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航拍

2017年02月20日17:05来源:大河网综合

  航拍又称空中摄影或航空摄影,是指从空中拍摄地球地貌,获得俯视图,此图即为空照图。航拍的摄像机可以由摄影师控制,也可以自动拍摄或远程控制。航拍所用的平台包括航空模型、飞机、直升机、热气球、小型飞船、火箭、风筝、降落伞等。为了让航拍照片稳定,有的时候会使用如Spacecam等高级摄影设备,它利用三轴陀螺仪稳定功能,提供高质量的稳定画面,甚至在长焦距镜头下也非常稳定。 航拍图能够清晰的表现地理形态,因此除了作为摄影艺术的一环之外,也被运用于军事、交通建设、水利工程、生态研究、城市规划等方面。

  起源用途

  起源

  纳达尔是首位实现航拍的摄影师和气球驾驶者,纳达尔于1858年在法国巴黎上空拍摄。航拍的军事用途于第一次世界大战期间由飞行员得到了发展。新沙佩勒战役是其中著名的战役之一。

  航拍有很多手段:无人机航拍\飞艇航拍,但是载人飞机真人航拍是最好的手段,相对于其他各种遥控航拍手段来说,才是真正意义上的航拍.

  用途

  地理学研究

  救难

  特工监视活动

  警方追踪疑犯

  电视台现场直播盛事

  模型飞机娱乐

  挑战

  空中摄影的挑战包括:

  透视矫正-空中拍摄的照片,往往采取某一定角度拍照。这意味着,角度不正确的照片将与附近的物体大于远的物体。透视矫正扭曲的形象,以便在同等大小的物体的真实世界有同等大小的照片。见正射影像。

  注册-空中拍摄的照片通常映射到现实世界中的物体(街道,建筑物等)例如,航空照片可以转换成一系列线的道路上载的照片。

  拼接-来创建一个大面积的航空照片拼加入这些照片一起,使他们形成一个单一的大型照片。此过程将创建“天衣无缝”的图像。

  硬件

  很多朋友跟纳达尔一谈起做航拍飞控需要硬件就是ARM、DSP、FPGA,就纳达尔多年来设计老一代飞控以及UP10和UP20飞控感受,其实硬件并不需要多豪华多高级,能满足功能需要,编程使用方便,功能接口全为首选,例如:UP10仅仅使用AVR单片机就完成了所有的功能,内置eeprom除了能完成各种设置以外,存航点数据也绰绰有余。内部的ram也能满足使用需求(不要考虑使用操作系统)。这样单片化能解决很多硬件间通讯、接口问题,增强了可靠性和易编程能力,也能使得飞控做的很小巧。

  功能齐全的Timer能够通过程序实现获取接收机信号和输出舵机信号的能力。大部分自制飞控的朋友都采用将自控舵机信号和接收机信号通过多路2选一开关芯片实现遥自控的切换,但是UP飞控直接获取各路接收机信号,其目的是可以将来自遥控器的信号转换为命令值,也就是使用遥控器实现指令控制,即RPV控制模式。

  另外还有多余的Timer可以用作计数器,比如获取发动机的转速信息。总共的计时器很有限,必须合理分配和使用它们,有的还同时发挥多个作用。

  单片机通常都自带AD,但基本上最多到10位,并且顶多8~16通道,很多管腿的复用功能,使得你顾此失彼,无法直接用来获取传感器的信号,所以仅用空余的AD通道采集飞控和舵机的电池电池电压是很合适的。

  传感器

  1、AD公司的MEMS角速率传感器ADXRS150或者ADXRS300,价格一样,量程分别为150和300度/秒,国际上流行的小型飞控的首选陀螺,其精度能满足小型无人机的飞行控制。数量上需要3个,分别对应3轴

  2、AD公司的MEMS加速度传感器ADXL202或者ADXL210,价格也一样,量程分别为+-2g和+-10g,也是小型飞控的首选。数量需要2个,每个2轴,总共4轴,但是有一轴是重复的

  3、气压高度传感器和气压空速传感器。两个传感器虽然都是气压传感器,但是量程是有所区别的,作为高度传感器的量程通常选用:15kpa~115Kpa。空速传感器是差压传感器,其量程通常选用0~4Kpa,从而获得比较高的分辨率。

