CN108833773A - 一种无人机聚焦控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机聚焦控制系统，包括拍摄模块、传输模块、监视模块、控制模块。本发明还提供一种无人机聚焦控制方法，包括：接收命令步骤；解析步骤：S1、判断是否为自动聚焦命令，是，则发出执行自动聚焦的控制命令，否，则进入S2；S2、判断是否为手动聚焦命令，是，则发出执行变焦的控制命令，否，则进入S3；判断是否为手动变倍命令，结果为是，则发出执行手动变倍的控制命令，否，则进入S4；S4、发出所有电机刹车的控制命令；执行步骤；流程结束。本方案有益效果为：将自动聚焦和手动聚焦及变倍功能进行整合，提高对焦效率，可进行不同距离的景象进行观察；成像清晰度和质量稳定，受温度影响较小；对操作人员的经验依赖度较低。

Description

一种无人机聚焦控制系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机聚焦控制系统和方法。

背景技术

无人机具有重量轻、维护成本低、无人员伤亡风险、使用方便等优势，目前应用领域日益广泛，在资源勘探、环境监测、应急救灾、公共安全、火灾监测与救援、快递投放等方面均有相关的技术与产品开发。无人机在前述领域的应用都需要使用到摄影航拍功能，目前现有技术多为固定拍摄，也即地面操作人员通过手动打开相机，视觉估算后进行手动变焦和手动变倍的操作。在快递投放、灭火物资投放等需要精准定位的场景中，这样的聚焦控制系统很难实现精准对焦，无人机在飞行过程中带来的摄像装置震动和镜头抖动也会影响成像质量，因此对操作人员的要求高，摄像效率较低，导致无人机成像清晰度和质量不稳定，从而影响物品投放的精准性。

发明内容：

本发明目的是提供了一种无人机聚焦控制系统和方法，要解决现有技术中的聚焦控制系统对焦和摄像效率低、依赖操作人员经验、导致成像清晰度和质量不稳定的技术问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种无人机聚焦控制系统，包括：

拍摄模块，接收控制模块发出的控制命令，根据命令进行聚焦调节后，对指定区域进行拍摄或摄像，将拍摄的图像或视频信号通过传输模块传输至监视模块；

传输模块，将拍摄模块产生的图像或视频信号传输至监视模块，将监视模块发出的聚焦命令传输至控制模块；

监视模块，显示拍摄模块拍摄的图像或视频信号，将操作人员发出的聚焦命令通过传输模块发送至控制模块；

控制模块，接收监视模块发出的聚焦命令，按照设定的命令解析流程对聚焦命令进行解析后，再根据命令解析结果对拍摄模块发出相应的控制命令。

优选的，拍摄模块包括设置于无人机上的相机，相机包括机身、镜头和聚焦电机；聚焦电机包括变焦电机和调焦电机；相机接收控制模块发出的控制命令后，通过聚焦电机驱动镜头运动实现变焦和调焦的调节；镜头根据操作人员发出的拍摄命令，对指定区域进行拍摄或摄像。

优选的，传输模块为无线传输模块，通过WIFI或GPRS或CDMA、GPRS、3G移动网络、4G或5G等无线传输技术进行图像或视频信号的传输。

优选的，控制模块包括图像解析模块、命令解析模块、镜头控制模块和电压模块；图像解析模块用于采集拍摄模块拍摄录制的图像视频信号，并进行解析处理提取图像清晰度值；命令解析模块用于接收监视模块发出的聚焦命令，并按照设定的命令解析流程进行解析后，生成控制命令发送至镜头控制模块；镜头控制模块通过对变焦和调焦两路电机的控制完成所接收到的控制命令；电压模块将控制模块的电源电压转化为图像解析模块可用的电压。

优选的，图像解析模块设有图像视频采集器、图像视频解码芯片、图像视频解析芯片和单片微控制器；单片微控制器通过无线传输模块接收监视模块发出的聚焦命令，命令解析模块对聚焦命令进行解析后再对镜头控制模块发出控制命令信号；镜头控制模块根据接收到的控制命令信号对聚焦电机发出相应命令，聚焦电机驱动镜头运动实现聚焦调节；电压模块对控制模块进行供电，电压模块还设有电压转换器，通过转换后的电压为解析芯片和单片微控制器进行供电。

