CN107861520A - 一种多旋翼无人机多设备多传感器集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多旋翼无人机多设备多传感器集成系统，包括以下部件：控制核心模块，GPS模块、字符叠加模块、摄像机、三维激光扫描仪，环境监测模块、脉宽检测接口、外部Flash模块、串口输出3.3v转5v模块以及云端控制中心,本发明能够集成多种传感器和设备，应用于地理测绘，环境监测等多种场合，并能够实现在线实时展示和功能的扩展。

Description

一种多旋翼无人机多设备多传感器集成系统

技术领域

本发明涉及一种集成系统，特别涉及一种多旋翼无人机多设备多传感器集成系统。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。与有人驾驶飞机相比，无人机往往更适合那些太“愚钝，肮脏或危险”的任务。无人机按应用领域，可分为军用与民用。军用方面，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。

但现有的无人机应用比较单一，缺少综合运用和可扩展的功能，导致应用场景有限，无人机的使用效率不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以提供多设备多传感器的集成系无人机系统，可以适用于多种应用场合。

本发明通过以下技术方案实现上述功能。

一种多旋翼无人机多设备多传感器集成系统，包括以下部件：控制核心模块，GPS模块、字符叠加模块、摄像机、三维激光扫描仪，环境监测模块、脉宽检测接口、外部Flash模块、串口输出3.3v转5v模块以及云端控制中心，所述环境监测模块，包括基于二维面状航拍作业模式的热红外成像仪和微波辐射仪以及基于泵吸式点状采样监测模式的机载气体监测设备。

所述三维激光扫描仪设置在无人机主体上，通过数据线与控制核心模块连接，控制核心模块内设有读取三维激光扫描仪图像信息的解码、存储装置；所述摄像机安装在无人机的云台上，云台可绕第一转轴相对于无人机本体360°旋转；

所述控制核心模块集成于核心板，核心板安装于无人机上，核心板选择低功耗微处理器，作为集成系统的控制中心，对无人机的飞行、三维激光扫描仪扫描、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。

所述控制核心模块包括：STM32系列微处理器，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。

所述脉宽检测模块通过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；

所述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和扫描到到的图像上，并返回至云端，该模块能在图像上叠加字符，生成一张全新的图片，帮助用户更好的识别图像信息；

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微处理器，再经由微处理器发送至字符叠加模块；

所述外部flash模块以W25X16为核心提供外部flash；

所述串口输出3.3v转5v模块以SN74HC245DW芯片为核心；

所述云端控制中心通过无线通信与控制核心模块相连，通过控制模块，制定地理测绘、环境监测计划，控制无人机的飞行和完成特定地区的地理信息的测绘以及环境信息的监测，同时接受控制模块返回的照片和扫描三维图像，并通过数据和图像处理实现展示地理测绘和环境数据预览图等功能。

其中云端控制中心包括以下模块：

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；

网格设置模块：通过航拍网格设置模块设置无人机每次需要拍摄的网格数，即需要拼接的图像张数，便可以控制拍摄图像的张数，当张数越多，即拼接后的图像便越大，视角也越广，在每次拍摄完设置后的网格数量所对应的图片后，便会开始对存储的图像进行拼接，拼接完成后，会对生成的广角大视野图像进行拼接输出存储在本地硬盘上；

参数设计模块：在无人机起飞前，通过此串口模块配置无人机拍照距离，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无人机的实际情况进行计算；

航行轨迹模块：通过无人机航行轨迹模块，直接加载地图，将飞行的轨迹路径，在地图上标定出来，使用户可以对待测绘和监测区域以及无人机测绘轨迹清晰明了的查看；

离线数据管理模块，离线数据管理模块可以在离线状态下导入拍摄的高清图像，可以对离线后的图像进行预览查看，同时具有标定高清图像在地图上的位置显示功能，当进行第一步的操作后，可以将改点坐标的图像同步至地图中，可以点击该坐标点进行离线图像查看，极大方便用户操作；

