CN104154997B

CN104154997B - 一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统

Info

Publication number: CN104154997B
Application number: CN201410340415.3A
Authority: CN
Inventors: 王丽; 高硕�; 王志凯; 姚毅刚; 吴春楠; 林招荣; 李林鹏; 张跃东; 王哲; 张绪国
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: CN104154997A

Abstract

一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，采用多镜头多探测器分光方式，利用管理控制器对探测器组执行同步曝光策略，实现目标区域在不同谱段下的同时成像，并通过机上存储单元对图像数据及飞行辅助数据打包、存储；通过取景器，对目标区域拍摄的图像进行实时传输至地面工作站；另外，通过稳定控制模块从方位轴及横滚轴对系统进行两轴方向的姿态调整，实现系统垂视或倾斜成像，消除飞机振动扰动，消除飞机侧飞、横滚时对拍摄航迹的影响，并使拍摄区域中轴线始终平行于航迹。该系统采用轻小化、集成化设计，适合搭载于轻小型无人机，适用于农林业监测、水污染监测、智慧城市规划建设、缉毒、应急救灾等民用领域，有利于监测动态目标。

Description

一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统

技术领域

本发明专利涉及一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，集多光谱成像、存储、稳定控制于一体，适合于轻小型无人机航空多光谱遥感成像领域。

背景技术

轻小型无人机遥感因高时效、高分辨率等性能，应用日益广泛，对载荷多样化需求增大，多光谱相机成为一种新的发展方向。航空飞行环境如侧风、振动等因素通常会对多光谱遥感图像质量造成极大影响。另外，由于轻小型无人机对于载荷的尺寸重量要求高，受无线传输设备带宽的拘束，对数字图像机上存储提出了新要求，多种因素均限制了多光谱相机在航空遥感领域的发展。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，集多光谱成像、存储、稳定控制于一体，可实现不同波段图像同时成像及存储，大大减小多光谱成像设备体积及重量，适合搭载于轻小型无人机，实现多光谱相机垂视或倾斜成像，并解决飞机振动扰动对图像拖尾模糊的问题，消除飞机受风力等因素侧飞时对拍摄航迹的影响，使拍摄区域中轴线始终平行于航迹。具有垂视及斜视惯性稳定成像、自动加载图像POS信息的功能和分辨率高、重量轻，体积小的特点。

本发明的技术解决方案是：一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，包括：管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、电源模块、数传设备、取景器和成像单元；

电源模块给管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、数传设备、取景器和成像单元供电；

管理控制模块通过数传设备接收地面测控站的指令信息，设置取景器的工作模式和工作起停时间，并通过数传设备将取景器获取的目标区域的视频信息传输给地面测控站；

辅助数据接收模块通过惯性组合导航系统获取无人机的飞行辅助信息并将飞行辅助信息传输给稳定控制模块，稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正；所述飞行辅助信息包括无人机的经度、纬度、高度、方位角、横滚角、俯仰角、飞行速度和飞行方向；

管理控制模块按照预先设定的曝光策略控制成像单元进行曝光，产生存储同步触发信号，并将从稳定控制模块同步接收的飞行辅助信息传输给存储控制模块；

成像单元采用多镜头多探测器分光方式进行曝光，成像单元具有5个谱段，谱段预先进行配置，分别为红、绿、蓝、近红外和全色；成像单元将曝光后的图像数据传输给存储控制模块；

存储控制模块从成像单元接收图像数据，并接收管理控制模块发送的存储同步触发信号，接收到的图像数据通过存储控制模块中的FPGA整理时序后进入存储控制模块中的缓存电路SDRAM；存储控制模块同时接收管理控制模块传输的飞行辅助信息，当一帧图像数据接收完成时，存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息打包，存入CF卡介质中。

所述稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正，具体为：

稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机偏航角α及航迹角β，无人机航迹偏角δ为偏航角α及航迹角β的夹角，即δ＝α-β，稳定控制模块根据解算出的δ，产生PWM信号，驱动方位舵机在方位轴转动-δ，所述偏航角α为方位角，航迹角β为飞行方向；

稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机横滚偏移量θ，产生PWM信号，驱动方位舵机在横滚轴转动-θ，所述横滚偏移量θ为横滚角。

