一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，采用多鏡頭多探測器分光方式，利用管理控制器對探測器組執(zhí)行同步曝光策略，實現(xiàn)目標區(qū)域在不同譜段下的同時成像，并通過機上存儲單元對圖像數(shù)據(jù)及飛行輔助數(shù)據(jù)打包、存儲；通過取景器，對目標區(qū)域拍攝的圖像進行實時傳輸至地面工作站；另外，通過穩(wěn)定控制模塊從方位軸及橫滾軸對系統(tǒng)進行兩軸方向的姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)系統(tǒng)垂視或傾斜成像，消除飛機振動擾動，消除飛機側(cè)飛、橫滾時對拍攝航跡的影響，并使拍攝區(qū)域中軸線始終平行于航跡。該系統(tǒng)采用輕小化、集成化設(shè)計，適合搭載于輕小型無人機，適用于農(nóng)林業(yè)監(jiān)測、水污染監(jiān)測、智慧城市規(guī)劃建設(shè)、緝毒、應(yīng)急救災(zāi)等民用領(lǐng)域，有利于監(jiān)測動態(tài)目標。
【專利說明】一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，集多光譜成 像、存儲、穩(wěn)定控制于一體，適合于輕小型無人機航空多光譜遙感成像領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 輕小型無人機遙感因高時效、高分辨率等性能，應(yīng)用日益廣泛，對載荷多樣化需求 增大，多光譜相機成為一種新的發(fā)展方向。航空飛行環(huán)境如側(cè)風、振動等因素通常會對多光 譜遙感圖像質(zhì)量造成極大影響。另外，由于輕小型無人機對于載荷的尺寸重量要求高，受無 線傳輸設(shè)備帶寬的拘束，對數(shù)字圖像機上存儲提出了新要求，多種因素均限制了多光譜相 機在航空遙感領(lǐng)域的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種無人機載輕小型自 穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，集多光譜成像、存儲、穩(wěn)定控制于一體，可實現(xiàn)不同波段圖像同 時成像及存儲，大大減小多光譜成像設(shè)備體積及重量，適合搭載于輕小型無人機，實現(xiàn)多光 譜相機垂視或傾斜成像，并解決飛機振動擾動對圖像拖尾模糊的問題，消除飛機受風力等 因素側(cè)飛時對拍攝航跡的影響，使拍攝區(qū)域中軸線始終平行于航跡。具有垂視及斜視慣性 穩(wěn)定成像、自動加載圖像P0S信息的功能和分辨率高、重量輕，體積小的特點。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，包 括：管理控制模塊、穩(wěn)定控制模塊、存儲控制模塊、輔助數(shù)據(jù)接收模塊、電源模塊、數(shù)傳設(shè)備、 取景器和成像單元；
[0005] 電源模塊給管理控制模塊、穩(wěn)定控制模塊、存儲控制模塊、輔助數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù) 傳設(shè)備、取景器和成像單元供電；
[0006] 管理控制模塊通過數(shù)傳設(shè)備接收地面測控站的指令信息，設(shè)置取景器的工作模式 和工作起停時間，并通過數(shù)傳設(shè)備將取景器獲取的目標區(qū)域的視頻信息傳輸給地面測控站；
[0007] 輔助數(shù)據(jù)接收模塊通過慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)獲取無人機的飛行輔助信息并將飛行 輔助信息傳輸給穩(wěn)定控制模塊，穩(wěn)定控制模塊接收管理控制模塊的控制指令，然后根據(jù)接 收到的飛行輔助信息完成無人機的姿態(tài)校正；所述飛行輔助信息包括無人機的經(jīng)度、緯度、 高度、方位角、橫滾角、俯仰角、飛行速度和飛行方向；
[0008] 管理控制模塊按照預(yù)先設(shè)定的曝光策略控制成像單元進行曝光，產(chǎn)生存儲同步觸 發(fā)信號，并將從穩(wěn)定控制模塊同步接收的飛行輔助信息傳輸給存儲控制模塊；
[0009] 成像單元采用多鏡頭多探測器分光方式進行曝光，成像單元具有5個譜段，譜段 預(yù)先進行配置，分別為紅、綠、藍、近紅外和全色；成像單元將曝光后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給存儲 控制模塊；
