.1kΩ的电阻。

遥控信号输入线为白红黑三联线，白线为信号，红黑线为5v电源的正负极。遥控信号白线串接一个51欧的保护电阻R1后连接到ATmega8L单片机的PB0（ICP1）管脚；红线连接单片机的VCC管脚（第4、6脚）；黑线连接单片机1的GND管脚（第3，5，21脚），并作为数字地网络；红线和黑线间并联一个104电容C0；红线串接一个5.1KΩ电阻后连接到单片机的PC6管脚以拉高RESET单元。

遥控信号处理功能在单片机1内利用代码完成，分为信号捕捉、高电平脉宽识别和数字滤波三部分。利用ATmega8L单片机的Timer1定时器输入捕捉单元（ICP1），通过切换信号上升沿触发和下降沿触发来捕捉遥控信号；利用Timer1的累加器计数乘以定时周期来计算遥控信号的高电平脉宽；利用抛弃法和均值法相结合的方法来实现数字滤波，并将结果作为判定的有效高电平脉宽。具体如下：

信号识别算法采用ATmega8L的ICP1输入捕捉单元配合Timer1定时器中断实现，算法的具体步骤如下：

步骤一：开启Timer1定时器及其中断，设定1024分频，开启ICP1输入捕捉单元并设定为上升沿触发；

步骤二：遥控信号上升沿到来后，被捕捉入Timer1定时器中断，将Timer1计时器清零，改变ICP1输入捕捉单元为下降沿触发；

步骤三：遥控信号下降沿到来后，被捕捉入Timer1定时器中断，读出Timer1计时器读数，将其乘以Timer1的计数周期（1us），得到遥控信号的有效高电平脉宽，将ICP1输入捕捉单元重设为上升沿触发；

步骤四：在遥控信号有效期内，重复步骤一至步骤三，每完成50次进入一次数字滤波子程序计算遥控信号的实际高电平脉宽，直到遥控信号撤离。

无人机监视镜头多路选择器数字滤波算法采用抛弃法和均值法相结合的方法，算法的具体步骤如下：

步骤一：将遥控信号识别算法步骤四中获得的50个计数，去除前两个计数，以避免由于切换ICP1上升沿和下降沿触发模式带来的信号失真；

步骤二：将剩下的48个计数进行排序，去掉5个最大值和5个最小值；

步骤三：将剩下的38个计数取均值，作为本次滤波最终的遥控信号实际高电平脉宽。

视频切换部分：

本实施方式中，m=3，无人机监视镜头多路选择器在不进行扩展的情况下可切换三路视频信号，每路视频含有三根接线。第一线为视频信号线，第二、三线为无人机监视镜头的电源正和电源负。三路视频的第二线是互连的，第三线也是互连的。利用一个四联三排弯针作为三路视频信号的输入和一路选定视频的输出。

采用AQY212EH光耦继电器作为执行元件来完成多路视频信号的选择。分别使用ATmega8L单片机的PD1、PD2和PB5管脚串接一个470欧限流电阻后，连接到三个AQY212EH光耦继电器的输入正极脚；再将三个AQY212EH的第一输出脚分别连接三个监视镜头的视频信号线（四联三排弯针的前三联第一针），并将AQY212EH的第二输出脚全部连接至选定视频的输出端（四联三排弯针的第四联第一针）。

视频信号切换功能在单片机1内利用代码完成。将捕获的遥控信号有效高电平脉宽分为三个区段，第一段为最低脉宽到最低脉宽加0x90，第二段为最低脉宽加0x90到最高脉宽减0x90，第三段为最高脉宽减0x90到最高脉宽。当前遥控信号的高电平脉宽落入哪一个区段，即将单片机的PD1、PD2和PB5管脚相应置为高电平，用以触发三个AQY212EH光耦继电器。PD1管脚对应第一区段，选择第一路视频信号；PD2管脚对应第二区段，PB5管脚对应第三区段。

无人机监视镜头多路选择器视频切换算法法采用对应遥控信号高电平脉宽的三段切换方法，算法的具体步骤如下：

步骤一：存储遥控信号有效高电平脉宽的最低值为n_Low_Width，最高值为n_High_Width；

步骤二：将从n_Low_Width到n_Low_Width+0x90的高电平脉宽，作为激活第一路视频的遥控信号；

步骤三：将从n_Low_Width+0x90到n_High_Width-0x90的高电平脉宽，作为激活第二路视频的遥控信号；

步骤四：将从n_High_Width-0x90到n_High_Width的高电平脉宽，作为激活第三路视频的遥控信号。

状态显示部分：

本无人机监视镜头多路选择器采用红色状态灯LED1和绿色状态灯LED2来指示当前的工作状态。ATmega8L单片机的PD5管脚，串联一个470欧限流电阻后，连接到红色状态灯LED1的正极；单片机的PD6管脚，串联一个470欧限流电阻后，连接到绿色状态灯LED2的正极；红色状态灯LED1和绿色状态灯LED2的负极均接入数字地网络。