图像预览模块：将无人机定点测绘和环境监测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。

其中，所述摄像机为佳能EOS5D Mark II像机。

其中控制模块采用STM32系列芯片，并挂载UBLOX消费级高精度GPS模块。

本发明的技术效果在于：能够集成多种传感器和设备，应用于地理测绘，环境监测等多种场合，并能够实现在线实时展示和功能的扩展。

附图说明

图1是本发明飞行器航拍图像综合处理装置的系统框图。

图2是本发明的供电及下载电路图。

图3是本发明脉宽检测模块的电路图。

图4是本发明的GPS通信模块电路图。

图5是本发明外部FLASH的电路图。

图6是本发明字符叠加模块的效果图。

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。

如图1所示，本发明多旋翼无人机多设备多传感器集成系统包括以下部件：控制核心模块，GPS模块1、字符叠加模块2、摄像机3、三维激光扫描仪，环境监测模块、脉宽检测接口、外部Flash模块以及云端控制中心。其中无人机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。本发明的环境监测模块，包括基于二维面状航拍作业模式的热红外成像仪和微波辐射仪以及基于泵吸式点状采样监测模式的机载气体监测设备，例如粒子探测仪和电化学类气体监测设备。本发明的三维激光扫描仪设置在无人机主体上，其可以大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型，通过数据线与控制核心模块连接，控制核心模块内设有读取三维激光扫描仪图像信息的解码、存储装置；所述摄像机安装在无人机的云台上，云台可绕第一转轴相对于无人机本体360°旋转，由此可实现全方位的拍摄。根据上述的地理测绘模块，通过摄像机的定点拍摄和激光扫描，可以得到信息量巨大的测绘信息，有效避免地形和地理环境的制约。

本发明的控制核心模块集成于核心板，核心板安装于无人机上，核心板选择低功耗微处理器，作为集成系统的控制中心，对无人机的飞行、三维激光扫描仪扫描、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。同时，控制核心模块读取三维激光扫描仪图像信息，并传送给云端控制中心。

具体的，本发明的控制核心模块包括：STM32系列微处理器，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。脉宽检测模块：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，该模块能在图像上叠加字符，生成一张全新的图片。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微处理器，再经由微处理器发送至字符叠加模块。外部flash模块：以W25X16为核心提供外部flash。本产品中用sd卡来代替外部flash。串口输出3.3v转5v模块：以SN74HC245DW芯片为核心。

本发明STM32系列微处理器选用STM32F103微处理器，实现与PC端，GPS模块，无人机，SD卡，三维激光扫描仪，环境监测模块、字符叠加模块和摄像机的通信，数据收集和处理。具体的，微处理器通过USB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，检测来自无人机控制侧的脉宽信号。微处理器在无人机起飞前可以由PC计算机通过USB对其进行基本配置，微处理器检测来自无人机侧的脉宽信号，当信号达到一定要求时启动拍摄功能。微处理器主动接收来自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，记录无人机的速度与飞行距离，当达到设定距离时无人机控制，向相机和扫描仪控制器发送相应控制信号，相机完成拍照，扫描仪完成三维扫描，将拍摄和扫描位置的实时GPS坐标信息反馈到字符叠加模块，将拍摄和扫描点的坐标信息记录到SD卡等存储媒质中。

其中，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。微处理器接受数据的原理为，每当GPS发送一帧数据后进行判断，从数据流中提取出$GNRMS，$GNVTG两帧数据，从中读出对地速度(GNVTG.7)，单位为km/h.使用串口中断函数进行预处理，将速度数据传递给主函数，并快速释放串口。按这种方式接收数据能保证GPS的数据流被不间断采集得到，以保证无人机速度信息采集的实时性。

