一种小型四旋翼航拍无人机技术与实现

曾舒婷 夏庆峰 朱烨 王辰

摘要：依据2015-2020年中国无人机行业研究分析及市场前景预测报告，航拍及娱乐、农林、安防、电力四大领域是无人机市场的重点细分领域。本文以四旋翼航拍无人机相关技术为研究重点，提出了一套完整的小型四旋翼航拍无人机设计方案。经飞行航拍实验结果表明，航拍无人机飞行图传稳定，PC端实时采集图像视频及飞行数据，可应用于无人机实验室的航拍无人机教学科研。

关键词：航拍无人机;四旋翼;图传系统

中图分类号：TP311      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）31-0219-04

Research on Small Quadrotor Aerial Photography UavTechnology

ZENG Shu-ting， XIA Qin-feng， ZHU Ye， WANG Chen

（Information Engineering， Nanjing Jinling Institute， NanJing 210000， China）

Abstract： According to the research analysis and market outlook forecast report of China's uav industry from 2015 to 2020， aerial photography， entertainment， agriculture， forestry， security and power are the key segments of the uav market.In this paper， a complete design scheme of small quadrotor aerial photography uav is proposed with the focus on the relevant technology of quadrotor aerial photography uav. The experimental results of aerial photography show that the aerial photography of uav has stable transmission of flight map and real-time image acquisition video and flight data on PC， which can be applied to the teaching and research of aerial photography uav in uav laboratory.

Key words： UAV; quadrotor; Picture transmission system

1 引言

微型無人机首先是由美国科学家布鲁诺·W·奥根斯坦在20世纪90年代美国国防高级研究计划局在一次未来军事的会议上提出的一种概念， 它有着隐蔽性强、重量轻、体积小等优势[1]。

然而对于无人机的研究，一开始大部分学者都是围绕空气动力学、能源以及材料进行的，主要就是探索如何让无人机更好的飞向空中，故忽略了对无人机的图像无线传输系统方面的研究[2]。直至2001 年9月，日本成功开发了当时世界上最轻的微型无人机“UFR-II”， 机重仅 12.3g， 该机可以按照程序设计路线自主飞行， 其上携带有微型摄像机并可以将拍摄到的图像情报迅速传送回基地[3]。同年在加州大学伯克利分校研究出的 BEAR，则采用了搭载了2台 Pentium 233 MHz PC104 嵌入式计算机的设计方案，其中有一台使用了图像传输， 摄像机是用SONY EVI-D30，通过串口调节来调整水平、垂直两个方向的图像采集，视频采集频率为30 Hz，采用了2.4 GHz的无线图像链路进行图像的传输[4]。

本文提出了一套完整的小型四旋翼航拍无人机设计方案，主要包括四旋翼航拍无人机硬件架构及图传系统设计。

2 小型四旋翼航拍无人机硬件设计

小型四旋翼航拍无人机硬件结构包括几大模块，主控电路模块、动力模块、航拍模块以及地面站部分。

1） 主控电路模块包括：飞控板、GPS定位系统、罗盘、数传模块、遥控器信号接收器、电源模块。

2） 动力模块包括：电调、电机、螺旋桨、锂电池。

3） 航拍模块包括：云台、摄像机、图传模块，图传发送和接收机。

4） 地面站部分包括：遥控器以及地面站。

2.1 主控电路模块

1） 飞控模块

飞控板是四旋翼无人机的核心电子部件。考虑到嵌入算法的需要，选用开源飞控板。开源飞控领域影响比较大的就是3d robotics公司生产的APM和Pixhawk。该小型四旋翼航拍无人机飞控板选用的是Pixhawk飞控板，其继承了APM和PX4的优点，并在其基础上改进。Pixhawk是一个双处理器的飞行控制器。其中一个主处理器为32bit 168MHZ 的STM32F427 Coretex M4，内含256KB RAM、2MB Flash，支持强大运算。另外一个协处理器主要定位于工业用途的32bit STM32F103，它的特点是安全稳定。所以就算主处理器死机了，还有一个协处理器来保障安全。

2） GPS 定位与罗盘模块

在无人机的起飞，航行，悬停，返回的任何一个阶段，都需要我们的GPS模块进行实时定位。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。