[0010] 存儲控制模塊從成像單元接收圖像數(shù)據(jù)，并接收管理控制模塊發(fā)送的存儲同步觸 發(fā)信號，接收到的圖像數(shù)據(jù)通過存儲控制模塊中的FPGA整理時序后進入存儲控制模塊中 的緩存電路SDRAM ;存儲控制模塊同時接收管理控制模塊傳輸?shù)娘w行輔助信息，當一幀圖 像數(shù)據(jù)接收完成時，存儲控制模塊中的FPGA將緩存電路SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)讀出并與飛行 輔助信息打包，存入CF卡介質(zhì)中。
[0011] 所述穩(wěn)定控制模塊接收管理控制模塊的控制指令，然后根據(jù)接收到的飛行輔助信 息完成無人機的姿態(tài)校正，具體為：
[0012] 穩(wěn)定控制模塊從輔助數(shù)據(jù)接收模塊獲得無人機偏航角α及航跡角β，無人機航 跡偏角S為偏航角α及航跡角β的夾角，g卩δ = α-β，穩(wěn)定控制模塊根據(jù)解算出的δ， 產(chǎn)生PWM信號,驅(qū)動方位舵機在方位軸轉(zhuǎn)動-δ，所述偏航角α為方位角，航跡角β為飛行 方向；
[0013] 穩(wěn)定控制模塊從輔助數(shù)據(jù)接收模塊獲得無人機橫滾偏移量Θ，產(chǎn)生PWM信號，驅(qū) 動方位舵機在橫滾軸轉(zhuǎn)動-Θ，所述橫滾偏移量Θ為橫滾角。
[0014] 所述成像系統(tǒng)5個譜段之間相互獨立，每個譜段具有獨立的成像單元。
[0015] 所述穩(wěn)定控制模塊采用舵機作為驅(qū)動元件，分別通過方位舵機和橫滾舵機帶動方 位軸及橫滾軸進行兩軸方向的轉(zhuǎn)動。
[0016] 所述曝光策略，具體為：
[0017] 根據(jù)公式DN = (L*tint*G/F2) *C設(shè)定tint，使得DN達到預(yù)設(shè)值，式中，DN為拍攝圖 像的灰度，L為輻亮度計測量得到的當前輻亮度，F(xiàn)為光圈，且F為定值，tint為積分時間，G 為增益，且G設(shè)定為相機允許的最小增益值；C為經(jīng)驗值，C的取值范圍為：0. 1?0. 9。
[0018] 當tint = tmax，若DN仍不能達到預(yù)設(shè)值，則增大G，滿足曝光量要求，其中，tmax為不 引起像移時各譜段允許最大的積分時間，t max = (p/n)*(l/f)*(H/V)，其中p為像元尺寸，η 為對像移的約束條件，且η為常數(shù)，f為焦距，V為無人機速度，Η為高度。
[0019] 存儲控制模塊中的FPGA將緩存電路SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)讀出并與飛行輔助信息 打包，具體為：
[0020] 存儲控制模塊中的FPGA將緩存電路SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)讀出并與飛行輔助信息 按照表1中所示的幀結(jié)構(gòu)進行打包，所述N為一幀圖像數(shù)據(jù)量；
[0021] 表 1
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，其特征在于包括：管理控制模 塊、穩(wěn)定控制模塊、存儲控制模塊、輔助數(shù)據(jù)接收模塊、電源模塊、數(shù)傳設(shè)備、取景器和成像 單元； 電源模塊給管理控制模塊、穩(wěn)定控制模塊、存儲控制模塊、輔助數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)傳設(shè) 備、取景器和成像單元供電； 管理控制模塊通過數(shù)傳設(shè)備接收地面測控站的指令信息，設(shè)置取景器的工作模式和工 作起停時間，并通過數(shù)傳設(shè)備將取景器獲取的目標區(qū)域的視頻信息傳輸給地面測控站； 輔助數(shù)據(jù)接收模塊通過慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)獲取無人機的飛行輔助信息并將飛行輔助 信息傳輸給穩(wěn)定控制模塊，穩(wěn)定控制模塊接收管理控制模塊的控制指令，然后根據(jù)接收到 的飛行輔助信息完成無人機的姿態(tài)校正；所述飛行輔助信息包括無人機的經(jīng)度、緯度、高 度、方位角、橫滾角、俯仰角、飛行速度和飛行方向； 