以下以典型的两帧GPS数据帧为例：未收到信号时的数据流：

$GNRMC,070626.00,V,,,,,,,250916,,,N*6F

$GNVTG,,,,,,,,,N*2E

$GNGGA,070626.00,,,,,0,00,99.99,,,,,,*7D

$GNGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,99.99,99.99,99.99*2E

$GNGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,99.99,99.99,99.99*2E

$GPGSV,5,1,18,02,69,023,07,05,60,297,,06,43,092,,07,10,080,*74

$GPGSV,5,2,18,09,13,040,08,12,13,246,,13,33,187,,15,07,209,08*7D

$GPGSV,5,3,18,17,04,155,,19,24,159,,20,13,260,,25,08,281,*76

$GPGSV,5,4,18,29,19,319,,30,10,108,,40,11,257,,41,35,237,*73

$GPGSV,5,5,18,42,45,140,,50,45,140,*73

$GLGSV,2,1,07,67,05,038,,68,53,013,,69,57,260,,70,07,230,*6C

$GLGSV,2,2,07,82,25,145,,83,80,110,,84,38,333,*58

$GNGLL,,,,,070626.00,V,N*51

收到信号时的数据流：

$GNRMC,092811.00,A,3119.12249,N,12123.69821,E,3.005,170.22,260916,,,A*78//N,E后为经纬度信息

$GNVTG,170.22,T,,M,3.005,N,5.565,K,A*20//’5.565’为要得到的对地速度信息

$GNGGA,092811.00,3119.12249,N,12123.69821,E,1,05,4.48,-14.6,M,9.6,M,,*6C

$GNGSA,A,3,05,,,,,,,,,,,,6.15,4.48,4.21*14

$GNGSA,A,3,70,71,86,87,,,,,,,,,6.15,4.48,4.21*11

$GPGSV,2,1,08,04,,,29,05,46,060,17,13,72,027,,15,67,261,*48

$GPGSV,2,2,08,18,08,287,,20,52,323,20,21,26,316,17,30,14,046,*79

$GLGSV,3,1,11,69,00,067,,70,39,028,19,71,44,314,26,72,10,271,*62

$GLGSV,3,2,11,73,17,137,15,79,05,027,,80,27,079,,84,04,174,*60

$GLGSV,3,3,11,85,44,206,,86,49,295,18,87,06,335,22*54

$GNGLL,3119.12249,N,12123.69821,E,092811.00,A,A*75

其中，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。系统PCB板自带了标准的SD卡接口(在背面)，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，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。

所述云端控制中心通过无线通信与控制核心模块相连，通过控制模块，制定地理测绘、环境监测计划，控制无人机的飞行和完成特定地区的地理信息的测绘以及环境信息的监测，同时接受控制模块返回的照片和扫描三维图像等，并通过数据和图像处理实现展示地理测绘和环境数据预览图等功能。

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；

网格设置模块：通过航拍网格设置模块设置无人机每次需要拍摄的网格数，即需要拼接的图像张数，便可以控制拍摄图像的张数，当张数越多，即拼接后的图像便越大，视角也越广，在每次拍摄完设置后的网格数量所对应的图片后，便会开始对存储的图像进行拼接，拼接完成后，会对生成的广角大视野图像进行拼接输出存储在本地硬盘上。

参数设计模块：在无人机起飞前，通过此串口模块配置无人机拍照距离，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无人机的实际情况进行计算；

航行轨迹模块：通过无人机航行轨迹模块，直接加载地图，将飞行的轨迹路径，在地图上标定出来，使用户可以对待测绘和监测区域以及无人机测绘轨迹清晰明了的查看；

离线数据管理模块，离线数据管理模块可以在离线状态下导入拍摄的高清图像，可以对离线后的图像进行预览查看，同时具有标定高清图像在地图上的位置显示功能，当进行第一步的操作后，可以将改点坐标的图像同步至地图中，可以点击该坐标点进行离线图像查看，极大方便用户操作；

