无人机遥感设备的自动化控制系统

第29卷第l期测绘科学vd．29N。1 2004年2月scI enc e of su r vey l ng a nd M appl ng Feb

无人机遥感设备的自动化控制系统

崔红霞①，孙杰②，林宗坚②

(①武汉大学遥感信息工程学院武汉710054；②中国测绘科学研究院，北京100039)

【摘要l uA V R sⅡ型无人机低空遥感监删系统以面阵ccD数码相机和稳定平台作为主要机载遥感设备。遥感设备和稳定平台的自动化控制系统重点解决利用单轴稳定平台修正偏流角和根据无人机飞行时的导航参数实时解算曝光间隔来确保航向重叠度的问题。地面和实际飞行试验表明，这套自行开发的无人机遥感设备的自动化控制系统达到了预期的目的、取得了良好的效果。

I关键词】无^机遥感监测系统：数码相机检校；稳定平台

【中国分类号】P24【文献标示码】A【文章编号】10092307(2004)叭004703

1引言

自无人机问世以来，由于其特有的技术优势，在军事

和民用等领域的应用已越来越广泛。尤其是进入2l世纪以

后，无人机系统的应用、开发已经成为各国争相研究的热

点课题。为将无人机系统应用于遥感领域，为国土资源的

遥感调查和管理提供一种新的高技术设备，中国测绘科学

研究院研制完成了“uA V R sⅡ型无人机低空遥感监测系

统”，并于2003年9月通过专家组鉴定。该系统主要有无

人机机体、动力系统、飞行控制系统、无线电遥测遥控系

统、遥感设备及其控制系统、稳定平台装置、遥感数据处

理系统组成。其中，遥感设备控制系统是其关键技术之一。

2遥感设备及其控制系统的组成：

遥感设备控制系统是由机载遥感设备、单轴稳定平台、

乜行

捧制计算机

遥感殴备和’r行

挖制单片帆

遥感设备

稳定平台图l遥感设备控制系统的组成

设备控制系统等组成，如图l所示：

2．1遥感设备：

uA vR sⅡ型无人机遥感监测系统采用c cD面阵数码相机和ccD摄录视频系统作为其遥感设备。主要优势有：

(1)数码相机可以直接获取便于计算机处理、存储、传输的数码影像，本系统采用大面阵c【m(3K*2K)数码相机作为遥感设备直接获取数码影像，为遥感数据的快速处理提供了有利的保障，适应无人机遥感监测机动快速的特点。

(2)数码相机的存储量大。由于无人机搭载的是小型的遥感设备，其特点是像幅较小，成像效率较低，需要通过缩短曝光间隔、增加航线的办法提高航向和旁向重叠度

收稿日期：2003～0730来弥补这一缺陷，实践证明这种方法是有效的。

(3)数码相机在彩色深度(大于12h￡)，感光度(感光度可达I s o400—16以上，因而可在较弱光照下拍摄)和曝光时间(可选l／8000s)等方面的优势利于航空摄影。中国侧绘科学研究院在数字威海项目中成功的以无人飞行器搭载数码相机进行倾斜摄影获取城市地物的丰富的纹理信息，为城市三维模型的快速、准确建立提供了大量全面的数码影像。

2．11数码相机的选型及检校

(1)选型：为满足遥感监测系统的特殊需要．数码相机的选型须小型化，相机的设置和镜头需要达到专业级，空间分辨率达到分米级并且需要具备较大的存储量。该系统选专业数码相机基本符台上述要求，在实际应用中取得了良好的效果。

(2)检校：采用室内检校的方法对数码相机进行了检校，虽然ccD相机在原理和方法上较之腔片相机有很大的区别，但在检校的内容和方法上．两者都是相似的。检校的内容分为以下几个方面：

①内方位元素主点位置(z。．yo)与主距(，)的测定；

②外方位元素直线元素(K．乩．z。)和角元素(9，∞，K)的测定；

③光学畸变系数包括径向畸变项(*-，*：，…)和偏心畸变项(声l，p2)的测定；

④像点坐标改正的模型是：。方向：。(^女＆)= q规月蚍。B十K t。(。‘慢*值)一20)*r2；y方向：y(^女*)=，【m*值)，o十K1*(y(m dⅢ)一yo)*一；其中r‘2(。(m■噜)。o)。+【y(m■Ⅲ)～，o)。。

21．2稳定平台：

通过对无人机试验飞行时的姿态数据进行分析，在侧风小于4级情况下，飞行控制系统可以控制无^机沿测线直线飞行时的横滚角、俯仰角一般不大于3。，所以u A V R s 一Ⅱ型无人机遥感监测系统利用无人机飞控系统的姿态稳

