CN201217501Y

CN201217501Y - 悬浮式航空摄像自主飞行器系统

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Publication number: CN201217501Y
Application number: CNU2008200365621U
Authority: CN
Inventors: 金笛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2018-06-13

Abstract

本实用新型公开了一种悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其中飞行控制系统(2)包括由无线信号连接的机载测控子系统(3)和地面测控子系统(4)；航空器主体(1)上设有大视距、广视角的机载摄像设备(5)，该机载摄像设备(5)与机载测控子系统(3)电信号连接，并接受其控制；机载摄像设备(5)通过机载测控子系统(3)向地面测控子系统(4)传送影像信号。采用上述技术方案，无需人工直接驾驶航空飞行器升空，采用悬浮式航空摄像自主飞行器，做到在空中长时间地工作，轻便灵活、控制自如、定位准确，运行范围大、视距更远、视角更广，影像清晰、逼真。

Description

悬浮式航空摄像自主飞行器系统

技术领域

本实用新型属于空间飞行器技术领域。具体地说，本实用新型涉及一种悬浮式航空摄像自主飞行器系统。

背景技术

照相机的发明和改进，受到人和动物的眼睛结构的启示。单就成像原理而言，眼睛与相机是十分类似的。由于动物复眼构造精巧和功能特异，给人们许多宝贵启示。人们模仿苍蝇、蜻蜓和蟹等复眼光学系统的结构和功能特点，用许多块具有特定性质的小透镜，将它们有规则地紧密排列粘合起来，制成“复眼透镜”，用它制成像镜头制成的“复眼照相机”，一次就可以照出1329张相同的照片来。可以用来大量复制电子计算机的集成电路，这样将大大加快电子设备的生产速度。若用在军事卫星侦察上，也将被派上更大的用场。

如今在世界各国的有关方面和许多生物研究机构正在以前所未有的热情来关注一些不起眼的动物。日前，美国的一些科学家们宣称，他们已经利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”，它能在100米上空飞行，人们用肉眼几乎发现不了它，而它却可以拍出极为清晰的照片传回地面。

在国内的一些高校和科研机构也对“动物型机器人”开展了许多研究工作，例如，我国研发出了“听懂”人话的老鼠，会根据人的指令完成规定的动作。2005年5月，我国成功研发出了第一批动物机器人。这一成果的诞生，将对神经科学、医药科学、残疾人康复等都有巨大的理论和实用价值。我国还成功研发出的“壁虎机器人”，就是利用壁虎“飞檐走壁”的本领，让壁虎身上戴着摄像机或传感器，执行特定的搜救、反恐、探测情报、侦察等任务，在这些项目中都需要用到摄像机或照相机。

目前，摄像头基本有两种形式：一种是数字摄像头，可以独立与微机配合使用；另一种是模拟摄像头，要配合视频捕捉卡一起使用。数字摄像头是一种数字视频的输入设备，利用光电技术采集影像，而不像视频采集卡那样首先用模拟的采集工具采集影像，再通过专用的模数转换组件完成影像的输入。摄像头是用电荷耦合器件CCD组成(Charge Coupled Device)，CCD摄像机的工作方式是被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。

由于有了上述的科研成果，人们正在考虑，将其结合起来，应用到空中摄影、摄像，不需要人工直接驾驶升空的条件下，进入空中工作，能在地质探矿、军事、抢险救灾、气象预报、新闻传播、影视制作、交通及治安管理、通信信息、社会及文化领域等得到广泛运用，扩展人类的视野，观察到目前人类依靠自身还无法观察到的景象。但是，到目前为止，涉及此类技术还正在研究中，还没有取得实质性的进展，没有形成成熟的理论和实用的技术。

发明内容

本实用新型所要解决的问题是提供一种悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其目的是实现自主式的航空摄像且提高所获得的影像效果。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