所述成像系统5个谱段之间相互独立，即每个谱段具有独立的成像单元。

所述稳定控制模块采用舵机作为驱动元件，分别通过方位舵机和横滚舵机带动方位轴及横滚轴进行两轴方向的转动。

所述曝光策略，具体为：

根据公式DN＝(L*t_int*G/F²)*C设定t_int，使得DN达到预设值，式中，DN为拍摄图像的灰度，L为辐亮度计测量得到的当前辐亮度，F为光圈，且F为定值，t_int为积分时间，G为增益，且G设定为相机允许的最小增益值；C为经验值，C的取值范围为：0.1～0.9；

当t_int＝t_max，若DN仍不能达到预设值，则增大G，满足曝光量要求，其中，t_max为不引起像移时各谱段允许最大的积分时间，t_max＝(p/n)*(1/f)*(H/V)，其中p为像元尺寸，n为对像移的约束条件，且n为常数，f为焦距，V为无人机速度，H为高度。

存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息打包，具体为：

存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息按照表1中所示的帧结构进行打包，表1中的N为一帧图像数据量；

表1

字节序号	名称
		1	帧同步信号
2	帧起始信号
		3	图像像素宽度
4	图像像素高度

5	像素量化深度
		6–N+6	图像数据
N+7	谱段索引号
		N+8	拍摄时间
N+9	欧拉角_横滚
		N+10	欧拉角_偏航
N+11	欧拉角_俯仰
		N+12	GPS位置_纬
N+13	GPS位置_经
		N+14	GPS位置_高
N+15	GPS_方向
		N+16	校验
N+17	帧结束信号

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明各谱段采用独立的光学系统，滤光片置于镜头前端，解决了色漂问题；

(2)本发明滤光片通过螺纹压圈压紧于镜头前端滤光镜安装处，实现了滤光片快速方便更换，以适应不同应用需求，扩大应用范围；

(3)本发明中的管理控制器对5个谱段同时曝光成像，使目标在不同谱段下同一时刻成像，便于配准融合，适用于动态目标的监测；

(4)本发明中的大容量存储模块利用柔性PCB连接件代替传统的CameraLink标准线缆，实现图像传输的同时增强了系统的抗干扰能力，大大减小了系统的重量及体积；

(5)本发明中的大容量存储模块采用CF卡存储介质实现大容量数据存储，代替了传统的固态硬盘，大大减小了重量及体积，可快速插拔读取数据，实用性强；

(6)本发明稳定控制模块采用舵机代替电机带动轴系进行姿态调整，舵机集成度高，包括电机、减速器、驱动器，大大减轻了重量及体积；

(7)本发明中的稳定控制模块利用飞行辅助信息，驱动两轴舵机对多光谱成像设备进行侧滚方向及偏航方向的姿态校正，解决了飞机振动扰动对图像拖尾模糊的问题，消除了飞机受风力等因素侧飞时对拍摄航迹的影响，使拍摄区域中轴线始终平行于航迹；

(8)本发明中的辅助数据接收模块采用微型惯性组合导航系统，为稳定控制提供飞行辅助数据来源，数据包括无人机地理坐标信息及三轴姿态等飞行辅助信息，数据齐全，大大减轻了重量及体积；

(9)本发明利用预先设定的曝光策略来控制成像单元进行曝光，避免了曝光过度和曝光不足的问题，提高了成像质量。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明管理控制模块及稳定控制模块组成框图；

图3为本发明存储控制模块组成框图；

图4为本发明系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

图1所示为本发明系统框图，由图1可知，本发明提出的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，包括管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、电源模块、数传设备、取景器和成像单元；

电源模块给成像系统的其他模块供电；

管理控制模块通过数传设备接收地面测控站的指令信息，设置取景器的工作模式和工作起停时间，并通过数传设备将取景器获取的目标区域的视频信息传输给地面测控站；管理控制模块按照预先设定的曝光策略对成像单元进行曝光，产生存储同步触发信号，并将从稳定控制模块同步接收的飞行辅助信息传输给存储控制模块；

所述曝光策略具体为：

利用曝光策略进行曝光，避免了曝光过度和曝光不足的问题，提高了成像质量。

管理控制模块对5个谱段同时曝光成像，使目标在不同谱段下同一时刻成像，便于配准融合，适用于动态目标的监测。

辅助数据接收模块通过微型惯性组合导航系统获取无人机的飞行辅助信息并将飞行辅助信息传输给稳定控制模块，稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正；所述飞行辅助信息包括无人机的经度、纬度、高度、方位角、横滚角、俯仰角、飞行速度和飞行方向；