优选的，单片微控制器包括I/O引脚、电机驱动芯片和AD转换模块；单片微控制器接收到聚焦命令并进行解析后，通过I/O引脚输出高低信号，使得电机驱动芯片驱动聚焦电机正反转，AD转换模块记录当前聚焦电机运动的位置。

优选的，通过PWM脉冲控制聚焦电机正反转的速度。

本发明还提供一种无人机聚焦控制方法，包括如下步骤：

接收命令步骤：控制模块接收到监视模块发出的聚焦命令后，进入设定的命令解析步骤；

解析步骤：S1、判断是否为自动聚焦命令，结果为是，则发出执行自动聚焦的控制命令，结果为否，则进入S2；S2、判断是否为手动聚焦命令，结果为是，则发出执行变焦的控制命令，结果为否，则进入S3；S3、判断是否为手动变倍命令，结果为是，则发出执行手动变倍的控制命令，结果为否，则进入S4；S4、发出所有电机刹车的控制命令；

执行步骤：镜头控制模块接收到解析步骤中发出的控制命令后，通过对变焦和调焦两路电机的控制执行完成相应的控制命令；

结束：当镜头控制模块执行完成控制命令后，结束聚焦控制流程。

优选的，执行步骤中，镜头控制模块根据接收到的自动聚焦控制命令或执行变焦控制命令信号时，驱动聚焦或变焦两路电机正反转，电机带动镜头运动完成自动聚焦或变焦调节；镜头控制模块接收到执行手动变倍控制命令时，将指定区域的图像区域进行变倍处理；镜头控制模块接收到所有电机刹车控制命令时，对两路电机发出运动终止信号，中断电机正反转。

优选的，执行步骤中自动聚焦控制命令的执行流程包括以下步骤：

图像解析步骤：控制模块采集图像视频信号，进行解析处理提取图像清晰度值，记录最大的图像清晰度值及对应AD值初始值；

判断与执行步骤：S1、判断聚焦远是否到位，结果为否，则驱动电机向聚焦远方向运动，结果为是，则进入S2；S2、判断聚焦近是否到位，结果为是，则驱动电机运动到图像解析步骤中记录的图像清晰度最大值所对应的AD值，结果为否，则进入S3；S3、驱动电机向聚焦近方向运动；

对比循环步骤：步骤S1电机向聚焦远方向运动之后，以及步骤S3电机向聚焦近方向运动之后，控制模块再次采集图像视频信号进行图像解析，并将再次解析值与图像解析步骤中所记录的最大图像清晰度值进行对比，判断图像清晰度值是否增大；结果为是，更新最大的图像清晰度值及对应的AD值后，再次进入判断与执行步骤；结果为否，则直接进入判断与执行步骤；

结束：当完成S2的聚电机运动到图像解析步骤中记录的图像清晰度最大值所对应的AD值之后，结束自动聚焦控制命令执行流程。

优选的，当控制模块接收到监视模块发出的手动聚焦命令后，终止退出自动聚焦控制命令的执行流程。

本发明的有益效果为：1、本聚焦控制系统和方法将自动聚焦和手动聚焦及变倍等功能进行有机整合，提高了对焦的效率，通过变倍和自动聚焦功能的结合，可进行不同距离的景象进行观察；2、自动聚焦控制流程在天气情况较好时，聚焦效果良好，成像清晰度和质量稳定，受温度影响较小；3、本聚焦控制系统对操作人员的经验依赖度较低。

附图说明

图1为本发明的无人机聚焦控制方法的步骤图；

图2为本发明的无人机自动聚焦控制命令执行流程的步骤图。

具体实施方式

现参照说明书附图来阐述本发明的选定实施例，本领域技术人员根据本公开的本发明的实施例的下属说明仅是示例性的，并不是为了限制本发明的方案。

实施例1

无人机上装载有本实施例的无人机聚焦控制系统，该系统包括：

拍摄模块，包括设置于无人机上的相机，相机包括机身、镜头和聚焦电机；聚焦电机包括变焦电机和调焦电机；相机接收控制模块发出的控制命令后，通过聚焦电机驱动镜头运动实现变焦和调焦的调节；镜头根据操作人员发出的拍摄命令，对指定区域进行拍摄或摄像。拍摄模块用于接收控制模块发出的控制命令，根据命令进行聚焦调节后，对指定区域进行拍摄或摄像，将拍摄的图像或视频信号通过传输模块传输至监视模块。