  4、如果要控制直升机、旋翼机等能悬停的飞机,还需要磁传感器以获取悬停或者低速运动时的机头指向,固定翼飞机有一定飞行速度,这个传感器不是必须的。

  5、如果要做自动降落功能,还必须有超声波传感器等测量对地高度的传感器。因为气压高度传感器跟气压场有关系,所以经过一段时间气压场变化后,绝对高度将会不再准确,因此飞机在自动滑跑降落时必须在离地0.5米至1米的平飘需要测量相对地面高度的传感器来完成。

  飞行装备

  航拍利用的无人机航拍飞控是一个集单片机技术、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、编程技术等多技术并依托于硬件的高科技产物,因此要能设计好一个飞控,缺少上面所述的任何一项技术都是不可能的,越多的飞行经历和经验能为设计初期提供很多避免出现问题的方法,使得试飞进展能够更顺利,要知道飞控的调试主要就是试飞,不比别的自控产品,试飞是高风险的,一旦坠机,硬件损坏,连事故原因都很难分析,就更难解决问题了。这也是成熟的、可靠的飞控很少的原因。

  无人航拍

  无人航拍最大的困难是飞机制作等复杂的技术难题。曾经有人因为要研究无人航拍,纳达尔自学钻研了大半年的时间来改装飞机。没有现成的航拍设备,纳达尔从市场上买来用于普通作业的小飞机,进行彻底改装。“光搞懂遥控器,就花了一个月!”大半年以来,纳达尔早起干活,每晚都工作到11点,常常一坐就是七八个小时不动,“别人在公园散步的时候,我在工作室苦思冥想。”纳达尔一脸苦笑,“真的好累。”不过,纳达尔自己动手改装的一款无人飞机目前已进入最后调试阶段。有了飞机作保障,纳达尔相信更多好作品将会陆续诞生。

  软件

  软件包括飞控内部的软件和地面站的软件。

  飞控内部软件是飞控的灵魂,如果只有硬件只是电子垃圾。

  一谈到软件很多朋友就是讨论使用ucos、linux等等的操作系统。其实作为飞行控制这种实时性要求很强的控制系统,不一定要采用操作系统。使用操作系统对硬件和时序的控制能力降低,CPU的有效使用率降低,对内存的需求增加。在UP10和UP20中都没有采用操作系统。

  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。其中舵机控制和接收机信号获取拥有最高的优先级,与地面站的通讯优先级最低,合理处理CPU的优先级问题能够避免CPU控制时序的混乱和相互的干涉问题。

  通讯程序

  在编制与地面站的通讯程序部分,一定要考虑到无线通讯的误码率问题,所有上下行数据必须都要加以校验,特别是飞行航点数据这些重要数据要反复校验,一旦错误将会将飞机导航到不可知的方向。

  导航逻辑一定要严谨,对于可能出现的一些问题要提前考虑到。

  对于可能出现的GPS丢星,发动机停车,飞机机体解体,遥控失灵等问题要考虑补救措施。

  舵机的反舵设置,不同布局的混控设置等最好在飞控中都能实现。

  对于地面站软件,要考虑到方便、实用、可靠,美观是其次的。其实要设计一个好的地面站也是需要经验来支持的。

  其他

  这个地面站软件应该考虑到如下功能:

  · 地面站软件集成化

  · 可以支持多种地图:电子地图,扫描配准地图,自定义地图

  · 飞行仪表(空速,地平仪,高度,转速,罗盘,升降率)

  · 传感器数据监测

  · 飞行中实时PID调节:地面站实时监控飞行数据,并动态显示数据曲线,实时修改PID增益参数

  · 飞行中可以设定目标航点

  · 可以实时操作任务舵机位置,操作和显示任务IO口

  · 可使用地面站远程控制飞机飞行

  · 图形化方便灵活的航点编辑方式(包括制式航线):可以直接在地图上使用鼠标增加、删除航点,可以直接拖动编辑所选择的批量航点,可以手动修改航点数据。支持单点和所有航点上传和下载。

  · 调整舵机旋转方向和中立值

  · 记录遥测数据

  · 显示飞机的飞行轨迹和姿态

  · 危险告警(电压、温度、GPS状况、发动机转速、高度、爬升率等)

  · 回放飞行数据

  数传电台的选择不要一味的追求发射功率,可以通过好的增益天线来获得远距离的传输,飞机上数传的安装要避免对舵机、遥控接收机、飞控内部的传感器造成干扰。

  试飞前的准备工作要做充分,遥自控切换要切实可靠(调试初期出现任何问题要能及时切换到遥控状态),准备好试飞计划,做好飞行前检查,做好飞行后总结,由简到难,逐步实现自动控制。