图像预览模块：将无人机定点测绘和环境监测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。

本发明的技术效果如下：操作简便，用户只需在pc端上位机编辑几个简单的参数规定其拍摄间距，以及设置显示网格，便能在界面上实时显示当前画面以及所在地理位置；实时性强，配合字符叠加模块，能在实时处理无人机底层、高清相机和各模块生成的数据，支持在现场可编程，支持现场显示全景图的同时对每张照片进行该照片拍摄地的经纬度信息的检索和查看。扩容性好飞行器留有其他扩展接口，完整引出PB0-PB5，支持任意扩展，可添加其他附加功能。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多旋翼无人机多设备多传感器集成系统，包括以下部件：控制核心模块，GPS模块、字符叠加模块、摄像机、三维激光扫描仪，环境监测模块、脉宽检测接口、外部Flash模块、串口输出3.3v转5v模块以及云端控制中心，所述环境监测模块包括基于二维面状航拍作业模式的热红外成像仪和微波辐射仪以及基于泵吸式点状采样监测模式的机载气体监测设备；

所述三维激光扫描仪设置在无人机主体上，通过数据线与控制核心模块连接，控制核心模块内设有读取三维激光扫描仪图像信息的解码、存储装置；所述摄像机安装在无人机的云台上，云台可绕第一转轴相对于无人机本体360°旋转；所述环境监测模块安装在无人机主体上；

所述控制核心模块集成于核心板，核心板安装于无人机上，核心板选择低功耗微处理器，作为集成系统的控制中心，对无人机的飞行、三维激光扫描仪扫描、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；所述控制核心模块包括：STM32系列微处理器，连接核心板上的其他模块，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；

所述脉宽检测模块通过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；

所述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，该模块能在图像上叠加字符，生成一张全新的图片；

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微处理器，再经由微处理器发送至字符叠加模块；

所述外部flash模块以W25X16为核心提供外部flash；

所述串口输出3.3v转5v模块以SN74HC245DW芯片为核心；

所述云端控制中心通过无线通信与控制核心模块相连，通过控制核心模块，制定地理测绘、环境监测计划，控制无人机的飞行和完成特定地区的地理信息的测绘以及环境信息的监测，同时接受控制模块返回的照片和扫描三维图像，并通过数据和图像处理实现展示地理测绘和环境数据预览图功能。

2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机多设备多传感器集成系统，云端控制中心包括以下模块：

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；

网格设置模块：通过网格设置模块设置无人机每次需要拍摄的网格数，即需要拼接的图像张数，便可以控制拍摄图像的张数，当张数越多，即拼接后的图像便越大，视角也越广，在每次拍摄完设置后的网格数量所对应的图片后，便会开始对存储的图像进行拼接，拼接完成后，会对生成的广角大视野图像进行拼接输出存储在本地硬盘上；

参数设计模块：在无人机起飞前，通过此串口模块配置无人机拍照距离，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无人机的实际情况进行计算；

航行轨迹模块：通过无人机航行轨迹模块，直接加载地图，将飞行的轨迹路径，在地图上标定出来，使用户可以对待测绘和监测区域以及无人机测绘轨迹清晰明了的查看；

离线数据管理模块，离线数据管理模块可以在离线状态下导入拍摄的高清图像，可以对离线后的图像进行预览查看，同时具有标定高清图像在地图上的位置显示功能，当进行第一步的操作后，可以将改点坐标的图像同步至地图中，可以点击该坐标点进行离线图像查看，极大方便用户操作；

图像预览模块：将无人机定点测绘和环境监测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。

3.根据权利要求1或2所述的多旋翼无人机多设备多传感器集成系统，其中，所述摄像机为佳能EOS5D Mark II像机。

4.根据权利要求1或2所述的多旋翼无人机多设备多传感器集成系统，其中控制模块采用STM32系列芯片，并挂载UBLOX消费级高精度GPS模块。

5.根据权利要求1或2所述的多旋翼无人机多设备多传感器集成系统，其中所述GPS模块安装固定在无人机机架上，所述GPS模块通过连接线与所述控制模块连接，能够返回飞行高度和经纬度信息，作为自动路线扫描和摄像间隔的依据，返回所述云端控制中心。