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无人机航拍创新实践报告


创新实践报告

题 学

目: 院:

经济型航拍无人机系统(航拍系统) 测试与光电工程学院 电子科学与技术 10083134 程尹欣 张巍巍

专业名称: 班级学号: 学生姓名: 指导教师:

2013 年

5 月

经济型航拍无人机系

统(航拍系统)

摘要:

本系统是一种稳定、快速的经济型航拍无人机系统,系统总体包括:机体、 摄像机、OSD 模块、GPS 模块、数据发射和接收模块、电源模块、动力模块、遥 控设备和显示系统。本系统的特征是:选用了市场上廉价的 KT 板做机身材料, 采用合式组合结构和固定上单翼设计; 优化数据发射和接收模块、 GPS 模块和遥 控接收机的组合,将高度集成的微型摄像机、数据传输和 GPS 模块安装在机身, 显示系统通过数据接收机将航拍信息显示在显示屏,操作人员可在地面通过监 视屏幕掌握飞机的飞行状态和获取航拍信息,系统采用手抛式起飞。本系统的 优点是:机身制作简单,维修方便,价格低廉,既轻盈又坚固,飞行速度快, 并具有一定的载重能力,信号抗干扰性强,操作简单,实用方便。

关键词:

航空模型

视频采集与传输

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前言
随 着 今 年 国 家 的 各 项 政 策 决 议 ,无 人 机 航 拍 、遥 感 市 场 将 在 未 来 几年迎来跨越式发展的新契机。低端航拍无人机的应用,远不止航空 拍摄、航空摄影、航拍这么一点。随着用户的快速增长,目前航拍的 功能要求也逐渐增多,主要有对森林防火、地震调查、核辐射探测、 边 境 巡 逻 、应 急 救 灾 、农 作 物 估 产 、管 道 巡 检 、保 护 区 野 生 动 物 监 测 、 军事侦察、搭载航拍电子设备进行科研试验、海事侦察、保钓活动等 方 面 间 接 接 触 的 航 拍 应 用 需 求 。此 外 ,在 环 境 监 测 、大 气 取 样 、增 雨 、 资源勘探、禁毒,反恐、消防航拍侦察等方面,无人机航拍将大显身 手。西方发达国家主要采用料油缸、涡喷和涡扇发动机,玻璃钢、铝 合金、碳纤维等高新昂贵材料,先进的航电设备和高精航拍设备。 国 内 工 业 部 门 ( 包 括 院 所 和 航 空 、航 天 集 团 公 司 )研 制 的 无 人 机 技术高于民营企业,目前无人机在我国毕竟首要用于军事用途,所以 高空、高速、中远程、长航时、大载荷等类型的无人机,几乎全部是 由 航 空 集 团 、航 天 集 团 以 及 院 校 研 制 与 生 产 ,主 要 是 应 付 军 队 的 需 求 。 但随着国家信息化建设,地球信息技术产业发展,民用无人机市场会 逐渐得到重视,除了国内工业部门以外,更需要民营企业研发生产性 价 比 更 高 的 , 满 足 市 场 需 求 的 民 用 无 人 机 。成 本 拉 下 来 ,应 用 推 上 去 , 这是一个趋势。
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目前民用无人机航拍的缺点:市场不够规范,需要大量技术和资 金 投 入 。虽 然 目 前 民 用 无 人 机 的 研 制 生 产 确 实 还 没 有 明 确 的 骨 干 单 位 , 但包括贵航、 代电 子在内的一些国有集团公司已经开始往低端的民 时 用领域进军和扩展了。所以无人机行业无人机行业前景相当广阔,将 是 一 个 很 大 市 场 。据 中 国 企 业 经 济 信 息 网 的 研 究 报 告 预 测 ,今 后 10 年 内 民 用 无 人 机 市 场 的 销 售 额 可 达 10 亿 美 元 。无 论 是 军 用 还 是 民 用 ,无 人机都将朝着模块化、标准化、多样化和系列化的趋势发展,其应用 范围广泛,前景喜人。

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设计目的及设计要求

设计目的
1)利用航拍传感器技术、GPS 导航航拍技术、通讯航拍服务技术、飞行控制技 术、任务控制技术、编程技术等实现无人机航拍任务 2)学习并且应用,UP10 完成了传感器数据采集,GPS 信息获取,接收机信号 获取,舵机控制,与地面站通讯,飞行控制率计算,导航控制,任务控制等所 有功能。 3)养成根据需要选学参考书籍,查阅相关手册、图表和文献资料的自学能力。

