CN107861436A - 一种多旋翼无人机高空环境侦测系统 - Google Patents

一种多旋翼无人机高空环境侦测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多旋翼无人机高空环境侦测系统，包括控制核心、GPS模块、脉宽检测接口、环境信息监测模块、云端控制中心、摄像机和字符叠加模块，其对现有的高空环境监测系统提供了其他功能的扩展性，提供一种能够进行高空环境侦测的功能可扩展的飞行器侦测系统，以方便对大面积地区的环境监测，适应目前的环境整治工作。

Description

一种多旋翼无人机高空环境侦测系统
技术领域
本发明涉及环境侦测领域，特别涉及一种多旋翼无人机高空环境侦测系统。
背景技术
随着环境问题越来越得到人们的重视，对于大面积地区的环境检测显得越来越必不可少。而有许多地方地势险峻，或者交通拥堵，不利于地面设备直接检测，无人机技术和定位技术的发展有效解决了这一问题.
CN106643916A公开了一种无人机环境监测模块和监测方法，包括安装在无人机上的飞行控制模块，导航模块，数据采集模块，环境监测模块，光学相机和无线传输模块，该监测模块实现了对环保监测区域的快速全面监测，提高了监测的效率，但该无人机环境监测模块仅能实现环境的监测，缺乏可扩展的功能，同时图像的实时处理功能较弱，不能解决目前对环境监测要求更为精确的需求，以及其他功能的扩展性较弱。
CN206540575U公开了一种环境信息监测系统。该系统包括中央处理器和环境信息采集装置，环境信息采集装置与中央处理器信号连接，环境信息采集装置包括第一采集装置和第二采集装置，第一采集装置设置在固定设备上，用于采集固定设备所处区域的环境信息，第二采集装置设置在移动设备上，用于跟随移动设备移动并采集移动设备所处区域的环境信息，本专利可以扩大环境的观测范围，提高获取环境信息的效率。
无人机不受地势的限制，且巡航速度较快，巡航周期较长，且成本较低，配合高精度定位的GPS模块，能实现每隔一段距离进行一次拍摄，并将所有拍摄画面合成为一张完整的全景图的功能。同时，每一张照片也会叠加上该照片的经纬度并保存，便于进行细致的观察，并对该地区进行进一步的环境整治工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多旋翼无人机高空环境侦测系统，，能够进行高空环境侦测的功能可扩展的飞行器侦测系统，以方便对大面积和地势险峻等地区的环境监测，适应目前的环境整治工作。
本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种多旋翼无人机高空环境侦测系统，包括：控制核心、GPS模块、脉宽检测接口、环境信息监测模块、云端控制中心、摄像机和字符叠加模块，所述控制核心和脉宽检测接口集成于核心板，用于检测脉冲宽度和频率，给出拍摄的起始信号；所述GPS模块通过连接线与核心板连接，固定于飞行器支架上，用于返回飞行高度和经纬度信息，作为航拍间隔的依据；所述摄像机安装于飞行器底部，所述字符叠加模块安装在所述核心板上，用于实现GPS经纬度数据与摄像机拍摄图像叠加；环境信息监测模块搭载于多旋翼无人飞行器上，该系统包括PM2.5采集模块和气体检测模块，所述气体检测模块包括二氧化硫传感器和硫化氢传感器；所述云端控制中心为无人机的远程控制平台，所述GPS模块、所述摄像头图像采集、所述无人机的飞行以及环境信息的采集，可通过所述核心板控制；所述核心板包括环境数据采集分析模块，对所述的环境信息监测模块采集的数据进行收集和分析，并传送给云端控制中心，并接受所述云端控制中心的控制，所述云端控制中心会对实时传输的数据和图像进行处理并图形化展示，其包括在线实时展示所侦测区域的PM2.5浓度、二氧化硫和硫化氢浓度数据的在线实时数据展示模块、在线实时视频预览模块、航拍网格设置模块、航拍参数设计模块、飞机航行轨迹模块以及航拍图片预览模块，其中所述在线实时视频预览模块可以实现在线实时预览视频，连接摄像头、断开摄像头和启动/停止监控航拍点；所述航拍网格设置模块用于设置航拍网格的格子；所述航拍参数设计模块用于在飞机起飞前，通过此串口模块配置飞机拍照距离，包含横向拍照距离、横向拍照点数、纵向拍照距离和横向拍照点数；所述飞机航行轨迹模块用于标定飞机航拍时所在地图的位置；所述航拍图片预览模块将飞机定点拍照的图片在网格中进行展示。