本实用新型所提供的这种悬浮式航空摄像自主飞行器系统，由航空器主体和飞行控制系统组成，所述的飞行控制系统包括由无线信号连接的机载测控子系统和地面测控子系统；航空器主体上设有大视距、广角的机载摄像设备，该机载摄像设备与机载测控子系统电信号连接，并接受其控制；机载摄像设备通过机载测控子系统向地面测控子系统传送影像信号。

所述的航空器主体中设发动机、主翼、氦气气囊、空气副气囊、前倾转旋风机和后旋风机，并均与机载测控子系统电信号连接，接受机载测控子系统的控制。

所述的航空器主体设有滑橇、旋翼、尾桨、传动装置、自动倾斜控制器、变距舵机、油门舵机、航向舵机，并均与机载测控子系统电信号连接，接受机载测控子系统的控制；所述的发动机安装在航空器主体机身的后部；所述的自动倾斜控制器安装在航空器主体机身内主轴的下方；所述的变距舵机和油门舵机安装在发动机的前方；所述的航向舵机设置在航空器主体机身的底部。

所述的机载测控子系统设有飞行控制计算机、空间位置传感器、空间姿态传感器、舵机驱动器、遥控与飞控切换装置、无线电网络通信设备。

所述的空间位置传感器为GPS接收机；所述的空间姿态传感器为电子罗盘；所述的舵机驱动器为角度位置伺服的驱动器；所述的无线电网络通信设备为数传电台。

所述的机载摄像设备的结构为蜘蛛眼式的摄像头，其结构为多个沿弧面上不同角度分布的、由万向关节在航空器主体上固定支承的微型摄像头。

所述的蜘蛛眼式的摄像头为数字式摄像头。或者，所述的蜘蛛眼式的摄像头为模拟式摄像头。

所述的机载测控子系统和地面测控子系统之间设有两条无线数据信息通道：其中一条用于传送由机载摄像设备所获取的影像信号；另一条负责传送航空器主体的飞行状态和控制指令。

所述的地面测控子系统设有地面站和图像处理平台，所述的地面站与机载测控子系统进行通讯，发送控制命令并获得航空器主体状态信息；所述的图像处理平台获取机载摄像设备发回的影像并进行处理，搜寻并确定拍摄目标。

本实用新型采用上述技术方案，无需人工直接驾驶航空飞行器升空，采用悬浮式航空摄像自主飞行器，做到在空中长时间地工作，轻便灵活、控制自如、定位准确，运行范围大、视距更远、视角更广，影像清晰、逼真，广泛应用于国民经济和社会生活的各个领域。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图中标记为：1、航空器主体，2、飞行控制系统，3、机载测控子系统，4、地面测控子系统，5、机载摄像设备，6、飞行控制计算机，7、空间位置传感器，8、空间姿态传感器，9、舵机驱动器，10、遥控与飞控切换装置，11、无线电网络通信设备，12、地面站，13、图像处理平台。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所表达的本实用新型的结构，本实用新型为一种悬浮式航空摄像自主飞行器系统，由航空器主体1和飞行控制系统2组成。

本实用新型所提供的这种悬浮式航空摄像自主飞行器系统，所述的飞行控制系统2包括由无线信号连接的机载测控子系统3和地面测控子系统4；航空器主体1上设有大视距、广角的机载摄像设备5，该机载摄像设备5与机载测控子系统3电信号连接，并接受其控制；机载摄像设备5通过机载测控子系统3向地面测控子系统4传送影像信号。

通过机载测控子系统3和地面测控子系统4来预设、理解、判断各类指令和周围环境的变化，作出正确的反馈信号，控制执行机构，迫使航空器操纵机构运动，完成航空器升降、前后飞、转弯、悬停等复杂的飞行动作和按指定的航程飞行。