成像单元采用多镜头多探测器分光方式进行曝光，滤光片通过螺纹压圈压紧于镜头前端滤光镜安装处，成像单元具有5个谱段，各个谱段之间相互独立，每个谱段具有独立的光学系统。谱段预先进行配置，标准配置为红、绿、蓝、近红外和全色；成像单元将曝光后的图像数据传输给存储控制模块；滤光片通过螺纹压圈压紧于镜头前端滤光镜安装处，实现了滤光片快速方便更换，以适应不同应用需求，扩大应用范围；滤光片置于镜头前端，避免因更换滤光片引起的光路焦距变化问题，即解决了色漂问题；

存储控制模块通过柔性PCB板接收成像单元传输的CameraLink协议图像数据，并接收管理控制模块发送的存储同步触发信号，接收到的图像数据通过存储控制模块中的FPGA整理时序后进入缓存电路SDRAM；存储控制模块同时接收管理控制模块传输的飞行辅助信息，当一帧图像数据接收完成时，存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息打包，存入CF卡介质中。存储控制模块可读出CF卡介质扇区总数和剩余扇区数，CF卡介质具有可插拔快速读取数据的功能；CF卡介质的寻址速度为110MB/s，寻址能力为128G。

存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息按照表1中所示的帧结构进行打包。N为一帧图像数据量。

表1

字节序号	名称
		1	帧同步信号
2	帧起始信号
		3	图像像素宽度
4	图像像素高度
		5	像素量化深度
6–N+6	图像数据
		N+7	谱段索引号
N+8	拍摄时间
		N+9	欧拉角_横滚
N+10	欧拉角_偏航
		N+11	欧拉角_俯仰
N+12	GPS位置_纬
		N+13	GPS位置_经

N+14	GPS位置_高
		N+15	GPS_方向
N+16	校验
		N+17	帧结束信号

稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，所述根据接收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正，具体为：稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机偏航角α及航迹角β，无人机航迹偏角δ为偏航角α及航迹角β的夹角，即δ＝α-β，稳定控制模块根据解算出的δ，产生PWM信号，驱动方位舵机在方位轴转动-δ。所述偏航角α为方位角，所述航迹角β为飞行方向。稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机横滚偏移量θ，产生PWM信号，驱动方位舵机在横滚轴转动-θ，所述横滚偏移量为横滚角。稳定控制模块采用舵机作为驱动元件，分别通过方位舵机和横滚舵机带动方位轴及横滚轴进行两轴方向的转动。

为减小空间，在电路设计时采用紧凑设计，将管理控制电路和稳定平台控制电路设计在同一个电路中。图2为本发明管理控制模块及稳定控制模块组成框图，由图2可知，本发明中的管理控制电路及平台控制电路工作过程如下：

1)接收地面操控台的控制指令，完成相应的操作，包括：

通过I/O口与二次电源通信，实现对CMOS后背、大容量存储电路的加断电控制；

实现成像模式的切换；

实现多光谱相机积分时间、增益、成像谱段的设置；

实现多光谱相机成像开始、结束的控制；

2)根据控制指令，选择平台控制电路的工作模式；

3)根据惯导数据，生成相应的PWM信号，用来控制舵机；

4)接收地面操控台的控制指令，反馈电子学各分系统的状态，包括：横滚舵机工作状态；方位舵机工作状态；CMOS后背工作状态；大容量存储工作状态；CF卡剩余空间；

5)实时接收惯导的飞行辅助数据，并同步转送给DSP和大容量存储电路。

管理控制电路及平台控制电路的设计思路是：由于管理控制电路的大部分功能是接收遥测命令并解析、执行相应操作。这个过程中，通信口多，且时序逻辑要求严格。因此，设计方案采用FPGA作为管理控制的核心芯片。平台控制电路的功能是根据当前测量到的姿态信息，根据控制算法解算并生成控制舵机所需要的PWM信号。由于其中会涉及到乘除运算，因此，核心芯片采用更为擅长运算、控制的DSP芯片。

DSP通过数据总线读取FPGA提供的并行指令和转发的惯导测量得到的飞行辅助数据，经过指令解析和数据解算之后，计算该控制周期内应发送的位置指令，并产生相应的PWM信号输出至舵机，从而带动稳定平台机构执行相应操作。

通信接口电路分为三部分：RS-232接口电路、RS-485接口电路和RS-644接口电路。其中，由于惯导的通信接口为RS-232，所以，设计了一路RS-232与之匹配。为与无线链路通信，设计了一路RS-485与之匹配。探测器采用了CameraLink接口，因此，与之通信时还需满足ChannelLink协议。为了减少设计复杂度，与探测器、大容量存储电路之间的通信均采用RS-644。

