一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统的制作方法
【专利摘要】一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，采用多镜头多探测器分光方式，利用管理控制器对探测器组执行同步曝光策略，实现目标区域在不同谱段下的同时成像，并通过机上存储单元对图像数据及飞行辅助数据打包、存储；通过取景器，对目标区域拍摄的图像进行实时传输至地面工作站；另外，通过稳定控制模块从方位轴及横滚轴对系统进行两轴方向的姿态调整，实现系统垂视或倾斜成像，消除飞机振动扰动，消除飞机侧飞、横滚时对拍摄航迹的影响，并使拍摄区域中轴线始终平行于航迹。该系统采用轻小化、集成化设计，适合搭载于轻小型无人机，适用于农林业监测、水污染监测、智慧城市规划建设、缉毒、应急救灾等民用领域，有利于监测动态目标。
【专利说明】一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统
【技术领域】
[0001] 本发明专利涉及一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，集多光谱成 像、存储、稳定控制于一体，适合于轻小型无人机航空多光谱遥感成像领域。
【背景技术】
[0002] 轻小型无人机遥感因高时效、高分辨率等性能，应用日益广泛，对载荷多样化需求 增大，多光谱相机成为一种新的发展方向。航空飞行环境如侧风、振动等因素通常会对多光 谱遥感图像质量造成极大影响。另外，由于轻小型无人机对于载荷的尺寸重量要求高，受无 线传输设备带宽的拘束，对数字图像机上存储提出了新要求，多种因素均限制了多光谱相 机在航空遥感领域的发展。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无人机载轻小型自 稳定航空多光谱成像系统，集多光谱成像、存储、稳定控制于一体，可实现不同波段图像同 时成像及存储，大大减小多光谱成像设备体积及重量，适合搭载于轻小型无人机，实现多光 谱相机垂视或倾斜成像，并解决飞机振动扰动对图像拖尾模糊的问题，消除飞机受风力等 因素侧飞时对拍摄航迹的影响，使拍摄区域中轴线始终平行于航迹。具有垂视及斜视惯性 稳定成像、自动加载图像P0S信息的功能和分辨率高、重量轻，体积小的特点。
[0004] 本发明的技术解决方案是：一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，包 括：管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、电源模块、数传设备、 取景器和成像单元；
[0005] 电源模块给管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、数 传设备、取景器和成像单元供电；
[0006] 管理控制模块通过数传设备接收地面测控站的指令信息，设置取景器的工作模式 和工作起停时间，并通过数传设备将取景器获取的目标区域的视频信息传输给地面测控站；
[0007] 辅助数据接收模块通过惯性组合导航系统获取无人机的飞行辅助信息并将飞行 辅助信息传输给稳定控制模块，稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接 收到的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正；所述飞行辅助信息包括无人机的经度、纬度、 高度、方位角、横滚角、俯仰角、飞行速度和飞行方向；
[0008] 管理控制模块按照预先设定的曝光策略控制成像单元进行曝光，产生存储同步触 发信号，并将从稳定控制模块同步接收的飞行辅助信息传输给存储控制模块；
[0009] 成像单元采用多镜头多探测器分光方式进行曝光，成像单元具有5个谱段，谱段 预先进行配置，分别为红、绿、蓝、近红外和全色；成像单元将曝光后的图像数据传输给存储 控制模块；
[0010] 存储控制模块从成像单元接收图像数据，并接收管理控制模块发送的存储同步触 发信号，接收到的图像数据通过存储控制模块中的FPGA整理时序后进入存储控制模块中 的缓存电路SDRAM ;存储控制模块同时接收管理控制模块传输的飞行辅助信息，当一帧图 像数据接收完成时，存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行 辅助信息打包，存入CF卡介质中。
[0011] 所述稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信 息完成无人机的姿态校正，具体为：
[0012] 稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机偏航角α及航迹角β，无人机航 迹偏角S为偏航角α及航迹角β的夹角，g卩δ = α-β，稳定控制模块根据解算出的δ， 产生PWM信号,驱动方位舵机在方位轴转动-δ，所述偏航角α为方位角，航迹角β为飞行 方向；
[0013] 稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机横滚偏移量Θ，产生PWM信号，驱 动方位舵机在横滚轴转动-Θ，所述横滚偏移量Θ为横滚角。
[0014] 所述成像系统5个谱段之间相互独立，每个谱段具有独立的成像单元。
[0015] 所述稳定控制模块采用舵机作为驱动元件，分别通过方位舵机和横滚舵机带动方 位轴及横滚轴进行两轴方向的转动。
[0016] 所述曝光策略，具体为：