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定控制的同时采用单轴稳定平台修正偏流角。也就是说，通过对飞控系统控制参数的设置，无人机沿测线平飞、摄影时的姿态角(横滚角和俯仰角)控制精度町以满足常规遥感监测任务的精度指标．偏流角引起的遥感影像的系统偏差则使用单轴稳定平台进行修正。单轴稳定平台由支架和一个能够水平转动的内环组成，内环的转动通过滚珠轴承实现，由高性能的大扭力电机驱动，转动量取决于无人机偏流角，由遥感设备和稳定平台控制系统输入。

2．2遥感设备和稳定平台自动控制系统

遥感设备控制系统的主要功能是管理、控制遥感设备和稳定平台。其核心是遥感设备和平台控制系统。其硬件电路和软件是白行开发的。

2．21硬件结构和软件设计流程(如图2所示)

图2遥畦设备自动化控制系统的组成、、≮KJr

调用显求模块|I调用数据处理模块

T

l调用键盘查询模块l

■

圈3软件设计流程

22．2该系统的软件实现：

整个程序采用c51编写，有六个主要模块组成：初始化模块、显示模块、键盘查询模块、E2PR oM的读数据模块、写数据模块、数据处理模块等。另外还有三个中断程序处理模块，分别是：串口处理程序、定时器O处理程序、定时器2处理程序。软件设计流程如图3所示。

初始化模块：将定时器l作为波特率发生器，设置通讯的波特率、桢格式等，并设置定时器0及定时器2为定时器方式，利用它们的溢出中断产生一定的时序，来控制相机和输出Pw M信号，并调用读的模块，读出设定的航向重叠度、焦距值以备在将来的计算中使用。

(1)显示模块则控制码管的段选和位选，并利用人眼的滞留特性，在设定状态下利用定时器01；断刷新显示实现显示功能。为降低功耗，在运行状态下关闭显示功能。

(2)键盘的查询模块：判断递增键、移位键、确认键的按下，在判断键按下时，加人去抖延时；并对相应的按下操作进行处理。

(3)读出数据及写入数据模块：本系统采用的E2PR O M是M A x25045．该芯片集复位、看门狗、E2PR()M功能于一身，采用串行输入、读出的方式，程序中将读出数据、写人数据的操作作为两个独立的模块，方便调用与调试。

(4)数据处理模块：

该模块对从飞控计算机系统经串口传输的一帧数据进行处理，利用定时器O产生不同的时序控制两个继电器，从而控制相机对焦、快门的开和关。定时器0的定时时间设定为20m s，设置计数器来控制对焦时间、曝光时间、两次曝光的间隔，并置相应的时间到标志。

①计算曝光间隔

设曝光间隔为T，航高为H，地速为v，重叠度为尸．S为影像的大小(像素)，焦距为F(像素)。

下：旦兰苎兰!!二￡2

F×V

根据飞机飞行时的高度，实时计算曝光间隔。相机检校的结果．主距和主点的单位都是像素，所以把像素换算成毫米为单位要乘以每个像素的大小。

②稳定平台的控制：对稳定平台进行控制，使得相机的方向始终与预置的航线方向一致。舵机的控制信号为周期是20m s的脉宽调制(Pw M)信号．其中脉冲宽度从1．0n“2．O m s。稳定平台的转动范围正、负30度，呈线性变化。舵机内部有一个基准电路．产生周期20m s，宽度1．5m s的基准信号，有一个比较器．将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。89c52有定时器T2，我们就用它来产生周期20m s的脉冲信号，根据需要．改变输出脉宽。系统采用的晶振频率为11．0592M，89c52一个时钟周期为12个晶振周期，正好是12／1l。0592us，计数器每隔12／11．0592us计一次数。先设定脉宽的初始值PA-T I M E，程序中初始为PA．T I M E= 1500us，在主程序中根据飞控系统通过串口输入的航向角、磁航向角(机头方向)计算偏流角即D I FF A N G LE=航向角一磁航向角。根据偏流角计算的高位脉宽PA_T I M E= (1．5+(0．5／30)×D I FF—A N G LE)×1000us，设定计数器计数初始值高位l唧1一h=PA_TI M E／256．100pl—I=PA—TIM E％256；同时计算低位脉宽的汁数器的初始值1。o p2．h =(2000一P A—T I M E)／256，l oop2l=(2000一P A T I M E)％256。

另外，舵机的转动需是要时间的，因此，程序中舵机的变化不能太快．不然舵机跟不上程序。根据需要，可以选择合适的分段，将偏流角的变化用一个递增循环来体现，可以让舵机很流畅地转动，而不会产生像步进电机一样的脉动。

3结论

我们自行开发的这套无人机遥感设备的自动化控制系统已经成功应用于uA vR s 一Ⅱ型无人机低空遥感监测系