CN208158740U - 一种无人机机载数码相机控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无人机机载数码相机控制***及其控制方法，包括相机控制单元、机载收发单元、GPS接收机和数码相机。所述***可以搭载不同相机厂家、不同型号的数码相机以满足不同航拍需求；所述***包括GPS接收机，用于采集拍摄瞬间GPS信息，便于照片后期剪裁、拼接和分析；所述***供电自成体系，相机不需要电池，不存在低温下电池工作不可靠、长时间工作相机电池电量不足的问题；所述***可以根据需要实时提取相片，可以满足无人机在高风险、恶劣环境下拍摄需求；所述***对数码相机控制除传统的快门控制外，还包括光圈、焦距、镜头控制；此外，所述***还可以对相机状态参数进行实时监测。

Description

一种无人机机载数码相机控制***

技术领域

本实用新型属于无人机应用领域，涉及一种数码相机快门、光圈、焦距、ISO等控制，照片实时读取，相机状态在线获取，拍摄瞬间经纬度、海拔等信息添加的无人机机载相机控制***和控制方法。

背景技术

无人机航拍可广泛应用于国家生态环境保护、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农作物长势监测与估产、农业作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测、公共安全、以及广告摄影等领域。

目前，市面上数码相机有几十个品牌，而每个品牌又细分不同系列。依据不同航拍需求，需要搭载不同类型的数码相机进行拍摄。现有无人机机载数码相机控制大多通过控制快门线进行拍照，不具备焦距、光圈、ISO控制，也缺少相片在线提取、相机状态(如存储空间、场景模式、感光度、电池电量、相机时间等)监测等复杂功能，也不能满足航拍无人机将照片拍摄瞬间的经纬度、海拔等数据写入照片文件的要求。

在专利申请公布号“CN107395949A”，题为“无人机航拍变焦控制***”，提供了一种无人机航拍变焦控制***，专利中的相机控制板采用光耦开关控制相机焦距调节，不具备复杂的照片实时提取、相机状态读取、光圈控制等高级功能；专利提出的利用光耦开关控制方式，明显技术落后；该专利所描述的控制数码相机变焦可达30倍变焦以上，不灵活，不能满足航拍对数码相机的宽范围选择需求。

在专利申请号“201621036834.9”，题为“一种无人机机载智能数码相机控制器”，提供的相机控制器没有外接GPS接收机，因而缺少相片拍摄瞬间的GPS数据采集。它提供的方案也不包括***电源模块，因而不能为机载数码相机、GPS接收机供电，这会降低它的实际应用范围，特别是低温环境和长时间执行任务。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是：本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机机载数码相机控制***，以解决上述技术背景中提出的问题。

本实用新型的技术方案是：一种无人机机载数码相机控制***，其特征在于，包括相机控制单元、机载收发单元、GPS接收机和数码相机；所述相机控制单元包括嵌入式ARMCPU、USB接口模块、串口接口模块、以太网接口模块、Nand Flash存储器模块和***电源模块；以太网接口模块接收来自地面终端控制台发送来的控制指令，并传至嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU对控制指令进行解码后，通过USB接口模块传入数码相机，数码相机执行该控制指令；

机载收发单元接收来自地面终端控制台的调整数码相机焦距大小、光圈大小、镜头远近控制指令信号后，通过以太网接口传给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU对控制指令信号进行解码后，经USB接口模块传给数码相机，数码相机执行调整的控制指令；

机载收发单元接收来自地面终端控制台发送来的拍照指令，通过以太网接口模块发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU通过USB接口模块将拍照指令发送给数码相机，同时GPS接收机将拍摄瞬间的无人机经纬度、海拔高度数据信息，经串口接口模块传至NandFlash存储器模块中进行存储；

当地面终端控制台需提取数码相机当前的参数状态时，机载收发单元将接收的查看指令信号，经以太网接口模块，发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU对查看指令信号解码后，经USB接口模块发送至数码相机，数码相机将参数状态经USB接口模块反馈至嵌入式ARM CPU，经嵌入式ARM CPU进行数据组帧处理后，传入以太网接口模块，经以太网接口模块传至机载收发单元，机载收发单元将组帧处理后的数据进行二次组帧、编码，发送给地面终端控制台，实现地面终端控制台对数码相机实时状态的监测；

当地面终端控制台需提取数码相机所拍摄的指定照片时，机载收发单元将收到的地面控制终端指令，经以太网接口模块发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU将指令译码后，由USB接口模块发送给数码相机，数码相机将指定照片发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU将照片文件对应的GPS信息写入照片文件中并完成组帧，经以太网接口模块传至机载收发单元，机载收发单元将收到的数据进行二次组帧，编码后发送给地面终端控制台；***电源模块为相机控制单元、GPS接收机和数码相机供电；