传输模块，用于将拍摄模块产生的图像或视频信号传输至监视模块，将监视模块发出的聚焦命令传输至控制模块；优选采用无线传输技术WIFI进行图像或视频信号的传输。

监视模块，是显示系统和操作系统的集合，供地面操作人员所使用，优选为显示和操作二合一的触控屏；该监视模块通过无线wifi接收相机拍摄的图像或视频信号，地面操作人员提供触控屏发出聚焦命令，再通过传输模块发送至控制模块。操作人员通过监视模块可以查看到无人机相机收集的当前图像视频信息，可通过发出针对镜头的变焦、调焦命令实现对镜头控制，从而改变图像的视角和清晰度。调焦分为自动和手动两个方式，手动聚焦功能可根据个人感观进行手动调焦；自动聚焦则是控制模块根据预设的流程分析当前的图像质量及相机镜头位置，而进行自行聚焦的调节过程。自动聚焦可以比较客观的判定图像质量，避免人的主观因素对聚焦效果产生错误的判断。

控制模块，接收地面操作人员从监视模块发出的聚焦命令，按照设定的命令解析流程对聚焦命令进行解析后，再根据命令解析结果对拍摄模块发出相应的控制命令。控制模块包括图像解析模块、命令解析模块、镜头控制模块和电压模块；图像解析模块用于采集拍摄模块拍摄录制的图像视频信号，并进行解析处理提取图像清晰度值；命令解析模块用于接收监视模块发出的聚焦命令，并按照设定的命令解析流程进行解析后，生成控制命令发送至镜头控制模块；镜头控制模块通过对变焦和调焦两路电机的控制完成所接收到的控制命令；电压模块将控制模块的电源电压转化为图像解析模块可用的电压。

本实施例中采用控制板实现控制模块的功能，控制板上设有图像解析模块、命令解析模块、镜头控制模块和电压模块。以PAL制视频为例，介绍控制板各模板的工作过程。图像解析模块上的图像视频采集器SMA用于采集相机的视频信号，采集后经过图像视频解码芯片——TVP5150视频解码芯片进行解码后，再利用图像视频解析芯片——FPGA芯片(本实施例使用actel公司的ProASIL3L系列的A3P250lVQ100)使用Soble算法对视频信号进行解析处理提取图像清晰度值(即图像的边缘锐化程度)，FPGA以25～50Hz的频率(取决于视频格式)发出一次脉冲信号作为单片微控制器(本实施例使用PIC32MX250F128D单片机)的外部出发中断信号。每当单片机检测到信号就读取一次图像信息。地面操作人员从监视模块发出的聚焦命令通过无线WIFI传输，单片微控制器通过ESP8266模块接收相应的聚焦命令，如：调焦+，-、变焦+，-、自动聚焦等命令。命令解析模块按照设定的命令解析流程对该命令进行解析后，生成控制命令发送至镜头控制模块。镜头控制模块通过对变焦和调焦两路电机的控制完成所接收到的控制命令。利用单片微控制器的I/O引脚输出高低信号，使得电机驱动芯片(本实施例中采用DRV8848)驱动聚焦电机正反转，通过PWM脉冲控制所述聚焦电机正反转的速度。在电机运动过程中带动对应机构的电位计运动，单片机内部有AD转换模块，可以采集当前电机运动位置对应的电压，通过AD转换即可以准确记录当前电机运动的位置。电压模块将控制模块的电源电压转化为图像解析模块可用的电压。本实施例中采用TPS5430转换3.3V和1.5V电压为单片微控制器和FPGA芯片进行供电。

实施例2

参见附图1所示，在实施例1中，无人机控制模块中的命令解析模块按照设定的命令解析流程进行解析，该解析流程即为无人机聚焦控制方法，该方法具体包括以下步骤：

接收命令步骤：控制模块接收到监视模块发出的聚焦命令后，进入设定的命令解析步骤；

解析步骤：S1、判断是否为自动聚焦命令，结果为是，则发出执行自动聚焦的控制命令，结果为否，则进入S2；S2、判断是否为手动聚焦命令，结果为是，则发出执行变焦的控制命令，结果为否，则进入S3；S3、判断是否为手动变倍命令，结果为是，则发出执行手动变倍的控制命令，结果为否，则进入S4；S4、发出所有电机刹车的控制命令；

