CN210689623U

CN210689623U - 一种用于无人机航空测量云台系统

Info

Publication number: CN210689623U
Application number: CN201920589238.0U
Authority: CN
Inventors: 张芮嘉; 朱海霞; 李陈康; 袁钢
Original assignee: Jincheng College of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Jincheng College of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-04-27
Filing date: 2019-04-27
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2029-04-27

Abstract

一种用于无人机航空测量云台系统，包括云台上位机系统、无线传输单元和云台下位机系统，云台上位机系统包括用户登录模块、开关控制模块、无线传输模块、三维路径模块、空间姿态模块和云台设置模块；所述无线传输模块连接云台上位机系统和云台下位机系统；所述云台下位机系统包括主控单元、定位单元、惯性测量单元、存储单元、摄像装置和云台机构，其中主控单元包括微控制器及其周边电路，所述主控单元连接所述定位单元、所述惯性测量单元、所述存储单元、所述摄像装置和所述云台机构。本实用新型提供一种基于labview的适应多旋翼无人机高精度航空测量的通用高效云台系统。

Description

一种用于无人机航空测量云台系统

技术领域

本实用新型属于倾斜摄影测量技术领域，具体涉及适用多旋翼无人机倾斜摄影测量的通用的旋转式云台相机系统。

背景技术

倾斜摄影测量技术是国际测绘遥感领域发展起来的一项高新技术，在测绘行业、城市规划行业、旅游业、甚至电商业等的行业应用越来越广泛，越来越深入。倾斜摄影测量中，使用传统单镜头相机作业的方法测量一片区域需要向四个方向重复飞行四个架次，效率极低；而五镜头相机同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，虽减少了飞行架数，但其重量大，成本高，续航能力差，对飞机载量的要求比较高，只适用重载无人机，并且产品往往只能兼容自家无人机，不可拆卸，兼容性差，并不能满足多旋翼无人机航测的需要。

摄像机云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作平台，用于摄像机与支撑物之间的连接，同时它具有水平和垂直运动的功能，在云台水平、垂直运动的同时，它也带动摄像机做相同的运动，这样就能通过控制云台的运动来控制摄像机的运动，它与摄像机配套使用能达到扩大监视范围的目的，提高摄像机的使用价值。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于labview的适应多旋翼无人机高精度航空测量的通用高效云台系统。

一种用于无人机航空测量云台系统，包括云台上位机系统、无线传输单元和云台下位机系统，云台上位机系统包括用户登录模块、开关控制模块、无线传输模块、三维路径模块、空间姿态模块和云台设置模块；所述无线传输模块连接云台上位机系统和云台下位机系统；所述云台下位机系统包括主控单元、定位单元、惯性测量单元、存储单元、摄像装置和云台机构，其中主控单元包括微控制器及其周边电路，所述主控单元连接所述定位单元、所述惯性测量单元、所述存储单元、所述摄像装置和所述云台机构。

进一步的，无线传输单元包括上位机节点和下位机节点，每个节点为无线收发控制模块，所述上位机节点和云台上位机系统通过串口通信，所述下位机节点和所述云台下位机系统通过串口通信。

进一步的，所述云台机构包括步进电机、减震板、编码器和鸭嘴支架，所述减震板连接无人机，减震板上固定安装所述步进电机，所述编码器与所述步进电机同轴相连，步进电机连接鸭嘴支架，所述鸭嘴支架上安装摄像装置。

进一步的，所述云台机构包括电滑环，摄像装置的连接线通过所述电滑环接入。

进一步的，所述云台机构包括电机加长轴，所述电机加长轴与所述步进电机通过联轴器连接，电机加长轴与鸭嘴支架相连。

进一步的，所述无线传输模块包括LoRa无线传输模块。

进一步的，还包括按键设置与显示单元，所述按键设置与显示单元包括oled模块、LED 灯以及机械按键。

进一步的，所述定位单元包括GPS定位单元。

进一步的，所述存储单元包括SD卡。

进一步的，所述惯性测量单元包括九轴惯性导航传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.系统采用旋转式云台相机，在MCU的控制下以一定时间间隔旋转拍摄，同时记录下拍摄时刻GPS信息等POS数据，这样只需飞行一个架次就能采集多角度的航拍照片，在降低成本的同时大大提高了效率，减轻了无人机航测人员的负担，节省了时间，使无人机航测倾斜摄影更加简单便捷。同时，基于LabVIEW的上位机系统通过无线传输方式远程设定云台旋转时间间隔，使参数的调整更加方便快捷。