图3为本发明存储控制模块组成框图，由图3可知，本发明中的存储控制模块实现过程如下：

1)接收图像数据及相对应的飞行辅助数据；

2)将图像数据和相对应的飞行辅助数据打包；

3)支持热插拔；

4)接收遥控指令，执行相应操作，包括：反馈当前CF卡剩余容量；进行自检，反馈存储电路的工作状态。

根据功能要求，存储控制模块需要通信电路模块、存储电路模块和核心控制器模块。由于探测器的图像数据是按照CameraLink协议输出的，因为传输速度快，而且数据量大，所以，设计存储控制模块时必须考虑到存储速度和存储空间。目前的存储介质中，存储空间大、存储速度高、体积小且重量轻的存储介质只有CF卡。CF最大存储空间为128GB，最大存储速度90MB/s，平均存储速度能达到70MB/s。

综上所述，存储控制模块的存储介质选用CF卡，为了保证实时性、准确性，在存储前加入了高速缓存电路。当CameraLink接口接收到图像数据开始，图像数据通过FPGA整理时序后进入缓存电路；同时，通过通信接口电路接收惯导发送的飞行辅助数据，当一帧图像数据接收完成时，FPGA将缓存电路中的图像数据读出并与飞行辅助数据打包，然后存入CF卡。

由于图像数据采用CameraLink协议传输，在BASE模式下，数据的瞬间吞吐量能够达到285MB/s。一般存储介质的数据存储速度难以满足。为了解决瞬间数据吞吐量大的问题，在接口电路和FPGA之间引入了SDRAM缓存电路。当接收到管理控制模块发送的同步触发信号时，从CameraLink接口接收图像数据，图像数据通过FPGA整理时序后进入缓存电路SDRAM；同时，通过通信接口电路接收经管理控制模块传输的飞行辅助数据，当一帧图像数据接收完成时，FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助数据打包，然后存入CF卡介质中。

图4为本发明系统工作流程图，由图4可知，本系统的工作流程具体为：

1)管理控制模块控制各组件依次加电；执行自检进程；对成像电路进行初始化设置；

2)管理控制模块控制辅助数据接收模块中微型惯性组合导航校准；

3)根据任务特点(飞行速高比、太阳高度角、天气条件等)，管理控制模块对系统进行航拍参数设定工作。包括光圈、各谱段适用增益、积分时间及最大积分时间设定；拍摄角度预置等；

4)系统进入拍摄状态，管理控制模块控制取景器及成像电路按照曝光策略开始工作；

5)存储控制模块接收到曝光信号，从缓存电路SDRAM提出当前图像数据及飞行辅助，并进行打包及存储；

6)管理控制模块进行周期自检，通过无线数传链路，将状态(故障检测结果、设备姿态)反馈至地面工作站；

7)取景器通过无线图传链路，将拍摄区域视频图像实时下传至地面工作站；

8)为避免像移，稳定控制模块在不进行曝光的闲暇时段进行工作，根据飞机姿态，进行相机姿态调整，使拍摄区域中心连线始终平行于航线。并使相机始终保持初始设置角度进行下视或斜视成像；

9)管理控制模块定时对系统进行巡检，进行故障诊断定位，通过无线数传链路将诊断报告下传至地面工作站。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims

1.一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在于包括：管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、电源模块、数传设备、取景器和成像单元；

2.根据权利要求1所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在于：所述稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正，具体为：

3.根据权利要求1所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在于：所述成像系统5个谱段之间相互独立，即每个谱段具有独立的成像单元。

4.根据权利要求1中所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在于：所述稳定控制模块采用舵机作为驱动元件，分别通过方位舵机和横滚舵机带动方位轴及横滚轴进行两轴方向的转动。

5.根据权利要求1中所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在于：所述曝光策略，具体为：

6.根据权利要求1中所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在于：存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息打包，具体为：

表1

字节序号名称 1 帧同步信号 2 帧起始信号 3 图像像素宽度 4 图像像素高度 5 像素量化深度 6–N+6 图像数据 N+7 谱段索引号 N+8 拍摄时间 N+9 欧拉角_横滚 N+10 欧拉角_偏航 N+11 欧拉角_俯仰 N+12 GPS位置_纬 N+13 GPS位置_经 N+14 GPS位置_高 N+15 GPS_方向 N+16 校验 N+17 帧结束信号

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