悬浮式航空“蜘蛛眼”是超视距自主飞行的低空飞行机器人系统。本实用新型提出悬浮式航空“蜘蛛眼”的技术方案，其目的是让“蜘蛛眼”在空中依据仿生学原理，扩大摄像视角；利用悬浮式航空飞行器的机动灵敏的特点，要求航空飞行器在空中悬停时间要长，变轨运动要迅速，定位要准确可靠，人机对话要简单方便、易实现，能在任何一点的任何方向上让摄像机对拍摄对象进行快速拍摄，镜头的快速转变，对拍摄对象进行上下左右前后拍摄，使拍摄的画面富有动感、冲击力，这样多角度地对拍摄对象进行艺术的描写、刻画，可为观众提供更完美的画面和多角度视觉感受，以实现摄像机在空中摄影与电视转播、空中监控等。

本实用新型所提供的航空器主体1中设发动机、主翼、氦气气囊、空气副气囊、前倾转旋风机和后旋风机，并均与机载测控子系统3电信号连接，接受机载测控子系统3的控制。

悬浮式航空器在空中悬停，就必需克服飞行的总阻力，而总阻力等于头锥、航空器机身、尾翼阻力等之和。根据流体力学原理可知，悬浮式航空器在飞行中的阻力与阻力系数、空气密度、运动速度、物体的表面积有关。所以悬浮式航空器要有良好的气动外观、光滑的壳体，影响航空器飞行的主要因素是气动阻力，提供动力是发动机，发动机提供的功率必需大于所有的气动阻力，才能保证航空器飞行。

悬浮式航空器另一部分动力是靠氦气的浮力升空，悬浮式航空器的升降是不会导致气囊内氦气的损失。它是靠调节藏在大的氦气气囊内的副气囊来调节作缓慢升降的。副气囊内装的是零成本的空气。当副气囊中的空气放出，氦气气囊膨胀，悬浮式航空器就会上升了，反之，则下降。

另外悬浮式航空器还装有前倾转旋风机与后旋风机能共同产生向上的升力，带动悬浮式航空器垂直起飞或降落。风机在升降过程中协调控制，让机身作出转向、侧移等动作。悬浮式航空器的重量由主翼承担，悬浮式航空器在悬浮状态时，发动机可停转不再消耗燃油，它只在拍摄角度需要快速升降、俯冲时启动，因此可长时间执行空中任务。

本实用新型所提供的航空器主体1设有滑橇、旋翼、尾桨、传动装置、自动倾斜控制器、变距舵机、油门舵机、航向舵机，并均与机载测控子系统3电信号连接，接受机载测控子系统3的控制；所述的发动机安装在航空器主体1机身的后部；所述的自动倾斜控制器安装在航空器主体1机身内主轴的下方；所述的变距舵机和油门舵机安装在发动机的前方；所述的航向舵机设置在航空器主体1机身的底部。

悬浮式航空器机身组成部分还有滑橇、旋翼、尾桨、和传动装置、自动倾斜控制器、变距舵机、油门舵机、航向舵机和发动机，发动机安装在航空器机身的后部，用于提供动力，自动倾斜器安装在机身内主轴的下方，变距舵机和油门舵机安装在发动机的前方，航向舵机设置在机身的底部。

本实用新型所提供的机载测控子系统3设有飞行控制计算机6、空间位置传感器7、空间姿态传感器8、舵机驱动器9、遥控与飞控切换装置10、无线电网络通信设备11。

悬浮式航空器飞行控制计算机6是航空器的中央控制单元，负责航空器上各个单元的协调工作，并与地面站12之间进行数据传输。同时根据控制算法和地面站12的命令，保持航空器以一定的姿态飞行。飞行控制计算机处理器可选择功耗低，运算速度快，有多路数字总线和模拟采样通道的单片机芯片，特点是满足航空器实时控制的需要，以实现“无逢”控制。

本实用新型提供的空间位置传感器7为GPS接收机；所述的空间姿态传感器8为电子罗盘；所述的舵机驱动器9为角度位置伺服的驱动器；所述的无线电网络通信设备11为数传电台。