执行步骤：镜头控制模块接收到解析步骤中发出的控制命令后，通过对变焦和调焦两路电机的控制执行完成相应的控制命令；镜头控制模块根据接收到的自动聚焦控制命令或执行变焦控制命令信号时，驱动聚焦或变焦两路电机正反转，电机带动镜头运动完成自动聚焦或变焦调节；镜头控制模块接收到执行手动变倍控制命令时，将指定区域的图像区域进行变倍处理；镜头控制模块接收到所有电机刹车控制命令时，对两路电机发出运动终止信号，中断电机正反转。

结束：当镜头控制模块执行完成控制命令后，结束聚焦控制流程。

在本实施例的聚焦控制方法中，当控制模块接收到地面操作人员从监视模块发出的手动聚焦命令后，终止退出自动聚焦控制命令的执行流程，执行手动聚焦的相应步骤。

参见附图2所示，本实施例中的执行步骤中自动聚焦控制命令的执行流程包括以下步骤：

图像解析：控制模块中SMA采集器采集图像视频信号FPGA芯片进行解析处理提取图像清晰度值(即图像的边缘锐化程度)，记录最大的图像清晰度值，将该值所对应的AD值记为初始值；

判断与执行步骤：S1、判断聚焦远是否到位，结果为否，则驱动电机向聚焦远方向运动，结果为是，则进入S2；S2、判断聚焦近是否到位，结果为是，则驱动电机运动到图像解析步骤中记录的图像清晰度最大值所对应的AD值，结果为否，则进入S3；S3、驱动电机向聚焦近方向运动；

对比循环步骤：步骤S1电机向聚焦远方向运动之后，以及步骤S3电机向聚焦近方向运动之后，控制模块再次采集图像视频信号进行图像解析，并将再次解析值与图像解析步骤中所记录的最大图像清晰度值进行对比，判断图像清晰度值是否增大；结果为是，更新最大的图像清晰度值及对应的AD值后，再次进入判断与执行步骤；结果为否，则直接进入判断与执行步骤；

结束：当完成S2的聚电机运动到图像解析步骤中记录的图像清晰度最大值所对应的AD值之后，结束自动聚焦控制命令执行流程。也即电机运动两端到位后，返回记录的电位计电压AD值，即完成一次自动聚焦。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或等同替换，但以上变更、修改或等同替换，均在本申请的待授权或待批准之权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机聚焦控制系统，其特征在于，所述系统包括：

拍摄模块，接收控制模块发出的控制命令，根据命令进行聚焦调节后，对指定区域进行拍摄或摄像，将拍摄的图像或视频信号通过传输模块传输至监视模块；

传输模块，将所述拍摄模块产生的图像或视频信号传输至监视模块，将监视模块发出的聚焦命令传输至控制模块；

监视模块，显示所述拍摄模块拍摄的图像或视频信号，将操作人员发出的聚焦命令通过所述传输模块发送至所述控制模块；

控制模块，接收所述监视模块发出的聚焦命令，按照设定的命令解析流程对聚焦命令进行解析后，再根据命令解析结果对所述拍摄模块发出相应的控制命令。

2.根据权利要求1所述的一种无人机聚焦控制系统，其特征在于，所述拍摄模块包括设置于无人机上的相机，所述相机包括机身、镜头和聚焦电机；所述聚焦电机包括变焦电机和调焦电机；所述相机接收所述控制模块发出的控制命令后，通过所述聚焦电机驱动所述镜头运动实现变焦和调焦的调节；所述镜头根据操作人员发出的拍摄命令，对指定区域进行拍摄或摄像。