设计内容
1)设计一个包含 GPS、动态图像采集、数据集成、数据发送、数据接收、数据 处理、数据输出的电路。 2)完成电路的功能测试,保证各独立功能的正常工作。

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航拍系统 基本元件
OSD 模块

在 CRT/LCD 显示器上,在显示器的荧幕中产生一些特殊的字形或图形, 让使用者得到一些讯息。常见于家用电视机或个人 PC 电脑之显示荧幕上,当 使用者操作电视机换台或调整音量、画质等,电视荧幕就会显示目前状态让使 用者知道,此控制 IC 可在荧幕上的任何位置显示一些特殊字形与图形,成为 人机界面上重要的讯息产生装置。 在此系统中, OSD 用于将 GPS 信息叠加于图传 系统传回的图像上。

GPS 模块

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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。由于大 气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距 (PR) :当 GPS 卫星正常工作时,会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码 (简称伪码)发射导航电文。GPS 系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y)码。C/A 码频率 1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距 1 微 秒,相当于 300m;P 码频率 10.23MHz,重复周期 266.4 天,码间距 0.1 微秒, 相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的,保密性能更佳。导航电文包括卫 星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是 从卫星信号中解调制出来,以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧 中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10 个字码;每三十秒重复一次,每小时更 新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、 3 数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取出卫星 时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文

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中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置, 用户在 WGS-84 大地坐标系 中的位置速度等信息便可得知。 GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报 未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的 广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化) 。 GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离, 由于含有接收机卫星 钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距, 精度约为 20 米左右,对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距,精度约为 2 米左右。 GPS 接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波 上的信息去掉后,就可以恢复载波。严格而言,载波相位应被称为载波拍频相 位,它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生 信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪, 就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是 不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处 理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度, 因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到 优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。 按定位方式,GPS 定位分为单点定位和相对定位(差分定位) 。单点定位就 是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测 量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接
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收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量 也可采用相位观测量, 大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据, 采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设 t 时刻在 地面待测点上安置 GPS 接收机,可以测定 GPS 信号到达接收机的时间△t,再加 上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。

数据收发模块
FPV 5.8G 200mW 400MW 无线图传收发系统是一款专门为航模开发的 8 通道 视频发射机,功率强劲,传输距离超群,具有很强的适应性,可支持 3S 锂电池 动力电输入,同时可以给摄像头供电。可以采用动力电的平衡端口供电。发射 机应用了大规模钽电容滤波电路,比传统的电解电容滤波有着不可比拟的精度 和性能,经在普通飞机到电直上的安装实验。图像 100%还原,绝不会有电流波 纹。同时发射机内置了微型 mic,做到了音频视频的同步传输,是航模用无线发
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射机领域的佼佼者。 发射机主要特点: - 5.8GHz 视频/音频同步传输①①①①①① - 紧凑结构,体积小,发射功率大- 采用大规模集成电路,可靠性高 - 8 个工作通道,DIP 开关选择设置 - 高可靠性、稳定性 - 使用数字锁相环电路,无温飘现象 400mw 的参数如下:

数据采集模块

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数据采集模块

USB2.0 带音频的视频采集棒, 它能够直接通过 USB 接口不需要声卡来采集 高质量的视频和音频。安装非常简单,不需要外接电源,可以用于电脑或者手 提。我们有附带专业的视频采集软件:绘声绘影 10.0 版本,能够为你提供最好 的编辑功能。可以分享完成的短片在 DVD,磁带,网页,移动电话等装置。可以 支持 VISTA/WINDOWS OS。 标准 USB2.0 接口,最新技术 USB AUDIO、立体声输入输出,输入接口有 AV
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及 S 端子,可在台式机或手提电脑上观看电视、录像机、VCD、DVD、摄像机等 设备输出的视频影像 详细规格: ◎ 支持 USB2.0,无需打开机箱,支持热插拔,支持笔记本电脑 ◎ 自行调整画面大小、最高分辨率可达 720×576,24 位真彩色 ◎ 最新技术 USB AUDIO、立体声输入输出 ◎ 图像亮度、对比度、饱和度、色度可自定义 ◎ 可捕捉高品质动态及静态画面,采集画面顺畅不间断 ◎ 输入接口有 AV 及 S 端子,可在台式机或手提电脑上观看录像、VCD、DVD、 摄像机等设备输出的视频影象 ◎ 支持 MPEG1/2 等多种实时压缩格式,方便制作 VCD/SVCD/DVD ◎ 兼容 WINDOW2000/XP,兼容 Direct8.1、9.0 系统需求: ①一个空闲的 USB2.0 端口 ②Windows 2000/XP ③Intel Pentium III 800 以上 ④600MB 的硬盘空间供程序安装,建议有 4GB 以上的硬盘空间,供软件存放影 片档案 ⑤内存:256 以上 ⑥屏幕显示分辨率至少是 1024X768
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高清摄像头
摄像头(CAMERA)是一种视频输入设备,被广泛的运用于视频会议,远程医 疗及实时监控等方面。普通的人也可以彼此通过摄像头在网络进行有影像、有 声音的交谈和沟通。另外,人们还可以将其用于当前各种流行的数码影像,影 音处理。

