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航拍

本文发布时间: 2019-Jan-06
本文内容:

航拍又稱空中攝影或航空攝影,是指從空中拍攝地球地貌,獲得俯視圖,此圖即為空照圖。航拍的攝像機可以由攝影師控制,也可以自動拍攝或遠程控制。航拍所用的平臺包括航空模型、飛機、直升機、熱氣球、小型飛船、火箭、風箏、降落傘等。為了讓航拍照片穩定,有的時候會使用如Spacecam等高級攝影設備,它利用三軸陀螺儀穩定功能,提供高質量的穩定畫面,甚至在長焦距鏡頭下也非常穩定。 航拍圖能夠清晰的表現地理形態,因此除了作為攝影藝術的一環之外,也被運用於軍事、交通建設、水利工程、生態研究、城市規劃等方面。
中文名 航拍 外文名 Aerial photograph 概    述 稱空中攝影或航空攝影 起源用途 實現航拍的攝影師和氣球駕駛者 硬    件 傳感器 飛行裝備 軟    件 通訊程序 其他 工作過程 共8路電壓數據需要采集

作為固定翼飛機,不需要自動降落的情況下,只需要前3種傳感器,共8路電壓數據需要采集。為了獲得高精度,可以采用8路16位的AD芯片來采數據,將AD和傳感器一起做成一個組件,便於以後升級處理時,只需要更換底板(這就是UP10到UP20升級的思路)。根據AD的輸出接口選擇和CPU連接,可以是UART、SPI、I2C。
GPS通常都是串口通訊的,因此可以將它和CPU的一個串口連接,而CPU的另外一個串口通常與數傳電臺或者直接與地面站計算機連接,以便飛控和地面站雙向通訊,傳遞設置參數、航線數據等給飛控,而飛控將飛行數據向地面站傳輸。
CPU再富余的IO口可以用作一些任務操作,比如停發動機,照相控制,任務設備電平監控,任務設備控制等。
如果感覺CPU的eeprom存取速度慢,存儲量小,可以外擴flash、eeprom等等存儲器,也可以通過SPI、I2c等接口。這些外部存儲器可以用來存儲飛行數據,也可以存儲一些諸如照片POS數據類型的任務數據。
在PCB的設計過程中,一定要把高頻部分、低頻部分分開,避免減少電磁幹擾等情況的出現,采用多層板也對解決電磁兼容性問題帶來幫助。
獲取數據
對於飛行控制方法問題上取決於獲取的數據。如果只是簡單獲得了飛機的角速率和加速度計信號等原始數據,控制方法只能采取某些飛控采取的間接姿態控制方法,也就是說在俯仰控制上采用控制空速的方法,角速率只用於阻尼增穩作用;在方向控制上采用轉彎角速率控制方式。控制外環是高度和GPS導航航向。這種控制方法得到的飛機控制精度不算很好,特別是高度容易出現波動。但是控制了飛機的穩定的最核心,所以飛行還算是安全的。
如果能夠采取一些計算方法獲取飛機的姿態角,pitch,roll,heading,那麽控制方法就變為姿態控制了。采用姿態控制時,內環變成了副翼控制飛機的轉彎坡度和升降舵控制飛機的俯仰角度(加一定的限制)。這種控制是飛機最正確的控制方式,因此其控制精度是相當高的,穩定性也增強很多。但是這種計算方法很復雜,都是浮點數矩陣運算,對CPU的運算能力要求很高,所以需要引入ARM、DSP等32位浮點運算能力很強的處理器。UP20中增加了ARM專門用於飛行姿態計算,並將計算出來的姿態數據交給UP10,而UP10原來的功能絲毫不受影響。如果全新設計飛控則UP10前面所進行的所有飛行試驗就白費了。
PID控制內環通常采用20Hz以上就足夠了,外環通常4~6Hz就足夠了,再快已經沒有多大的意義。對於PID參數最好能夠通過與地面站的無線通訊實現,這對於飛行時的PID參數調整會帶來極大的方便,盡量減少飛機的起落次數。