  工作过程

  作为固定翼飞机,不需要自动降落的情况下,只需要前3种传感器,共8路电压数据需要采集。为了获得高精度,可以采用8路16位的AD芯片来采数据,将AD和传感器一起做成一个组件,便于以后升级处理时,只需要更换底板(这就是UP10到UP20升级的思路)。根据AD的输出接口选择和CPU连接,可以是UART、SPI、I2C。

  GPS通常都是串口通讯的,因此可以将它和CPU的一个串口连接,而CPU的另外一个串口通常与数传电台或者直接与地面站计算机连接,以便飞控和地面站双向通讯,传递设置参数、航线数据等给飞控,而飞控将飞行数据向地面站传输。

  CPU再富余的IO口可以用作一些任务操作,比如停发动机,照相控制,任务设备电平监控,任务设备控制等。

  如果感觉CPU的eeprom存取速度慢,存储量小,可以外扩flash、eeprom等等存储器,也可以通过SPI、I2c等接口。这些外部存储器可以用来存储飞行数据,也可以存储一些诸如照片POS数据类型的任务数据。

  在PCB的设计过程中,一定要把高频部分、低频部分分开,避免减少电磁干扰等情况的出现,采用多层板也对解决电磁兼容性问题带来帮助。

  获取数据

  对于飞行控制方法问题上取决于获取的数据。如果只是简单获得了飞机的角速率和加速度计信号等原始数据,控制方法只能采取某些飞控采取的间接姿态控制方法,也就是说在俯仰控制上采用控制空速的方法,角速率只用于阻尼增稳作用;在方向控制上采用转弯角速率控制方式。控制外环是高度和GPS导航航向。这种控制方法得到的飞机控制精度不算很好,特别是高度容易出现波动。但是控制了飞机的稳定的最核心,所以飞行还算是安全的。

  如果能够采取一些计算方法获取飞机的姿态角,pitch,roll,heading,那么控制方法就变为姿态控制了。采用姿态控制时,内环变成了副翼控制飞机的转弯坡度和升降舵控制飞机的俯仰角度(加一定的限制)。这种控制是飞机最正确的控制方式,因此其控制精度是相当高的,稳定性也增强很多。但是这种计算方法很复杂,都是浮点数矩阵运算,对CPU的运算能力要求很高,所以需要引入ARM、DSP等32位浮点运算能力很强的处理器。UP20中增加了ARM专门用于飞行姿态计算,并将计算出来的姿态数据交给UP10,而UP10原来的功能丝毫不受影响。如果全新设计飞控则UP10前面所进行的所有飞行试验就白费了。

  PID控制内环通常采用20Hz以上就足够了,外环通常4~6Hz就足够了,再快已经没有多大的意义。对于PID参数最好能够通过与地面站的无线通讯实现,这对于飞行时的PID参数调整会带来极大的方便,尽量减少飞机的起落次数。

  时间培育

  技术难题攻克了,但市场开拓也让纳达尔头疼。航拍是新行业,很多客户不了解,更关键的是,航拍图像价格贵,一张少则三五百,动辄上千,不是很多客户可以接受的。纳达尔说,前不久一位客户想买一张航拍照片,自己说,照片挺贵的。客户刚开始说不管多贵都不要紧。但得知需要800元一张时,客户吐吐舌头,掉头走人。“航拍成本高,风险大,所以照片相应卖得价格要高于普通照片。”纳达尔说,由于高明目前还没有多少人从事这一工作,对自己的航拍业务还是有信心的。2010年,纳达尔为广明高速做航拍宣传画册,每天都要在太阳最晒的时候扛着笨重的器材出门拍摄,要换多次角度,航拍许多次才能成功一张。虽然辛苦,但画册做出来后获得了广泛好评,2011年就有不少客户找上门来。

  到现今为止国内能搞航拍的公司还很少,航拍能提供不可代替的视角,反映一个地区、一个区域的全貌,它在很多领域都具有广阔的市场需求,因此具有很好的发展前景。

  专业词汇

  1色调。也就是照片的明亮程度。

  2形状。物体的独立形态。

  3大小。一般是指物体的占地面积。

  4格局。指物体的空间布局。

  5质地。

  6阴影。可用来显示地势低差别。

  7关联性。即不同物体间的边界线。

编辑:申久燕(实习)

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