管理控制模塊按照預(yù)先設(shè)定的曝光策略控制成像單元進行曝光，產(chǎn)生存儲同步觸發(fā)信 號，并將從穩(wěn)定控制模塊同步接收的飛行輔助信息傳輸給存儲控制模塊； 成像單元采用多鏡頭多探測器分光方式進行曝光，成像單元具有5個譜段，譜段預(yù)先 進行配置，分別為紅、綠、藍、近紅外和全色；成像單元將曝光后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給存儲控制 模塊； 存儲控制模塊從成像單元接收圖像數(shù)據(jù)，并接收管理控制模塊發(fā)送的存儲同步觸發(fā)信 號，接收到的圖像數(shù)據(jù)通過存儲控制模塊中的FPGA整理時序后進入存儲控制模塊中的緩 存電路SDRAM ;存儲控制模塊同時接收管理控制模塊傳輸?shù)娘w行輔助信息，當一幀圖像數(shù) 據(jù)接收完成時，存儲控制模塊中的FPGA將緩存電路SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)讀出并與飛行輔助 信息打包，存入CF卡介質(zhì)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，其特征在 于：所述穩(wěn)定控制模塊接收管理控制模塊的控制指令，然后根據(jù)接收到的飛行輔助信息完 成無人機的姿態(tài)校正，具體為： 穩(wěn)定控制模塊從輔助數(shù)據(jù)接收模塊獲得無人機偏航角α及航跡角β，無人機航跡偏角 S為偏航角α及航跡角β的夾角，即δ = α-β，穩(wěn)定控制模塊根據(jù)解算出的δ，產(chǎn)生PWM 信號，驅(qū)動方位舵機在方位軸轉(zhuǎn)動-δ,所述偏航角α為方位角，航跡角β為飛行方向； 穩(wěn)定控制模塊從輔助數(shù)據(jù)接收模塊獲得無人機橫滾偏移量Θ，產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動方 位舵機在橫滾軸轉(zhuǎn)動-Θ，所述橫滾偏移量Θ為橫滾角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，其特征在 于：所述成像系統(tǒng)5個譜段之間相互獨立，每個譜段具有獨立的成像單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng),其特征 在于：所述穩(wěn)定控制模塊采用舵機作為驅(qū)動元件，分別通過方位舵機和橫滾舵機帶動方位 軸及橫滾軸進行兩軸方向的轉(zhuǎn)動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，其特征 在于：所述曝光策略，具體為： 根據(jù)公式DN = (L*tint*G/F2) *C設(shè)定tint，使得DN達到預(yù)設(shè)值，式中，DN為拍攝圖像的 灰度，L為輻亮度計測量得到的當前輻亮度，F(xiàn)為光圈，且F為定值，tint為積分時間，G為增 益，且G設(shè)定為相機允許的最小增益值；C為經(jīng)驗值，C的取值范圍為：0. 1?0. 9。 當tint = tmax，若DN仍不能達到預(yù)設(shè)值，則增大G，滿足曝光量要求，其中，tmax為不引起 像移時各譜段允許最大的積分時間，t_ = (p/n)*(l/f)*(H/V)，其中p為像元尺寸，η為對 像移的約束條件，且η為常數(shù)，f為焦距，V為無人機速度，Η為高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無人機載輕小型自穩(wěn)定航空多光譜成像系統(tǒng)，其特征 在于：存儲控制模塊中的FPGA將緩存電路SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)讀出并與飛行輔助信息打 包，具體為： 存儲控制模塊中的FPGA將緩存電路SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)讀出并與飛行輔助信息按照 表1中所示的幀結(jié)構(gòu)進行打包，所述N為一幀圖像數(shù)據(jù)量； 表1
【文檔編號】G01J3/28GK104154997SQ201410340415
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】王麗, 高碩 , 王志凱, 姚毅剛, 吳春楠, 林招榮, 李林鵬, 張躍東, 王哲, 張緒國 申請人:北京空間機電研究所