本实用新型所提供的系统由飞行控制计算机、GPS接收机、电子罗盘、舵机驱动器、“蜘蛛眼”、遥控与飞控切换装置与无线电网络通信设备等部分组成，负责传送航空器飞行状态指令的部分和图像传送的数字信息处理系统都可通过自制或购买半成品完成在本实用新型中的二次开发。

系统上述组成部分的工作原理及功能如下：

1、飞行控制计算机：负责航空器上各个控制单元的协调管理工作，并与地面站之间进行数据传输。

2、空间位置传感器(即GPS接收机Crescent OEM空中流动站与GPS接收机Crescent OEM地面基站)：GPS接收器是用来获得地面上的定位坐标，一般来说至少需要4个卫星信号才能保证GPS工作，其中三个用来确定GPS接收器的纬度、经度和海拔高度，第四个则提供同步校正时间。

3、空间姿态传感器(电子罗盘HoneywellHMR3300)：电子罗盘由三维磁阻传感器、两个倾角传感器和MCU构成。地球上每个地方的地磁场都有固定的方向和大小。线性霍尔元件可以检测地磁场的大小和方向。因此，线性霍尔元件可用来制作电子罗盘，也可根据实际需要制作指南针或指北针。

4、舵机驱动器(5510+5220舵机驱动板)：舵机驱动器是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于伺服马达需要控制角度不断变化并可以保持的控制系统。

5、遥控与飞控切换装置：实现遥控及飞控的切换。

6、DTR900-FC数传电台：担任GPS接收机Crescent OEM空中流动站与GPS接收机Crescent OEM地面基站之间的通信。

4、MaxStreamXEB-09数传电台：担任飞控计算机与地面监控计算机之间的通信。无线数传电台在使用中，频率设置工作由电台内的微控制器来担当。加电后电台先处于接收状态，天线接收的射频信号经放大，混频，检波后，由发射端发出数字信号。

本实用新型所提供的机载摄像设备5的结构为蜘蛛眼式的摄像头，其结构为多个沿弧面上不同角度分布的、由万向关节在航空器主体1上固定支承的微型摄像头。

本实用新型的构成实质上分为航空器和“蜘蛛眼”两部分，对微小型空中“蜘蛛眼”研究是基于从仿生学角度结合“蜘蛛眼”空中特点而开展的匹配研究；基于悬浮式航空“蜘蛛眼”研究项目是对微小型空中“蜘蛛眼”研究的回馈研究，使研究工作形成闭环研究。

本实用新型中所述的蜘蛛眼式的摄像头为数字式摄像头。或者，所述的蜘蛛眼式的摄像头为模拟式摄像头。

本实用新型提供的微小型空中“蜘蛛眼”，从仿生学角度看蜘蛛眼睛在头部的前方，大部分蜘蛛有8只大小不一的眼睛，有一些蜘蛛是6只眼睛，或12个只眼睛，眼睛分为夜眼和昼眼，它的眼睛结构决定着它的视野要比人类要大很多，基于蜘蛛眼睛的上述原理，“蜘蛛眼”研究主要是实现在任何一点的任何方向对拍摄对象进行快速拍摄，镜头的快速转变，对拍摄对象进行上下左右前后拍摄，以扩大摄像机的拍摄视角。因此多摄像头、多角度拍摄将是本项目研究的重要内容之一，另外对微小型空中“蜘蛛眼”研究是基于对昼夜型摄像、低照度摄像、超感度摄像的基础研究。

本实用新型所提供的机载测控子系统3和地面测控子系统4之间设有两条无线数据信息通道：其中一条用于传送由机载摄像设备5所获取的影像信号；另一条负责传送航空器主体1的飞行状态和控制指令。

整个系统分为机载部分和地面部分，机载部分负责维持悬浮式航空器的稳定飞行并提供图像信息给地面部分，地面部分根据悬浮式航空器的状态以及得到的图像信息作出下一步飞行的目标规划并发送给机载部分，地面部分与机载部分之间有两条数据信息通道其中一条负责传送图像；一条负责传送飞行状态和指令。

