无人机航拍创新实践报告

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1、创新实践报告题 目： 经济型航拍无人机系统（航拍系统）学 院： 测试与光电工程学院 专业名称： 电子科学与技术班级学号： 10083134 学生姓名： 程尹欣指导教师： 张巍巍2013 年 5 月 南昌航空大学 0经济型航拍无人机系统（航拍系统） 摘要：本系统是一种稳定、快速的经济型航拍无人机系统，系统总体包括：机体、摄像机、OSD 模块、GPS 模块、数据发射和接收模块、电源模块、动力模块、遥控设备和显示系统。本系统的特征是：选用了市场上廉价的 KT 板做机身材料，采用合式组合结构和固定上单翼设计；优化数据发射和接收模块、GPS 模块和遥控接收机的组合，将高度集成的微型摄像机、数据传输和 G

2、PS 模块安装在机身，显示系统通过数据接收机将航拍信息显示在显示屏，操作人员可在地面通过监视屏幕掌握飞机的飞行状态和获取航拍信息，系统采用手抛式起飞。本系统的优点是：机身制作简单，维修方便，价格低廉，既轻盈又坚固，飞行速度快，并具有一定的载重能力，信号抗干扰性强，操作简单，实用方便。关键词： 航空模型 视频采集与传输 南昌航空大学 1前言随 着 今 年 国 家 的 各 项 政 策 决 议 ， 无 人 机 航 拍 、 遥 感 市 场 将 在 未 来 几年 迎 来 跨 越 式 发 展 的 新 契 机 。 低 端 航 拍 无 人 机 的 应 用 ， 远 不 止 航 空 拍 摄 、航 空 摄 影 、

3、航 拍 这 么 一 点 。 随 着 用 户 的 快 速 增 长 ， 目 前 航 拍 的 功 能 要 求 也逐 渐 增 多 ， 主 要 有 对 森 林 防 火 、 地 震 调 查 、 核 辐 射 探 测 、 边 境 巡 逻 、 应 急救 灾 、 农 作 物 估 产 、 管 道 巡 检 、 保 护 区 野 生 动 物 监 测 、 军 事 侦 察 、 搭 载 航拍 电 子 设 备 进 行 科 研 试 验 、 海 事 侦 察 、 保 钓 活 动 等 方 面 间 接 接 触 的 航 拍 应用 需 求 。 此 外 ， 在 环 境 监 测 、 大 气 取 样 、 增 雨 、 资 源 勘 探 、 禁 毒 ，

4、反 恐 、消 防 航 拍 侦 察 等 方 面 ， 无 人 机 航 拍 将 大 显 身 手 。 西 方 发 达 国 家 主 要 采 用 料油 缸 、 涡 喷 和 涡 扇 发 动 机 ， 玻 璃 钢 、 铝 合 金 、 碳 纤 维 等 高 新 昂 贵 材 料 ， 先进 的 航 电 设 备 和 高 精 航 拍 设 备 。国 内 工 业 部 门 （ 包 括 院 所 和 航 空 、 航 天 集 团 公 司 ） 研 制 的 无 人 机 技术 高 于 民 营 企 业 ， 目 前 无 人 机 在 我 国 毕 竟 首 要 用 于 军 事 用 途 ， 所 以 高 空 、高 速 、 中 远 程 、 长 航 时 、

5、大 载 荷 等 类 型 的 无 人 机 ， 几 乎 全 部 是 由 航 空 集 团 、航 天 集 团 以 及 院 校 研 制 与 生 产 ， 主 要 是 应 付 军 队 的 需 求 。 但 随 着 国 家 信 息化 建 设 ， 地 球 信 息 技 术 产 业 发 展 ， 民 用 无 人 机 市 场 会 逐 渐 得 到 重 视 ， 除 了国 内 工 业 部 门 以 外 ， 更 需 要 民 营 企 业 研 发 生 产 性 价 比 更 高 的 ， 满 足市 场 需 求 的 民 用 无 人 机 。 成 本 拉 下 来 ， 应 用 推 上 去 ， 这 是 一 个 趋 势 。 目 前 民 用 无 人 机

6、航 拍 的 缺 点 ： 市 场 不 够 规 范 ， 需 要 大 量 技 术 和 资 金 投南昌航空大学 2入 。 虽 然 目 前 民 用 无 人 机 的 研 制 生 产 确 实 还 没 有 明 确 的 骨 干 单 位 ， 但 包 括贵 航 、 时 代 电 子 在 内 的 一 些 国 有 集 团 公 司 已 经 开 始 往 低 端 的 民 用 领 域 进军 和 扩 展 了 。 所 以 无 人 机 行 业 无 人 机 行 业 前 景 相 当 广 阔 ， 将 是 一 个 很 大 市场 。 据 中 国 企 业 经 济 信 息 网 的 研 究 报 告 预 测 ， 今 后 10 年 内 民 用 无 人 机