其中，所述核心板包括STM32系列芯片，用于连接核心板上的其他模块，作为核心的数据收发控制中心。
其中，所述核心板还包括供电及下载电路以及外部flash模块。
其中，所述供电及下载电路以CH340芯片为核心，为整个芯片提供5v和3.3v的稳压电源。
其中，所述摄像头，可采集实时图像，通过所述核心板控制广播发送，在云端控制中心远程实时查看。
其中，所述脉宽检测接口，通过TLP521芯片能检测脉冲宽度、频率，并返回相关数据给出拍摄的起始信号。
其中，所述GPS通信模块通过800系列GPS芯片能实时提取到当前的经纬度数值并返回给所述STM32系列芯片，再经由STM32系列芯片发送至所述字符叠加模块。
其中，所述的无人机具有足够安装全套装置的负载能力，其自身可通过九轴传感器、光流传感器、GPS传感器、超声波传感器、气压计，和电子调速器、电机相配合，能够实现定点定高悬停以及各种飞行动作，同时提供接口允许外界设备控制。
本发明的有益效果在于：对现有的高空环境监测系统提供了其他功能的扩展性，提供一种能够进行高空环境侦测的功能可扩展的飞行器侦测系统，以方便对大面积地区的环境监测，适应目前的环境整治工作。
附图说明
图1是本发明多旋翼无人机高空环境侦测系统的功能框图。
图2是本发明多旋翼无人机高空环境侦测系统的原理框图。
图3是本发明多旋翼无人机高空环境侦测系统的结构示意图。
图4是本发明多旋翼无人机高空环境侦测系统的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明多旋翼无人机高空环境侦测系统附加在可扩展无人机上，包括以下部件：GPS模块1、控制核心、字符叠加模块2、摄像机3、脉宽检测接口、环境信息监测模块以及云端控制中心，如图2和3所示。其中多旋翼无人机具有足够安装全套装置的负载能力，其自身通过九轴传感器、光流传感器、GPS传感器、超声波传感器、气压计等各类传感器，和电子调速器、电机相配合，能够实现定点定高悬停以及各种飞行动作，同时提供接口允许外界设备控制。所述的环境信息监测模块搭载于多旋翼无人飞行器上，该系统包括PM2.5采集模块和气体检测模块，所述PM2.5采集模块型号为DSM501A，所述气体检测模块包括二氧化硫传感器和硫化氢传感器。
本发明的控制核心集成于核心板，核心板安装于无人机上，核心板选择低功耗单片机，作为侦测系统的控制中心，对无人机的飞行、摄像机拍摄以及环境信息监测模块进行控制，对GPS模块采集数据进行分析和处理，与云端控制中心进行连接和数据通信，具有环境数据采集分析模块，对所述的环境信息监测模块采集的数据进行收集和分析，并传送给云端控制中心。具体包括：ST高性能32位微处理器MPU(STM32系列芯片)，其连接PCB板上的其他模块，作为核心的数据收发控制中心；供电及下载电路，以CH340芯片为核心，为整个芯片提供5v和3.3v的稳压电源；脉宽检测接口，通过TLP521芯片能检测脉冲宽度、频率，并返回相关数据给出拍摄的起始信号；字符叠加模块，将采集到的经纬度信息通过该模块叠加到拍摄到的图像上，并返回至云端；GPS通信模块，其通过800系列GPS芯片能实时提取到当前的经纬度数值并返回给单片机，再经由单片机发送至字符叠加模块；环境数据采集分析模块，对所述的环境信息监测模块采集的数据进行收集和分析，并传送给云端控制中心；外部flash模块，以W25X16为核心提供外部flash，可用sd卡来代替外部flash；串口输出3.3v转5v模块，可选择SN74HC245DW芯片为核心。控制核心选择为集成低功耗单片机的核心板，通过串口实现对无人机的飞行控制和外围设备的管理。