所述的地面测控子系统4设有地面站12和图像处理平台13，所述的地面站与机载测控子系统3进行通讯，发送控制命令并获得航空器主体1状态信息；所述的图像处理平台获取机载摄像设备5发回的影像并进行处理，搜寻并确定拍摄目标。

地面部分可以分为地面站12和图像处理平台13，前者与机载飞行控制器通讯以发送控制命令并获得悬浮式航空器状态信息，后者获取机载摄像头的图像并做处理以搜寻拍摄目标。悬浮式航空器控制模型较为复杂，而且通道之间存在耦合，如果考虑复杂情况则对航空器控制较难实现，所以在本课题中采用PID控制器分通道进行控制，为了解决非线性问题，采取不同状态下选用不同参数的控制方法。将悬浮式航空器飞行状态划为起飞、降落、悬停、向左、向右等飞控状态，在不同飞控状态下设定不同的控制目标值。例如，悬停状态高度设定为固定值，俯仰、滚转以及偏航的角度都设置为零，利用四个不同的控制器分通道控制，使得悬浮式航空器姿态达到设定值。航空器以偏航方向的控制对象为例，其偏航方向控制框图如图1所示。

发送控制命令的系统飞控软件设计要求如下：

1、飞控计算机系统通电后，程序进行初始化设置，包括位置信息(GPS)与姿态信息(电子罗盘)的初始化设置，当系统完成初始化设置后，系统控制部分便作好准备，等待接收下一指令。

2、地面监控计算机发送一个飞行指令设定高度，并发送至飞行控制计算机中，作为指挥员的期待高度，飞行器得到当前高度值，并时刻与该设定高度值作比较，并及时调整已达到“指令飞行”的目的。

3、系统中应用软件按照各功能要求不同，将悬浮式航空器飞行状态规划为起飞、降落、悬停、向左、向右等飞控状态，按照在不同飞控状态下设定不同的控制目标值。设计成逻辑程序应用于飞行器姿态控制程序中，要经反复调试至直合格为止。例如初始化CPD4红外线自动平衡仪，可以把悬浮式航空器横倒在地面上，启动红外线自动平衡仪，再扶正悬浮式航空器，接下来遥控悬浮式航空器飞到一定高度后降落回地面，CPD4红外线自动平衡仪初始化工作便靠成功；同样对悬浮式航空器控制系统加电，可完成GPS与电子罗盘的初始化；操作无线电遥控器上的开关通道(GEAR)把控制权交给“自主飞行控制器”，无线电遥控器的节气门舵机位置便可保持不变；给地面GPS接收机CrescentOEM基站输入差分命令，启动GPS差分工作；地面监控计算机发出起飞指令，让悬浮式航空器飞到指定的高度悬停；地面监控计算机发出航线飞行指令，悬浮式航空器就会在“自主飞行控制器”的控制下，按照我们规划的预定航迹，完成自主飞行；返回后的悬浮式航空器，操作无线电遥控器上的开关通道(GEAR)把控制权接管过来；操作无线电遥控器，让悬浮式航空器安全着陆。