[0017] 根据公式DN = (L*tint*G/F2) *C设定tint，使得DN达到预设值，式中，DN为拍摄图 像的灰度，L为辐亮度计测量得到的当前辐亮度，F为光圈，且F为定值，tint为积分时间，G 为增益，且G设定为相机允许的最小增益值；C为经验值，C的取值范围为：0. 1?0. 9。
[0018] 当tint = tmax，若DN仍不能达到预设值，则增大G，满足曝光量要求，其中，tmax为不 引起像移时各谱段允许最大的积分时间，t max = (p/n)*(l/f)*(H/V)，其中p为像元尺寸，η 为对像移的约束条件，且η为常数，f为焦距，V为无人机速度，Η为高度。
[0019] 存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息 打包，具体为：
[0020] 存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息 按照表1中所示的帧结构进行打包，所述N为一帧图像数据量；
[0021] 表 1
[0022]
【权利要求】
1. 一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在于包括：管理控制模 块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、电源模块、数传设备、取景器和成像 单元； 电源模块给管理控制模块、稳定控制模块、存储控制模块、辅助数据接收模块、数传设 备、取景器和成像单元供电； 管理控制模块通过数传设备接收地面测控站的指令信息，设置取景器的工作模式和工 作起停时间，并通过数传设备将取景器获取的目标区域的视频信息传输给地面测控站； 辅助数据接收模块通过惯性组合导航系统获取无人机的飞行辅助信息并将飞行辅助 信息传输给稳定控制模块，稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到 的飞行辅助信息完成无人机的姿态校正；所述飞行辅助信息包括无人机的经度、纬度、高 度、方位角、横滚角、俯仰角、飞行速度和飞行方向； 管理控制模块按照预先设定的曝光策略控制成像单元进行曝光，产生存储同步触发信 号，并将从稳定控制模块同步接收的飞行辅助信息传输给存储控制模块； 成像单元采用多镜头多探测器分光方式进行曝光，成像单元具有5个谱段，谱段预先 进行配置，分别为红、绿、蓝、近红外和全色；成像单元将曝光后的图像数据传输给存储控制 模块； 存储控制模块从成像单元接收图像数据，并接收管理控制模块发送的存储同步触发信 号，接收到的图像数据通过存储控制模块中的FPGA整理时序后进入存储控制模块中的缓 存电路SDRAM ;存储控制模块同时接收管理控制模块传输的飞行辅助信息，当一帧图像数 据接收完成时，存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助 信息打包，存入CF卡介质中。
2. 根据权利要求1所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在 于：所述稳定控制模块接收管理控制模块的控制指令，然后根据接收到的飞行辅助信息完 成无人机的姿态校正，具体为： 稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机偏航角α及航迹角β，无人机航迹偏角 S为偏航角α及航迹角β的夹角，即δ = α-β，稳定控制模块根据解算出的δ，产生PWM 信号，驱动方位舵机在方位轴转动-δ,所述偏航角α为方位角，航迹角β为飞行方向； 稳定控制模块从辅助数据接收模块获得无人机横滚偏移量Θ，产生PWM信号，驱动方 位舵机在横滚轴转动-Θ，所述横滚偏移量Θ为横滚角。
3. 根据权利要求1所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征在 于：所述成像系统5个谱段之间相互独立，每个谱段具有独立的成像单元。
4. 根据权利要求1中所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统,其特征 在于：所述稳定控制模块采用舵机作为驱动元件，分别通过方位舵机和横滚舵机带动方位 轴及横滚轴进行两轴方向的转动。
5. 根据权利要求1中所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征 在于：所述曝光策略，具体为： 根据公式DN = (L*tint*G/F2) *C设定tint，使得DN达到预设值，式中，DN为拍摄图像的 灰度，L为辐亮度计测量得到的当前辐亮度，F为光圈，且F为定值，tint为积分时间，G为增 益，且G设定为相机允许的最小增益值；C为经验值，C的取值范围为：0. 1?0. 9。 当tint = tmax，若DN仍不能达到预设值，则增大G，满足曝光量要求，其中，tmax为不引起 像移时各谱段允许最大的积分时间，t_ = (p/n)*(l/f)*(H/V)，其中p为像元尺寸，η为对 像移的约束条件，且η为常数，f为焦距，V为无人机速度，Η为高度。
6.根据权利要求1中所述的一种无人机载轻小型自稳定航空多光谱成像系统，其特征 在于：存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息打 包，具体为： 存储控制模块中的FPGA将缓存电路SDRAM中的图像数据读出并与飞行辅助信息按照 表1中所示的帧结构进行打包，所述N为一帧图像数据量； 表1
【文档编号】G01J3/28GK104154997SQ201410340415
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】王丽, 高硕 , 王志凯, 姚毅刚, 吴春楠, 林招荣, 李林鹏, 张跃东, 王哲, 张绪国 申请人:北京空间机电研究所