更详细的，本发明的控制核心采用ST高性能32位微处理器MPU，如STM32系列芯片，并挂载UBLOX消费级高精度GPS模块。ST高性能32位微处理器MPU可实现与PC计算机的USB通信，与字符叠加模块和GPS模块的串口通信，同时检测来自飞机控制侧的脉宽信号。微处理器在飞机起飞前可以由PC计算机通过USB对其进行基本配置。微处理器可以检测来自飞机侧的脉宽信号，当信号达到一定要求时启动拍摄功能，能够主动接收来自GPS模块的数据报，对其中的数据进行解包，存储，并完成实时处理，记录飞机的速度与飞行距离。在当达到设定距离时飞机控制，向相机控制器发送相应控制信号，相机完成拍照，将拍摄位置的实时GPS坐标信息反馈到字符叠加模块，将拍摄点的坐标信息记录到SD卡等存储媒质中。
控制核心采用的微处理器与GPS模块通过串口USART进行通信。GPS模块以可以设定的通信速率不间断向处理器发送数据报，UBLOX-NEO系列GPS芯片使用标准的NEMA数据协议进行通信，通信速度是用户可配置的，一般配置为10HZ。飞行器通过一个能够产生PWM波形的口线对模块进行控制。微处理器需要对来自口线的信号占空比进行检测来实现程序逻辑的启动和停止。
系统通过SD卡存储每次拍摄时的GPS数据。读写SD只需要4个IO口即可外扩一个最大达32GB以上的外部存储器，容量从几十M到几十到几十G选择尺度很大，更换也非常方便。
该系统PCB板自带了标准的SD卡接口，可使用STM32自带SPI接口驱动，最高通信速度可达18Mbps，每秒可传输数据2M字节以上，足够实时向存储器中写入坐标信息。每发送一个命令，SD卡都会给出一个应答，以告知主机该命令的执行情况，或告知主机需要获取的数据。
云端控制中心通过无线通信与控制核心相连，通过控制核心，制定环境侦测计划，控制无人机的飞行和完成特定地区的环境信息的自动侦测，同时接受控制核心返回的气象照片、PM2.5浓度、二氧化硫和硫化氢浓度数据等，并通过数据和图像处理实现展示环境信息的预览图等功能。本发明云端控制中心包括以下模块：
在线实时数据展示模块：包括可以展示所侦测区域的PM2.5浓度、二氧化硫和硫化氢浓度数据的图形化展示；
在线实时视频预览模块：在线实时预览视频，连接摄像头、断开摄像头和启动/停止监控航拍点；
航拍网格设置模块：用于设置航拍网格的格子数，如右边目前设置的是4*5的网格；
航拍参数设计模块：在飞机起飞前，通过此串口模块配置飞机拍照距离，包含横向拍照距离、横向拍照点数、纵向拍照距离、横向拍照点数等。此模块打通了串口通信，对于各种参数的计算需要根据飞机的实际情况进行计算；
飞机航行轨迹模块：标定飞机航拍时所在地图的位置，便于寻找飞机，不至于飞跑了；
航拍图片预览模块：将飞机定点拍照的图片在网格中进行展示，以便能看到整体效果图，拍照的各个点都将存储在temp目录下，以便后面进行拼接操作。
本发明的GPS模块安装固定在无人机机架上，GPS模块通过连接线与核心板连接，能够返回飞行高度和经纬度信息，作为自动路线航拍和摄像间隔的依据，可以通过核心板控制返回云端控制中心。
本发明的脉宽检测接口集成于核心板，用于检测脉冲宽度、频率，给出拍摄的起始信号。
本摄像机安装在无人机底部的支架上，通过连接线与核心板相连，能够接收接收核心板信号拍摄照片，通过核心板控制广播发送至云端控制中心。如图4所示无人机的底部结构，摄像机固定于底部支架上。
字符叠加模块安装在核心板之上，通过串口与核心板连接，可以实现经纬度数据和航拍图片的叠加，通过核心板控制返回处理后的图片至云端控制中心。
本发明在使用时，无人机启动后与云端控制中心建立定向连接，云端控制中心可以设定无人机航拍的区域，实时对无人机的飞行进行控制，无人机即可实现前往目标自动规划路线进行拍摄。