7、市 场 的 销 售 额 可 达 10 亿 美 元 。 无 论 是 军 用 还 是 民 用 ， 无 人 机 都 将 朝 着 模块 化 、 标 准 化 、 多 样 化 和 系 列 化 的 趋 势 发 展 ， 其 应 用 范 围 广 泛 ， 前 景 喜 人 。南昌航空大学 3设计目的及设计要求设计目的1）利用航拍传感器技术、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、编程技术等实现无人机航拍任务2）学习并且应用，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。3）养成根据需要选学参考书籍，

8、查阅相关手册、图表和文献资料的自学能力。设计内容1)设计一个包含 GPS、动态图像采集、数据集成、数据发送、数据接收、数据处理、数据输出的电路。2)完成电路的功能测试，保证各独立功能的正常工作。南昌航空大学 4航拍系统基本元件OSD 模块在 CRT/LCD 显示器上，在显示器的荧幕中产生一些特殊的字形或图形，让使用者得到一些讯息。常见于家用电视机或个人 PC 电脑之显示荧幕上，当使用者操作电视机换台或调整音量、画质等，电视荧幕就会显示目前状态让使用者知道，此控制 IC 可在荧幕上的任何位置显示一些特殊字形与图形，成为人机界面上重要的讯息产生装置。在此系统中，OSD 用于将 GPS 信息叠加于图

9、传系统传回的图像上。GPS 模块南昌航空大学 5GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当 GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS 系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y)码。C/A 码频率 1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距 1微秒，相当于 300m；P 码

10、频率 10.23MHz，重复周期 266.4 天，码间距 0.1 微秒，相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10 个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文

11、中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在 WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。GPS 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化） 。南昌航空大学 6GPS 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距，精度约为 20 米左右，对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右。GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，

12、将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。按定位方式，GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位） 。单点定

13、位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。GPS 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设 t 时刻在南昌航空大学 7地面待测点上安置 GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。数据收发模块FPV 5.

14、8G 200mW 400MW 无线图传收发系统是一款专门为航模开发的 8 通道视频发射机，功率强劲，传输距离超群，具有很强的适应性，可支持 3S 锂电池动力电输入，同时可以给摄像头供电。可以采用动力电的平衡端口供电。发射机应用了大规模钽电容滤波电路，比传统的电解电容滤波有着不可比拟的精度和性能，经在普通飞机到电直上的安装实验。图像 100还原，绝不会有电流波纹。同时发射机内置了微型 mic，做到了音频视频的同步传输，是航模用无线发射机领域的佼佼者。发射机主要特点：- 5.8GHz 视频/音频同步传输- 紧凑结构，体积小，发射功率大- 采用大规模集成电路，可靠性高- 8 个工作通道，DIP 开关

15、选择设置南昌航空大学 8- 高可靠性、稳定性- 使用数字锁相环电路，无温飘现象400mw 的参数如下：数据采集模块数据采集模块南昌航空大学 9USB2.0 带音频的视频采集棒，它能够直接通过 USB 接口不需要声卡来采集高质量的视频和音频。安装非常简单，不需要外接电源，可以用于电脑或者手提。我们有附带专业的视频采集软件：绘声绘影 10.0 版本，能够为你提供最好的编辑功能。可以分享完成的短片在 DVD，磁带，网页，移动电话等装置。可以支持 VISTA/WINDOWS OS。标准 USB2.0 接口，最新技术 USB AUDIO、立体声输入输出，输入接口有AV 及 S 端子，可在台式机或手提电脑

16、上观看电视、录像机、VCD、DVD、摄像机等设备输出的视频影像详细规格： 支持 USB2.0，无需打开机箱，支持热插拔，支持笔记本电脑 自行调整画面大小、最高分辨率可达 720576,24 位真彩色 最新技术 USB AUDIO、立体声输入输出 图像亮度、对比度、饱和度、色度可自定义南昌航空大学 10 可捕捉高品质动态及静态画面，采集画面顺畅不间断 输入接口有 AV 及 S 端子，可在台式机或手提电脑上观看录像、VCD、DVD、摄像机等设备输出的视频影象 支持 MPEG1/2 等多种实时压缩格式，方便制作 VCD/SVCD/DVD 兼容 WINDOW2000/XP，兼容 Direct8.1、9.0系统需求：一个空闲的 USB2.0 端口Windows 2