本实用新型采用旋转式云台相机，以一定时间间隔旋转拍摄，同时旋转云台的设计采用电滑环，使云台能够无限制连续旋转，减少了云台旋转所花费的时间。在一个航拍架次中采集多角度的照片，在低成本的情况下达到传统单镜头相机四倍的效率，减轻了无人机航测人员的负担，节省了时间，使无人机航测倾斜摄影更加简单便捷。并且系统不仅适用多旋翼无人机航测，还兼容所有多旋翼无人机，实现航拍照片的多方位高效采集。

附图说明

图1是用于无人机航空测量云台系统结构方框示意图。

图2为图1中单元Ⅰ的上位机系统结构图。

图3为图1中单元Ⅲ的原理结构方框图以及与单元Ⅰ和单元Ⅱ的数据传输图。

图4为图1中单元Ⅲ的软件算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构及工作过程作进一步说明。

由图1可知，本实施例是用于无人机航空测量云台系统。包括单元Ⅰ：云台上位机系统，上位机系统包括labview内设置的模块结构和PC端相配套的硬件结构；单元Ⅱ：无线传输单元；单元Ⅲ：云台下位机系统组成，单元Ⅱ包括上位机节点和下位机节点。上位机节点和云台上位机系统通过串口通信，下位机节点和云台下位机系统通过串口通信。每个节点为无线收发控制模块，无线收发控制模块采用基于LoRa扩频技术的无线串口模块。

由图2可知，单元Ⅰ包括用户登录模块(在图中不显示)、开关控制模块、无线传输模块、三维路径模块、空间姿态模块和云台设置模块。开关控制模块包括总开关和存储开关。

由图3可知，单元Ⅲ包括：主控单元、定位单元、惯性测量单元、存储单元、按键设置与显示单元、摄像装置和云台机构。主控单元驱动定位单元、惯性测量单元、存储单元、按键设置与显示单元、摄像装置和云台机构，摄像装置采用单反相机。

主控单元采用ARM Codex—M3内核微处理器STM 32F1O3ZET6(以下简称MCU)；定位单元采用NEO-6M GPS(以下简称GPS)，用于无人机当前位置数据的采集，为三维重建模型提供无人机航拍照片所对应的GPS位置数据。惯性测量单元采用GY953九轴惯性导航传感器(以下简称IMU)，用于无人机飞行姿态的采集。

存储单元为采用sumsung micro SD卡(以下简称：SD卡)，用于GPS位置数据、时间数据、拍照次数、云台机构位置等POS数据的txt格式存储，避免因航点丢失导致模型失真，方便用户导出给建模软件(如smart3D)进行重建生成三维地形。按键设置与显示单元，用于GPS状态、时间信息、拍照信息以及设置索引的显示。

单元Ⅰ的云台上位机系统运行如下：

通过单元Ⅰ上位机系统的用户登录模块登入到上位机系统的监测控制界面(使用LabSQL 与Access数据库进行连接，有效防止非授权用户进行非法操作与盗窃，只有合法的用户在通过验证后才能进入系统，比如查看数据、增加系统用户、使用系统功能等)。

无线传输模块实现单元I与单元Ⅱ的数据双向传输。通过开关控制模块选择打开或关闭云台上位机系统，通过SD卡存储开关选择是否将GPS位置数据、时间数据、拍照次数、云台位置等数据存储到SD卡。

三维路径模块将接收到的GPS位置数据进行分析转换得到无人机经纬度数据，再经Gauss －Kruger投影变换转换成大地平面坐标并以动态图形化的形式实时显示无人机飞行路径，同时程序计算无人机航线上相邻两点间的坐标间距，进行实时累加计算，得到无人机飞行里程。

空间姿态模块将接收到的姿态数据进行分析转换得到无人机的Pitch、Roll、Yaw三轴姿态角数据，导入无人机3D仿真模型生成无人机飞行姿态3D实时模拟图形(采用Solidworks 建立多旋翼无人机3D仿真模型导出为wrl格式，在labview中创建三维坐标，通过拆分路径、创建路径，利用三维图片控件加载VRML文件将模型导入labview)。

云台设置模块根据滑动杆控件获取云台旋转时间间隔并将数据发送给下位机系统。单元Ⅱ无线传输单元实现上位机节点与下位机节点之间数据的无线双向传输，单元I的无线传输模块将SD卡存储开关的状态与云台设置模块的指令传输到单元Ⅱ的上位机节点，上位机节点再无线传输给单元Ⅱ的下位机节点，最终数据通过串口传送到单元Ⅲ云台下位机系统的 MCU控制单元；单元Ⅲ的MCU控制单元将GPS定位单元与惯性测量单元的数据通过串口传送到单元Ⅱ的下位机节点，下位机节点再通过无线传输给单元Ⅱ的上位机节点，最终数据通过单元I的无线传输模块传送到无人机三维路径模块与无人机空间姿态模块。