我们从摄像头的日常工作原理就可以列出摄像头的主要结构和组件:

1、 镜头。透镜结构,由几片透镜组成,有塑胶透镜或玻璃透镜。

2、 图像传感器。CCD,电荷耦合器件;CMOS,互补金属氧化物半导体

4、电源。摄像头内部工作电压:3.3V 和2.5V 两种。
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EFFIO-E 700线 FPV 摄像头参数说明: CCD 类型: 1/3 Sony 960H CCD Sensor 尺寸大小: 32mm*32mm 总像素: PAL: 1020H×596V (61万像) NTSC: 1020H×508V (52万像) 有效像素: PAL: 976H×582V (57万像) NTSC: 976H×494V (48万像) 信号制式: PAL/NTSC 分辨率(水平中心) 700TVL : 最低照度: 0.003LUX/F1.2 信噪比: ≥48dB 工作电压: DC12V±5%

显示系统
显示系统为笔记本电脑显示屏。

地面接收系统

14、飞行器遥控器

15、无线图传系统发射机

16 显示器(笔记本电脑)

系统集成(最终结果)
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心得体会
经过几个月的奋战,终于完成了这个创新实践项目,这段时间 我过的很充实,看着自己的劳动成果,心里有种说不出的感觉。毕 竟自己的努力还算有所回报,我为自己的努力感到自豪,当然我也 认识到了自己学习中的不足,看到了自己在运用知识方面欠缺. 我 想说:为完成这次创新实践,我们确实很辛苦,但苦中仍有乐。时 间对我们来说很宝贵,真是恨不得睡觉的时间也拿来用了。当自己 越过一个又一个难题时,笑容在脸上绽放。当我看到做的实物终于 完成并且通过学院答辩的时候,我乐了。对我而言,知识上的收获 重要,精神上的丰收更加可喜。从这次的整个任务来说,我不仅巩 固了课本的知识,还学到了许许多多其他的知识。我知道了每一个 模块之间是融会贯通的,可是自己的通信原理、电路知识没有学好, 于是就要重新翻书来确定自己的一些设计是否正确。 其次了解到团 队合作很重要,每个人都有分工,但是又不能完全分开来,还要合 作,所以设计的成败因素中还有团队的合作好坏。这次设计让我知 道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就, 人生就像在爬山,一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折 是一份财富,经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途 上一个非常美好的回忆!当然我的设计肯定有不足之处,希望老师 批评指正,下次一定会。

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致谢

在我负责的航拍系统中,有一些技术上的问题出现,在张巍巍老师的指导 下,问题都得到解决。在此感谢张巍巍老师的帮助,同时感谢团队中的卓儒盛、 王俊璋、陈熊飞同学,我们一起攻克难关,最终完成了这次系统的制作,并且 运用到了实物上面。

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参考文献:

1.王 细 洋 .航 空 概 论 [M].北 京 :航 空 工 业 出 版 社 , 2004. 2. 卢 江 丽 ; 孙 延 伟 ; 李 青 .航 模 动 力 及 飞 行 环 境 无 线 实 时 监 测 系 统 设 计 .中 国 学 术 期 刊 网 络 出 版 总 库 , 网 络 出 版 年 期 】 2009 年 01 期 . 【 3. 姜 立 中 . 二 通 道 航 模 遥 控 发 射 接 收 装 置 电 路 分 析 .Electronics World, 2000.中 国 学 术 期 刊 网 络 出 版 总 库 ,【 网 络 出 版 年 期 】 2009 年 01 期 . 4、 三 保 田 宪 人 .无 线 传 输 系 统 、 无 线 通 信 设 备 和 无 线 传 输 方 法 .中 国 专 利 全 文 数 据 库 . 主 分 类 号 H04B7/04. 专 利 分 类 号 H04B7/04;H04B1/38, 2011-04-27. 5、 河 村 拓 史 .无 线 电 传 输 系 统 和 电 子 装 置 .中 国 专 利 全 文 数 据 库 . 主 分 类 号 H04B7/00 专 利 分 类 号 H04B7/00,2011-01-26. 6、 单 洁 .K9MDG08U5M 在 航 拍 相 机 中 的 应 用 .中 国 学 术 期 刊 网 络 出 版 总 库 ,【 网 络 出 版 年 期 【 网 络 出 版 年 期 】 2010 年 03 期 7、 何 亮 .低 成 本 SINS/GPS 导 航 系 统 硬 件 平 台 设 计 ,中 国 学 术 期 刊 网 络 出 版 总 库 , 网 络 出 版 年 期 】 2009 年 30 期 . 【 8、M·乔 丹 ;A·克 莱 因 ;L·施 米 特 ;I·维 林 ,控 制 无 线 电 传 输 的 方 法 . 中 国 专 利 全 文 数 据 库 . 专 利 分 类 H04B7/06. 专 利 分 类 号 H04B7/06;H04Q7/38,2007-09-26.

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