点亮和熄灭LED指示灯的功能由单片机1内的代码完成。将相应管脚置为高电平，则点亮LED；置为低电平，则熄灭LED。红色状态灯LED1单独点亮，表示第一路视频信号被选定；绿色状态灯LED2单独点亮，表示第二路视频信号被选定；红色状态灯LED1和绿色状态灯LED2同时点亮，表示第三路视频信号被选定。此外，红色状态灯LED1还兼具多路选择器的工作状态指示功能。刚上电时的3s窗口期内，红色状态灯LED1会快速闪烁，表示此时处于遥控信号识别状态；遥控信号丢失后，红色状态灯LED1会慢速闪烁，表示此时处于失控保护状态。红色状态灯LED1或绿色状态灯LED2持续点亮时，选择器处于正常工作状态。

失控保护部分：

本无人机监视镜头多路选择器利用ATmega8L单片机代码、并结合前三个单元实现失控保护功能。当连续300ms接收不到遥控信号时，即判定多路选择器进入失控保护模式。此时将输出选定为第一路视频，并将红色状态灯LED1置为慢速闪烁。

当遥控信号重新找回时，多路选择器置回工作模式。此时根据遥控信号的当前高电平脉宽选择视频，根据选定视频的路数持续点亮红色状态灯LED1或绿色状态灯LED2。

无人机监视镜头多路选择器失控保护算法采用设置信号丢失陷阱和信号找回跳离的方法，算法的具体步骤如下：

步骤一：设置一个TX_delay计数器，该计数器在ICP1输入捕捉中断获取遥控信号高电平脉宽后被置零；

步骤二：开启T0定时器，中断周期为30ms，在T0中断内将TX_delay进行累加；

步骤三：如果TX_delay累加至0x0A，判定遥控信号丢失，立即切换第一路视频信号到当前，将TX_delay置为0x0B，选择器进入失控保护状态；

步骤四：设置一个信号累加计数器n_Res，若遥控信号高电平脉宽小于上一次脉宽值加0x50，或大于上一次脉宽值减0x50，将n_Res进行累加；

步骤五：若n_Res大于150，则遥控信号找回，TX_delay被置零，选择器重新回到工作状态。

下面给出一个具体实施过程：

1、设备连接

将本发明的多路选择器连在无人机高空监视系统中。将多路选择器的遥控信号线（白红黑三色）插入无人机遥控器接收机的任一个空闲通道；将无人机的三个机载镜头线（视频信号、镜头电源正、镜头电源负三联）分别插入选择器四联三排弯针的前三联，若只有两个机载镜头则插入第一、第三联；将数传电台的视频输入线插入选择器四联三排弯针的第四联。

2、遥控器准备

打开无人机遥控器的图传发射机，为插接多路选择器的通道分配一个控制（旋钮和开关均可）。若无人机有三个监视镜头，则所分配的开关必须是三段开关。将该通道的上下行程均调为默认的100。

3、遥控通道行程设置

保持遥控器的图传发射机的开启，再给无人机的遥控器接收机上电。多路选择器的红色状态灯LED1开始快速闪烁3秒钟，此期间是多路选择器的遥控通道行程设置窗口。如果之前从未设定通道行程，请在此3秒钟内来回旋转多路选择器插接通道的旋钮，或来回拨动该通道的开关一到两次。确认旋钮和开关都已打到两个方向的最大行程。此时多路选择器的红色状态灯LED1变为双频闪烁，提示已经记忆当前的遥控通道行程设置。

只有初次使用本无人机监视镜头多路选择器、或更换了遥控设备、或更换了接驳通道，才有必要进行此遥控通道行程设置。多路选择器有记忆功能，在其他正常使用情况下，如果在上电后的3秒窗口期内不转动旋钮（或拨动开关），多路选择器会自动加载上次的设置数值。

