黃克明 張明義 趙溫波 劉發(fā)磊

（解放軍陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

近年來，以無人機為飛行平臺攜帶數(shù)碼相機或成像光譜儀進行低空遙感航拍技術(shù)越來越受到重視，發(fā)展迅速。該技術(shù)可廣泛應用于國防軍事、低空遙感、資源勘探、森林消防、水源檢測、電力巡線、災害評估、人員搜救等各個領(lǐng)域，經(jīng)過多次實踐檢驗，其應用效果受到廣泛贊譽［1～3］。

無人機遙感航拍攝正射影像圖時，要求航拍相機的CCD感光面必須與地面保持平行，即相機拍攝到照片的中心點的坐標和航拍相機CCD感光面坐標保持一致。同時要求同步獲取成像時的六種外方位（POS）數(shù)據(jù)［4～5］，包括三軸姿態(tài)、三維位置等，為航拍后期圖像的校正、融合、拼接等處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于中小型無人機載荷能力限制，航拍相機與量測型相機在拍攝方式和后期處理上都與傳統(tǒng)的航空攝影測量有所不同［6～8］，無法直接提供POS數(shù)據(jù)。針對目前的實際狀況，通常這些數(shù)據(jù)由無人機載飛控計算機間接提供。由于無人機的位置和姿態(tài)傳感器安裝位置距離相機較遠、相機安裝時存在角度偏差等原因，飛控計算機給出的POS數(shù)據(jù)并不能精確反應出曝光時相機的實際位置和姿態(tài)，因此會極大影響后期的圖像處理。

針對上述問題，本文研究利用ARM為核心控制處理器，通過在遙感航拍相機上設(shè)置姿態(tài)、位置傳感器，在控制相機曝光同時，同步記錄其POS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)圖像和POS數(shù)據(jù)的嚴格對應，為后期的圖像拼接處理提供同步數(shù)據(jù)。

2 無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)硬件設(shè)計［9～10］

無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)硬件方案如圖1所示。系統(tǒng)組成主要包括航拍相機接口、航拍控制指令輸入接口、GPS模塊、航姿儀（AHRS）模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊、航拍云臺接口以及電源模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊以意法半導體（ST）的STR711微控制器為核心［11］。STR711是片上集成Flash和RAM的微控制器。它基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核，該系列中的所有器件都包含片上高速單電壓Flash存儲器和高速RAM存儲器。由于內(nèi)嵌ARM內(nèi)核，所以STR71x與所有的ARM工具和軟件兼容。由于STR71x擁有豐富的外設(shè)和增強的I／O功能，共有四個串口，完全滿足本系統(tǒng)應用需求。

圖1 系統(tǒng)組成

航拍指令輸入接口接收無人飛行器或遙控接收機指令并識別，判斷是否開始拍攝或停止拍攝；航拍相機接口輸出PWM信號給航拍相機按照設(shè)定的拍攝時間間隔進行拍攝或停止拍攝；可在飛行前根據(jù)具體飛行速度和高度預先設(shè)定控制航拍相機曝光時間間隔。AHRS和GPS測量航拍相機的三維位置經(jīng)度、維度、高度、速度、俯仰角、橫滾角和航向角以及工作時間等參數(shù)并把測量的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊；控制相機曝光時，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)AHRS和GPS模塊提供的相機姿態(tài)位置數(shù)據(jù)，一方面通過板載存儲模塊進行實時存儲，另外通過伺服云臺接口控制相機，使相機始終處于正射狀態(tài)；電源模塊為系統(tǒng)各模塊提供穩(wěn)定電源。系統(tǒng)也可通過通信模塊接受曝光控制時間、曝光間隔等參數(shù)，也可輸出相機曝光的各種POS參數(shù)。

3 無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)軟件設(shè)計

無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)軟件采用C語音編寫，軟件流程如圖2所示。

系統(tǒng)加電以后進行初始化，包括系統(tǒng)初始化，SD卡文件系統(tǒng)初始化，GPS和AHRS初始化。初始化完成以后，數(shù)據(jù)處理模塊獲取GPS和AHRS數(shù)據(jù)，計算俯仰和橫滾角偏差，并輸出偏差給航拍云臺，驅(qū)動云臺使相機軸心向下垂直成正射狀態(tài)。當航拍指令輸入接口接收到指令后，數(shù)據(jù)處理模塊判斷是否是航拍相機曝光指令。如果不是，則繼續(xù)等待；如果是，則獲取曝光時間間隔設(shè)置，通過航拍相機接口輸出曝光指令到航拍相機快門，控制相機快門按設(shè)定間隔曝光，同時記錄曝光的序列、時間、位置、速度、姿態(tài)等外方位數(shù)據(jù)，并寫入SD存儲模塊進行存儲。當接收到停止曝光指令后，則停止相機曝光，程序結(jié)束，否則返回。

圖2 程序流程圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)及試驗

采用上述設(shè)計后，最終無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)實物如圖3所示。

系統(tǒng)具備以下功能：

1）可利用遙控接收機一個通道連接接收機，自動識別接收機遙感拍攝信號。

2）可利用一個開關(guān)通道連接自動駕駛儀，利用地面站通過自動駕駛儀控制航拍，距離更遠。

3）可利用無線數(shù)傳電臺串口直接發(fā)送航拍控制信號給控制器，控制內(nèi)容包括拍攝指令、時間間隔等，控制器可利用串口自動向地面送航拍數(shù)據(jù)。

4）按設(shè)定控制遙感航拍相機接進行拍攝；根據(jù)具體飛行速度和高度設(shè)定拍攝時間間隔：預設(shè)8個，分別是1／3、1／2、3／4、1、1.5、2、2.5、3s。

5）控制器通過快門連接線和遙感航拍相機相接相連。

圖3 系統(tǒng)實物圖

6）標準遙感數(shù)據(jù)包括：航片序列、拍攝時間、經(jīng)度、緯度、高度、俯仰角、橫滾角、航向角，為遙感航片后期處理提供全部數(shù)據(jù)。

7）遙感數(shù)據(jù)可利用板載存儲模塊SD卡存儲，也可利用串口直接傳輸?shù)降孛嬲尽?/p>

8）利用控制器姿態(tài)傳感器反饋數(shù)據(jù)控制遙感云臺、使遙感航拍相機始終處于正射狀態(tài)，為遙感應用提供高質(zhì)量航拍和航測數(shù)據(jù)，方便后期數(shù)據(jù)處理。

2011年10月在安徽滁州地區(qū)進行了多次無人機機載實際飛行試驗，驗證了無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)性能，圖4為部分試驗圖片，表1為部分試驗數(shù)據(jù)。

圖4 部分遙感航拍試驗圖像

表1 試驗記錄數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文提出了一種小型無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)可接受遙感航拍控制指令，調(diào)整航拍云臺處于正射姿態(tài)，控制相機按設(shè)定曝光間隔進行曝光，同時利用GPS模塊、AHRS模塊獲得相機曝光時的序號、時間、位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)并存儲，為航拍后期圖像處理提供必要的POS數(shù)據(jù)。本文設(shè)計無人機遙感數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)體積小，重量輕，接口簡單，5V供電，非常適合無人機等無人飛行器低空遙感航拍使用。

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