电子罗盘主要用于提供关键性的惯性导航和方向定位系统的信息。较其他传感器相比，电子罗盘有明显地功耗优势，同时具有高精度、响应时间短等特点，非常适用于无人机的应用。

根据GPS所获取的飞机当前坐标、目标点坐标，电子罗盘获取的飞机航向与目标航向的偏差角及象限等数据计算航向修正指令，并发往舵机控制系统。

3） 数传模块

无人机的数传模块一方面用于收集、整理和记录飞机的各项参数，并生成报文发向地面;另一方面，对接收的报文进行译码，改变飞行参数，并通过伺服系统控制飞机的飞行状态。

4） 控制器PPM信号接收器

无人机控制器PPM信号接收器用于接收由地面站控制器发送来的控制信号，并根据控制信号指令作用于飞行控制器，实现无人机飞行控制。

5） 电源模块

无人机电源模块，是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。

2.2 动力模块

1） 电机

航拍要选用低KV电机配大桨，转速低，效率高，同样低转速电机的震动也小。对航拍来说这些都是极为有利的。该小型四旋翼航拍无人机选用KV2000的电机。

2） 电调

依据电调重要的参数是工作电流，刷新频率，重量，该小型四旋翼航拍无人机的电子调速器选用驱动50A无刷直流电机。

3） 螺旋桨

螺旋桨与电机的搭配主要是从机架大小、能否提供足够动力两方面进行考虑。该小型四旋翼航拍无人机选用9450S的快拆尼龙桨叶。

4） 锂电池

现在几乎所有的四旋翼无人机都使用锂电池，主要从电池的容量、放电速率、自身重量进行考虑。该小型四旋翼航拍无人机的电池采用了5300mAh的锂电池。

2.3 航拍模块

1） 云台

航拍无人机云台上的耗电是影响无人机飞行的一大因素，在稳定云台的电机耗电上，比不安装航拍云台下降30%的续航时间。航拍无人机云台主要考虑参数有可控姿態，可控旋转角度，稳定性，及重量。

该小型四旋翼航拍无人机云台经对比选用Storm32位三轴无刷云台。其可控旋转角度为 YAW水平转向正负180度，roll横滚角度正负25度，pitch俯仰角度+45到-90度，可垂直地面拍摄; Storm32位三轴无刷云台重量为186g（不含相机），总重量越轻越利于航拍延时。

2） 摄像机

影响航拍无人机质量的参数包括：分辨率、像素、录制时间、远程摇控、防抖、防水。经过航拍质量以及经费考虑，最终选用SJCAM SJ7 STAR运动相机。

3） 图传系统

该小型四旋翼航拍无人机采用5.8GHz频段传输模拟视频到地面，最远距离能达600多米。图传系统的图传发射端采用TS835发射端，发射频率为5.8G。图传系统的图传接收端采用5.8G 150频点图传接收机。

2.4 地面站部分

地面站设备组成一般都是由遥控器、电脑（控制软件）、视频显示器，电源系统，数传接收端、图传接收端等设备组成，通过航线规划工具规划飞机飞行的线路，并设定飞行高度，飞行速度，飞行地点，飞行任务等通过数据口连接的数传电台将任务数据编译传送至飞控中。

1） 遥控器

无人机摇控器利用无线摇感技术对无人机起到实时调控的作用，其中控制的通道就是可以遥控器控制的动作路数，比如遥控器只能控制四轴上下飞，那么就是1个通道。但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有：上下、左右、前后、旋转。所以最低得4通道遥控器。航拍无人机就需要更多通道的遥控器了。

2） 地面站

地面站控制软件采用开源的Mission Planner软件。 Mission Planner是无人机地面控制站软件，适用于固定翼，旋翼机和地面站，仅仅在windows系统下工作。

3 航拍无人机图传系统

无人机影像系统主要是由相机和图传模块、OSD模块构成。

微型摄像头采集目标图像信息，其自身的素质决定了拍摄图像的清晰程度。相机并非单独作用，而要与无人机云台共同工作。无人机云台的主要作用对象就是相机，通过对相机姿态的调节，保证了在飞行中，航拍无人机能够获取稳定并且清晰的画面。

图传的任务是将航拍无人机所拍摄的画面“实时，稳定”的发射给地面无线遥控接收设备。图像传输过程中，首先通过图像处理算法对图像增强处理，例如通过电子稳像，去除视频中存在的抖动、晃动等因素，使得视频画面过度更加平稳。然后利用2.4GHz或是5.8GHz无线技术进行传输。5GHz技术相对于2.4GHz技术采用了更高频段的信号，具有更高的传输速率和带宽。但信号的频率越高，穿透力越弱，故衰减较明显，避障能力弱[4]。