云端控制中心可以接受无人机传回的叠加经纬度信息的航拍照片，并可对航拍照片图像处理，实现图片的拼接。
因此，本发明的无人机航拍图像处理装置继承可拓展的思想，可以便捷且经济的安装在需要添加航拍功能的飞行器上，同时提供自动路线和图像处理的专业功能，不仅解决无人机航拍的高硬件成本问题，更能高效完成图像拼接等功能。在对固定区域的航拍应用中，能够高效、便捷的实现既定需求的拍摄任务，节省了大量人力和经济成本。

Claims (8)

1.一种多旋翼无人机高空环境侦测系统，其特征在于，包括：控制核心、GPS模块、脉宽检测接口、环境信息监测模块、云端控制中心、摄像机和字符叠加模块，所述控制核心和脉宽检测接口集成于核心板，用于检测脉冲宽度和频率，给出拍摄的起始信号；所述GPS模块通过连接线与核心板连接，固定于飞行器支架上，用于返回飞行高度和经纬度信息，作为航拍间隔的依据；所述摄像机安装于飞行器底部，所述字符叠加模块安装在所述核心板上，用于实现GPS经纬度数据与摄像机拍摄图像叠加；所述环境信息监测模块搭载于该多旋翼无人飞行器上，该模块包括PM2.5采集模块和气体检测模块，所述气体检测模块包括二氧化硫传感器和硫化氢传感器；
所述云端控制中心为无人机的远程控制平台，所述GPS模块、所述摄像头图像采集、所述无人机的飞行以及环境信息的采集，可通过所述核心板控制；所述核心板包括环境数据采集分析模块，对所述的环境信息监测模块采集的数据进行收集和分析，并传送给云端控制中心，并接受所述云端控制中心的控制，所述云端控制中心会对实时传输的数据和图像进行处理并图形化展示，其包括在线实时展示所侦测区域的PM2.5浓度、二氧化硫和硫化氢浓度数据的在线实时数据展示模块、在线实时视频预览模块、航拍网格设置模块、航拍参数设计模块、飞机航行轨迹模块以及航拍图片预览模块，其中所述在线实时视频预览模块可以实现在线实时预览视频，连接摄像头、断开摄像头和启动/停止监控航拍点；所述航拍网格设置模块用于设置航拍网格的格子；所述航拍参数设计模块用于在飞机起飞前，通过此串口模块配置飞机拍照距离，包含横向拍照距离、横向拍照点数、纵向拍照距离和横向拍照点数；所述飞机航行轨迹模块用于标定飞机航拍时所在地图的位置；所述航拍图片预览模块将飞机定点拍照的图片在网格中进行展示。
2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机高空环境侦测系统，其中所述核心板包括STM32系列芯片，用于连接核心板上的其他模块，作为核心的数据收发控制中心。
3.根据权利要求1或2所述的多旋翼无人机高空环境侦测系统，其中所述核心板还包括供电及下载电路以及外部flash模块。
4.根据权利要求1或3所述的多旋翼无人机高空环境侦测系统，其中，所述供电及下载电路以CH340芯片为核心，为整个芯片提供5v和3.3v的稳压电源。
5.根据权利要求4所述的多旋翼无人机高空环境侦测系统，所述摄像头，可采集实时图像，通过所述核心板控制广播发送，在云端控制中心远程实时查看。
6.根据权利要求5所述的多旋翼无人机高空环境侦测系统，所述脉宽检测接口，通过TLP521芯片能检测脉冲宽度、频率，并返回相关数据给出拍摄的起始信号。
7.根据权利要求6所述的多旋翼无人机高空环境侦测系统，其中所述GPS模块通过800系列GPS芯片能实时提取到当前的经纬度数值并返回给所述STM32系列芯片，再经由STM32系列芯片发送至所述字符叠加模块。
8.根据权利要求7所述的多旋翼无人机高空环境侦测系统，所述的无人机具有足够安装全套装置的负载能力，其自身可通过九轴传感器、光流传感器、GPS传感器、超声波传感器、气压计，和电子调速器、电机相配合，能够实现定点定高悬停以及各种飞行动作，同时提供接口允许外界设备控制。
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