很多朋友跟我一談起做航拍飛控需要硬件就是ARM、DSP、FPGA,就我多年來設計老一代飛控以及UP10和UP20飛控感受,其實硬件並不需要多豪華多高級,能滿足功能需要,編程使用方便,功能接口全為首選,例如:UP10僅僅使用AVR單片機就完成了所有的功能,內置eeprom除了能完成各種設置以外,存航點數據也綽綽有余。內部的ram也能滿足使用需求(不要考慮使用操作系統)。這樣單片化能解決很多硬件間通訊、接口問題,增強了可靠性和易編程能力,也能使得飛控做的很小巧。
功能齊全的Timer能夠通過程序實現獲取接收機信號和輸出舵機信號的能力。大部分自制飛控的朋友都采用將自控舵機信號和接收機信號通過多路2選一開關芯片實現遙自控的切換,但是UP飛控直接獲取各路接收機信號,其目的是可以將來自遙控器的信號轉換為命令值,也就是使用遙控器實現指令控制,即RPV控制模式。
另外還有多余的Timer可以用作計數器,比如獲取發動機的轉速信息。總共的計時器很有限,必須合理分配和使用它們,有的還同時發揮多個作用。
單片機通常都自帶AD,但基本上最多到10位,並且頂多8~16通道,很多管腿的復用功能,使得你顧此失彼,無法直接用來獲取傳感器的信號,所以僅用空余的AD通道采集飛控和舵機的電池電池電壓是很合適的。
傳感器
1、AD公司的MEMS角速率傳感器ADXRS150或者ADXRS300,價格一樣,量程分別為150和300度/秒,國際上流行的小型飛控的首選陀螺,其精度能滿足小型無人機的飛行控制。數量上需要3個,分別對應3軸
2、AD公司的MEMS加速度傳感器ADXL202或者ADXL210,價格也一樣,量程分別為+-2g和+-10g,也是小型飛控的首選。數量需要2個,每個2軸,總共4軸,但是有一軸是重復的
3、氣壓高度傳感器和氣壓空速傳感器。兩個傳感器雖然都是氣壓傳感器,但是量程是有所區別的,作為高度傳感器的量程通常選用:15kpa~115Kpa。空速傳感器是差壓傳感器,其量程通常選用0~4Kpa,從而獲得比較高的分辨率。
4、如果要控制直升機、旋翼機等能懸停的飛機,還需要磁傳感器以獲取懸停或者低速運動時的機頭指向,固定翼飛機有一定飛行速度,這個傳感器不是必須的。
5、如果要做自動降落功能,還必須有超聲波傳感器等測量對地高度的傳感器。因為氣壓高度傳感器跟氣壓場有關系,所以經過一段時間氣壓場變化後,絕對高度將會不再準確,因此飛機在自動滑跑降落時必須在離地0.5米至1米的平飄需要測量相對地面高度的傳感器來完成。
飛行裝備
航拍利用的無人機航拍飛控是一個集單片機技術、航拍傳感器技術、GPS導航航拍技術、通訊航拍服務技術、飛行控制技術、任務控制技術、編程技術等多技術並依托於硬件的高科技產物,因此要能設計好一個飛控,缺少上面所述的任何一項技術都是不可能的,越多的飛行經歷和經驗能為設計初期提供很多避免出現問題的方法,使得試飛進展能夠更順利,要知道飛控的調試主要就是試飛,不比別的自控產品,試飛是高風險的,一旦墜機,硬件損壞,連事故原因都很難分析,就更難解決問題了。這也是成熟的、可靠的飛控很少的原因。
無人航拍最大的困難是飛機制作等復雜的技術難題。曾經有人因為要研究無人航拍,他自學鉆研了大半年的時間來改裝飛機。 沒有現成的航拍設備,他從市場上買來用於普通作業的小飛機,進行徹底改裝。“光搞懂遙控器,就花了一個月!”大半年以來,他早起幹活,每晚都工作到11點,常
常一坐就是七八個小時不動,“別人在公園散步的時候,我在工作室苦思冥想。”他一臉苦笑,“真的好累。”不過,他自己動手改裝的一款無人飛機目前已進入最後調試階段。有了飛機作保障,他相信更多好作品將會陸續誕生。


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2019-Apr-16 12:00am
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