OSD的功能是为航拍无人机获取的实时图像叠加上无人机时的飞行数据使得飞手在接收终端看到飞行画面时，同样能观测到无人机的运行情况。

OSD硬件模块包含主控芯片和字符叠加芯片，主控芯片采用了Atmega328，字符叠加芯片则采用MAX7456的解决方案。

Atmega328p，这是一块开源飞控项目中十分常见的周边模块，它通过内置的模块UART以端口0（RX）和1（TX）与外界进行串口通信。Atmega328具有32kb的flash，2kb的sram以及1kb的eeprom。

图3所示，MAX7456是一块专门用来叠加视频信息显示的芯片，内部集成了视频驱动、同步分离器、视频开关以及 EEPROM[7]，又叫作单通道随屏显示发生器。通过使用这种芯片，我们可以在动态视频上附加上需要的特定图形。MAX7456可以存储256个字符，可以实现pal信号或者是ntsc信号的字符叠加。芯片共可以提供256个525线和625线标准的可编程颜色字符大大降低了系统成本。

下位机（MAX7456芯片）与上位机（PC）通过串口通信，可以对视频叠加的字符进行定制化和界面的重新布局。视频叠加的字符进行刷新的过程如图4所示。

上位机通过串口通信，获取OSD模块的字符存储器里的初设的字符样式与界面布局。接着，通过OSD设置的软件可以对显示界面进行重新的布局，以及将字符刷写成自己想要的字体、语言或者定制方便飞手观测的图形，最后，将自定义的字符叠加到模拟界面上的各个像素点上，以达到视频叠加的效果。

而对于下位机，视频叠加系统主要包括写入，显示，清除字符三个步骤。首先，上位机通过软件的刷写，定义了新的字符信息，这些字符信息通过串口写入MAX7456芯片的字符存储器中。在写入字符的过程结束后，通过定义好的视频叠加功能，便可以实现在显示器终端上的字符自定义和界面的布局。而清除字符的功能，主要是完成对不需要的字符消除。

OSD软部分，采用Mavlink通信协议[8-9]，在串口上获得封装为Mavlink协议的飞行数据，并可以将其显示在视频输出之上，同时支持用户自行设置显示信息的板式和内容。

4 航拍无人机的硬件实现

四旋翼航拍无人机硬件实现如图5所示。经测试，该四旋翼航拍无人机性能如表1所示。

該四旋翼航拍无人机图传测试，如图6所示，左上角第一行、第二行分别为空速、飞行速度。第三行数据为97%，表示当前无人机电池电量占比。第四行数据显示了无人机工作电流4.84A，第五行数据工作电压2.48V。最后两行数据分别显示了飞行距离30m和海拔高度1m。右上角数据为当前经纬度具体数值为北纬32.178°，东经118.704°。中间显示了飞行器朝向为北偏东30°。右下角显示机体温度为37.36°C。这些数据说明无人机图传模块、数传模块、OSD和相机工作都正常。

5 结语

综上所述，本文总结了一套小型四旋翼航拍无人机硬件实现方案。飞行航拍实验结果表明，图传系统的图像及数据传输稳定，PC端实时采集图像视频及飞行数据，可应用于无人机实验室的航拍无人机教学。

参考文献：

[1] 谢春茂.无人机系统产业发展及市场研究[J].科技传播.2013（11）：107-109.

[2] 孙仕祺，马杰.历史与现实：无人机发展历程、现状及其所面临的挑战[J].飞航导弹.2005（1）：14-19.

[3] 刘鹏，彭艳鹏，邹秀琼，何雯.我国无人机航摄系统现状和前景[J].地理空间信息.2010（8）：4-6.161.

[4] 高珍，邓甲昊，孙骥，宋崧.微型无人机图像无线传输系统的发展现状及其关键技术[J].科技导报.2007，25（16）：68-72.

[5] 王佩，荣昶，贾斐，介玺.基于无人机的无线图像传输系统构建研究[J].实验技术与管理.2017，34（4）：94-98.

[6] 高珍，邓甲昊，孙骥，等.微型无人机图像无线传输系统方案与关键技术[J].北京理工大学学报.2008：1078-1082.

[7] 汪辉，王昌明，宋高顺，等.基于MAX7456的字符叠加系统设计[J].电子设计工程.2010（7）：181-183

[8] 孟颖.基于APM飞控制作的MAVLink通信协议分析[J].电子世界.2014.101-102.

[9] 吕强，倪佩佩，王国胜，等.DSP的MAVLink微型无人机通信协议移植与应用[J].单片机与嵌入式系统应用.2014（11）.