如果多路选择器从未进行过遥控通道行程设置，或加载上次的设定值失败，则红色状态灯LED1会持续快速闪烁，直到转动通道旋钮（或拨动开关）完成遥控通道行程设置。

遥控通道行程设置完成后，或设置窗口期通过后，多路选择器进入正常工作状态，会根据所接驳通道对应的旋钮（或开关）位置，点亮相应的LED指示灯，同时切换监视镜头的视频信号。

4、使用

保证无人机机载镜头的供电有效，操作遥控器所用通道的旋钮或开关，可在地面站监视屏幕上查看机载视频信号的切换效果。旋钮的前段行程（或开关的第一档）对应第一个机载镜头视频，旋钮的中段行程（或开关的第二档）对应第二个机载镜头视频，旋钮的后段行程（或开关的第三档）对应第三个机载镜头视频。多路选择器上的LED也会指示当前所切换的视频，红色状态灯LED1单独点亮对应第一路视频，绿色状态灯LED2单独点亮对应第二路视频，LED1和LED2同时点亮对应第三路视频。从实际使用效果可知，视频的切换速度很快，看不出有任何延迟的现象。

若在工作状态下丢失了遥控信号（可在地面关闭发射机以模拟该情况），无人机机载视频被锁定在第一路，同时多路选择器上的红色状态灯LED1持续慢速闪烁，指示进入了失控保护状态。此时若找回了遥控信号（可在地面重新打开发射机），多路选择器会重新根据旋钮（或开关）的位置来切换无人机机载视频，同时恢复正常工作状态。本无人机监视镜头多路选择器支持所有制式的无人机遥控设备，包括AM（调幅）、FM（调频）、PCM（脉冲编码调制）和2.4G模式。

Claims (6)

1.无人机监视镜头多路选择器，其特征在于，它包括单片机(1)、遥控信号接收端口(2)、m个光耦继电器(3)、m个镜头连接端口(4)、视频无线信号交互端口(5)、红色状态灯LED1和绿色状态灯LED2，

遥控信号接收端口(2)的遥控信号输出端与单片机(1)的遥控信号输入端相连；

每个镜头连接端口(4)通过一个光耦继电器(3)与单片机(1)的一个镜头切换指令传输端相连；

每个镜头连接端口(4)通过一个光耦继电器(3)与视频无线信号交互端口(5)的视频传输端相连；

单片机(1)的红灯状态指令输出端与红色状态灯LED1的初能端相连，单片机(1)的绿灯状态指令输出端与绿色状态灯LED2的初能端相连；

m＝3，单片机(1)的PB0脚通过电阻R1连接遥控信号接收端口(2)；

单片机(1)的PB5脚通过电阻R2连接第一个光耦继电器(3)的1号端口，第一个光耦继电器(3)的2号端口连接数字地，第一个光耦继电器(3)的3号端口连接第一个镜头连接端口(4)；

单片机(1)的PD1脚通过电阻R3连接第二个光耦继电器(3)的1号端口，第二个光耦继电器(3)的2号端口连接数字地，第二个光耦继电器(3)的4号端口连接第二个镜头连接端口(4)；

单片机(1)的PD2脚通过电阻R4连接第三个光耦继电器(3)的1号端口，第三个光耦继电器(3)的2号端口连接数字地，第三个光耦继电器(3)的4号端口连接第三个镜头连接端口(4)；

第一个光耦继电器(3)的4号端口、第二个光耦继电器(3)的3号端口和第三个光耦继电器(3)的3号端口同时与视频无线信号交互端口(5)相连；

单片机(1)的PD5通过电阻R5与红色状态灯LED1的正极连接，红色状态灯LED1的负极连接数字地；

单片机(1)的PD6通过电阻R6与绿色状态灯LED2的正极连接，绿色状态灯LED2的负极连接数字地。

2.根据权利要求1所述无人机监视镜头多路选择器，其特征在于，它还包括电容C0，电源正VCC和电源负之间并联电容C0。

3.根据权利要求1所述无人机监视镜头多路选择器，其特征在于，它还包括电阻R7，单片机(1)的PC6脚通过电阻R7与电源正VCC相连。

4.根据权利要求3所述无人机监视镜头多路选择器，其特征在于，R7选择阻值为5.1kΩ的电阻。

5.根据权利要求1所述无人机监视镜头多路选择器，其特征在于，R1选择阻值为51Ω的电阻；R2、R3、R4、R5和R6均选择选择阻值为470Ω的电阻。

6.根据权利要求1所述无人机监视镜头多路选择器，其特征在于，单片机(1)采用Atmel公司的ATmega8L单片机，光耦继电器(3)采用型号为AQY212的光耦继电器。