下面说明单元Ⅲ云台下位机系统：

MCU控制单元根据编码器采集的步进电机角度反馈值，采用PID算法调节输出方波的频率和脉冲个数，实现云台的迅速调节，同时驱动控制GPS、IMU、SD卡、OLED模块、云台机构等外围设备。

云台机构包括步进电机、减震板、编码器、鸭嘴支架、电滑环、电机加长轴和联轴器。云台机构与无人机通过减震板连接，减震板上通过螺钉固定安装步进电机，编码器与步进电机同轴相连，电机加长轴与步进电机通过联轴器连接，电机加长轴与鸭嘴支架通过弹簧垫片与螺钉相连，鸭嘴支架与单反相机使用双层螺丝单反热靴座固定连接，云台减震板上通过四根铜柱安装电滑环固定板，电滑环与固定板使用螺钉连接，单反相机快门线通过电滑环接入单反相机。

步进电机接收MCU控制单元的控制信号，实现等时间间隔地进行90度旋转，云台旋转 90度后，MCU控制单元发出快门信号，实现航拍照片的多方位高效采集，

GPS实现无人机当前位置的实时监测，并将GPS数据发送给MCU控制单元，MCU控制单元将数据转化为特定格式发送到单元Ⅱ的下位机节点，通过单元II发送给单元I的三维路径模块。同时在MCU控制单元的控制下，GPS位置数据、时间数据、拍照次数、云台位置等数据的存储在SD卡存储单元的sumsung micro sd卡中。

惯性测量单元实现无人机飞行姿态的采集，并将无人机姿态数据发送给MCU控制单元， MCU控制单元将数据转化为特定格式发送到单元Ⅱ的下位机节点，通过单元II发送给单元I 的空间姿态模块。

按键设置与显示单元由oled模块、LED灯以及机械按键组成，在MCU控制单元的控制下实现系统状态、GPS状态、SD卡状态、时间信息、拍照信息以及设置索引的显示，系统正常工作时绿灯亮、系统出现故障时红灯亮。

由图4可知，主控单元MCU运行如下：

S1判断是否检测到SD卡；

S2判断GPS是否在位；

S3判断GPS是否收到数据；

S4判断是否接收到上位机系统信号；

S5接受上位机系统发送的单反相机的镜头旋转时间间隔设定并保存；

S6读取IMU姿态数据并发送给上位机；

S7读取并显示GPS位置信息并发送给上位机；

S8判断是否到设定时间；

S9云台旋转90°后发出快门信号与S10将时间、经纬度等信息写入SD卡。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种用于无人机航空测量云台系统，包括云台上位机系统、无线传输单元和云台下位机系统，其特征在于，云台上位机系统包括用户登录模块、开关控制模块、无线传输模块、三维路径模块、空间姿态模块和云台设置模块；所述无线传输模块连接云台上位机系统和云台下位机系统；所述云台下位机系统包括主控单元、定位单元、惯性测量单元、存储单元、摄像装置和云台机构，其中主控单元包括微控制器及其周边电路，所述主控单元连接所述定位单元、所述惯性测量单元、所述存储单元、所述摄像装置和所述云台机构。

2.根据权利要求1所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，无线传输单元包括上位机节点和下位机节点，每个节点为无线收发控制模块，所述上位机节点和云台上位机系统通过串口通信，所述下位机节点和所述云台下位机系统通过串口通信。

3.根据权利要求1所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，所述云台机构包括步进电机、减震板、编码器和鸭嘴支架，所述减震板连接无人机，减震板上固定安装所述步进电机，所述编码器与所述步进电机同轴相连，步进电机连接鸭嘴支架，所述鸭嘴支架上安装摄像装置。

4.根据权利要求1或3所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，所述云台机构包括电滑环，摄像装置的连接线通过所述电滑环接入。

5.根据权利要求3所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，所述云台机构包括电机加长轴，所述电机加长轴与所述步进电机通过联轴器连接，电机加长轴与鸭嘴支架相连。

6.根据权利要求1或2所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，所述无线传输模块包括LoRa无线传输模块。

7.根据权利要求1所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，还包括按键设置与显示单元，所述按键设置与显示单元包括oled模块、LED灯以及机械按键。

8.根据权利要求1所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，所述定位单元包括GPS定位单元。

9.根据权利要求1所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，所述存储单元包括SD卡。

10.根据权利要求1所述的用于无人机航空测量云台系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括九轴惯性导航传感器。