3.根据权利要求2所述的一种无人机聚焦控制系统，其特征在于，所述传输模块为无线传输模块，通过无线传输技术进行所述图像或视频信号的传输。

4.根据权利要求3所述的一种无人机聚焦控制系统，其特征在于，所述控制模块包括图像解析模块、命令解析模块、镜头控制模块和电压模块；所述图像解析模块用于采集所述拍摄模块拍摄录制的图像视频信号，并进行解析处理提取图像清晰度值；所述命令解析模块用于接收所述监视模块发出的聚焦命令，并按照设定的命令解析流程进行解析后，生成控制命令发送至所述镜头控制模块；所述镜头控制模块通过对变焦和调焦两路电机的控制完成所接收到的控制命令；所述电压模块将所述控制模块的电源电压转化为所述图像解析模块可用的电压。

5.根据权利要求4所述的一种无人机聚焦控制系统，其特征在于，所述图像解析模块设有图像视频采集器、图像视频解码芯片、图像视频解析芯片和单片微控制器；所述单片微控制器通过所述无线传输模块接收所述监视模块发出的聚焦命令，所述命令解析模块对聚焦命令进行解析后再对所述镜头控制模块发出控制命令信号；所述镜头控制模块根据接收到的控制命令信号对所述聚焦电机发出相应命令，所述聚焦电机驱动所述镜头运动实现聚焦调节；所述电压模块对所述控制模块进行供电，所述电压模块还设有电压转换器，通过转换后的电压为所述解析芯片和单片微控制器进行供电。

6.根据权利要求5所述的一种无人机聚焦控制系统，其特征在于，所述单片微控制器包括I/O引脚、电机驱动芯片和AD转换模块；所述单片微控制器接收到聚焦命令并进行解析后，通过所述I/O引脚输出高低信号，使得所述电机驱动芯片驱动所述聚焦电机正反转，所述AD转换模块记录当前所述聚焦电机运动的位置。

7.一种无人机聚焦控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收命令步骤：控制模块接收到监视模块发出的聚焦命令后，进入设定的命令解析步骤；

解析步骤：S1、判断是否为自动聚焦命令，结果为是，则发出执行自动聚焦的控制命令，结果为否，则进入S2；S2、判断是否为手动聚焦命令，结果为是，则发出执行变焦的控制命令，结果为否，则进入S3；S3、判断是否为手动变倍命令，结果为是，则发出执行手动变倍的控制命令，结果为否，则进入S4；S4、发出所有电机刹车的控制命令；

执行步骤：镜头控制模块接收到所述解析步骤中发出的控制命令后，通过对变焦和调焦两路电机的控制执行完成相应的控制命令；

结束：当镜头控制模块执行完成所述控制命令后，结束聚焦控制流程。

8.根据权利要求7所述的一种无人机聚焦控制方法，其特征在于，所述执行步骤中，镜头控制模块根据接收到的自动聚焦控制命令或执行变焦控制命令信号驱动所述电机正反转，所述电机带动镜头运动完成聚焦或变焦调节。

9.根据权利要求8所述的一种无人机聚焦控制方法，其特征在于，所述执行步骤中自动聚焦控制命令的执行流程包括以下步骤：

图像解析步骤：控制模块采集图像视频信号，进行解析处理提取图像清晰度值，记录最大的图像清晰度值及对应AD值初始值；

判断与执行步骤：S1、判断聚焦远是否到位，结果为否，则驱动电机向聚焦远方向运动，结果为是，则进入S2；S2、判断聚焦近是否到位，结果为是，则驱动电机运动到所述图像解析步骤中记录的图像清晰度最大值所对应的AD值，结果为否，则进入S3；S3、驱动电机向聚焦近方向运动；

对比循环步骤：所述步骤S1电机向聚焦远方向运动之后，以及步骤S3电机向聚焦近方向运动之后，控制模块再次采集图像视频信号进行图像解析，并将再次解析值与所述图像解析步骤中所记录的最大图像清晰度值进行对比，判断图像清晰度值是否增大；结果为是，更新最大的图像清晰度值及对应的AD值后，再次进入所述判断与执行步骤；结果为否，则直接进入所述判断与执行步骤；

结束：当完成所述S2的聚电机运动到所述图像解析步骤中记录的图像清晰度最大值所对应的AD值之后，结束自动聚焦控制命令执行流程。

10.根据权利要求9所述的一种无人机聚焦控制方法，其特征在于，当控制模块接收到监视模块发出的手动聚焦命令后，终止退出所述自动聚焦控制命令的执行流程。