本实用新型中悬浮式航空“蜘蛛眼”技术方案，将其分为悬浮式航空器技术和“蜘蛛眼”技术两个部分。对悬浮式航空器研究主要是实现小型悬浮式航空器的任务规划、自主姿态控制；对“蜘蛛眼”研究主要是实现视频图像处理等功能。系统分为机载部分和地面站部分，机载部分负责飞机姿态控制，地面站部分负责任务规划及图像处理。系统通过自制或购买半成品完成项目的二次开发。但悬浮式航空器为了完成自主飞行任务，需要相关功能部件协同工作，它包括图像设备、飞控模块、高悬度测量、舵机控制、数据信息以及航姿等工作状态的信息采集、对执行部分控制以及对地面站命令的响应等。自主机构中各个功能模块之间相对独立，均可单独完成一定的功能，模块之间的相互连接由中央控制单元飞控计算机实现管理，保证了数据信息的正确传输。项目中对“蜘蛛眼”研究，从仿生学角度看蜘蛛眼睛在头部的前方，大部分蜘蛛有8只大小不一的眼睛，有一些蜘蛛是6只眼睛，或12个只眼睛，眼分夜眼和昼眼，它的眼睛结构决定着它的视野要比人类要大很多，基于蜘蛛眼睛的上述原理，“蜘蛛眼”研究主要是实现在任何一点的任何方向对拍摄对象进行快速拍摄，镜头的快速转变，对拍摄对象进行上下左右前后拍摄，以扩大普通摄像机的拍摄视角，将悬浮式航空器的技术和“蜘蛛眼”的技术结合在一起，是本实用新型所要解决的悬浮式航空“蜘蛛眼”的关键。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1、一种悬浮式航空摄像自主飞行器系统，由航空器主体(1)和飞行控制系统(2)组成，其特征在于：所述的飞行控制系统(2)包括由无线信号连接的机载测控子系统(3)和地面测控子系统(4)；航空器主体(1)上设有大视距、广视角的机载摄像设备(5)，该机载摄像设备(5)与机载测控子系统(3)电信号连接，并接受其控制；机载摄像设备(5)通过机载测控子系统(3)向地面测控子系统(4)传送影像信号。

2、按照权利要求1所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的航空器主体(1)中设发动机、主翼、氦气气囊、空气副气囊、前倾转旋风机和后旋风机，并均与机载测控子系统(3)电信号连接，接受机载测控子系统(3)的控制。

3、按照权利要求1或2所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的航空器主体(1)设有滑橇、旋翼、尾桨、传动装置、自动倾斜控制器、变距舵机、油门舵机、航向舵机，并均与机载测控子系统(3)电信号连接，接受机载测控子系统(3)的控制；所述的发动机安装在航空器主体(1)机身的后部；所述的自动倾斜控制器安装在航空器主体(1)机身内主轴的下方；所述的变距舵机和油门舵机安装在发动机的前方；所述的航向舵机设置在航空器主体(1)机身的底部。

4、按照权利要求1或2所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的机载测控子系统(3)设有飞行控制计算机(6)、空间位置传感器(7)、空间姿态传感器(8)、舵机驱动器(9)、遥控与飞控切换装置(10)、无线电网络通信设备(11)。

5、按照权利要求4所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的空间位置传感器(7)为GPS接收机；所述的空间姿态传感器(8)为电子罗盘；所述的舵机驱动器(9)为角度位置伺服的驱动器；所述的无线电网络通信设备(11)为数传电台。

6、按照权利要求1或2或5所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的机载摄像设备(5)的结构为蜘蛛眼式的摄像头，其结构为多个沿弧面上不同角度分布的、由万向关节在航空器主体(1)上固定支承的微型摄像头。

7、按照权利要求6所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的蜘蛛眼式的摄像头为数字式摄像头。

8、按照权利要求6所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的蜘蛛眼式的摄像头为模拟式摄像头。

9、按照权利要求1或2或5或7或8所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的机载测控子系统(3)和地面测控子系统(4)之间设有两条无线数据信息通道：其中一条用于传送由机载摄像设备(5)所获取的影像信号；另一条负责传送航空器主体(1)的飞行状态和控制指令。

10、按照权利要求1或2或5或7或8所述的悬浮式航空摄像自主飞行器系统，其特征在于：所述的地面测控子系统(4)设有地面站(12)和图像处理平台(13)，所述的地面站与机载测控子系统(3)进行通讯，发送控制命令并获得航空器主体(1)状态信息；所述的图像处理平台获取机载摄像设备(5)发回的影像并进行处理，搜寻并确定拍摄目标。