相机控制单元、机载收发单元和GPS接收机均位于无人机上；数码相机位于无人机的机载云台上。

本实用新型进一步的技术方案是：所述USB接口模块包括TPS2065D芯片和两个TPD2E001芯片，其中TPS2065D芯片作为功分器，将***的电压隔离输出到USB接口；TPD2E001芯片作为USB数据信号的ESD保护芯片。

技术效果

本实用新型相对于现有技术的技术效果是：一种无人机机载数码相机控制***可以搭载不同厂家、不同型号的数码相机以满足不同航拍需求；所述相机控制***包括GPS接收机，用于采集拍摄瞬间GPS信息，便于照片后期剪裁、拼接和分析；所述***供电自成体系，相机不需要电池，不存在低温下电池工作不可靠、长时间工作相机电池电量不足的问题；所述***可以根据需要实时提取相片，可以满足无人机在高风险、恶劣环境下拍摄需求，也就是：不需无人机返航，就能实时获取航拍目标的照片；该***对数码相机控制除传统的快门控制外，还包括光圈、焦距、镜头控制；此外，所述***还可以对相机状态参数进行实时监测。

附图说明

图1本实用新型***示意图；

图2相机控制单元内部框图；

图3相机控制单元原理总图；

图4***电源模块原理图；

图5USB接口模块原理图；

图6以太网接口模块原理图；

图7Nand Flash存储器模块原理图；

图8DDR内存原理图；

图9嵌入式ARM CPU原理图；

图10串行接收模块原理图

具体实施方式

一种无人机机载数码相机控制***的技术方案是：包括数码相机、相机控制单元、机载收发单元，GPS接收机，参见图1。

数码相机安装在机载云台上，相机控制单元通过USB接口模块和***电源模块与之连接。

机载收发单元与相机控制单元通过以太网接口模块进行连接。

机载GPS接收机与相机控制单元通过串行接口模块和***电源模块连接。

所述的相机控制单元包括以太网接口模块、嵌入式ARM CPU、***电源模块、USB接口模块、DDR内存、Nand Flash存储器模块、串行接口模块等，参见图2。

***电源模块为相机控制单元内部各模块、机载相机和GPS接收机提供电源；

USB接口模块用作相机控制单元与相机间数据通讯接口；

DDR内存，Nand Flash存储器模块是ARM CPU运行必须的硬件环境；

以太网接口模块用于相机控制单元与机载收发单元数据交换；

串口接口模块用于接收来自GPS接收机的经纬度、海拔高度等信息。

进一步的，机载收发单元一方面将来自地面终端控制台发送来的相机控制指令发送给相机控制单元，另一方面将来自相机控制单元的照片数据、相机参数等信息发送给地面控制台。

进一步的，GPS接收机实时采集无人机所处的经纬度、高度等信息，并将之发送给相机控制单元。

进一步的，所述相机控制单元包括嵌入式ARM CPU、USB接口模块、串口接口模块、以太网接口模块、Nand Flash存储器模块和***电源模块。嵌入式ARM CPU负责指令译码，数据组帧，GPS信息采集等工作；USB接口模块是相机控制单元与数码相机的接口；以太网接口模块是机载收发单元与相机控制单元通信接口；相机控制单元通过串口接收模块与GPS接收机通信；***电源模块为相机控制单元内部、GPS接收机和数码相机供电。

进一步的，当机载收发单元收到地面终端控制台发来的拍照指令后，通过以太网接口传给相机控制单元，嵌入式ARM CPU对收到的控制指令信号进行解码后，经USB接口模块传给数码相机，数码相机执行拍照动作，同时，嵌入式ARM CPU通过串口接口模块采集拍摄瞬间来自GPS接收机的经纬度、海拔高度数据信息，将数据信息记录并存储至Nand Flash存储器模块中。

进一步的，当机载收发单元接收来自地面终端控制台发送来的数码相机焦距大小、光圈大小、镜头远近控制指令信号后，通过以太网接口传给相机控制单元，嵌入式ARMCPU对收到的控制指令信号进行解码后，经USB接口模块传给数码相机，数码相机执行相应控制指令。

进一步的，当地面终端控制台需提取数码相机当前的参数状态时，机载收发单元将接收的参数查看指令信号，经以太网接口模块，发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU对控制指令信号进行解码后，经USB接口模块发送给数码相机，数码相机将当前参数状态经USB接口模块反馈至嵌入式ARM CPU，经嵌入式ARM CPU进行数据组帧处理后，传入以太网接口模块，经过以太网接口模块传至机载收发单元，机载收发单元将组帧处理后的数据进行二次组帧、编码后，发送给地面控制终端，实现地面控制终端对数码相机实时状态的监测。

进一步的，当地面控制终端需提取数码相机所拍摄的指定照片时，机载收发单元将收到的地面控制终端指令，经以太网接口模块发送给相机控制单元中的嵌入式ARMCPU，嵌入式ARM CPU将指令译码后，由USB接口模块发送给数码相机，数码相机将指定照片发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU将照片文件对应的GPS信息写入照片文件中并完成组帧，经以太网接口模块传至机载收发单元，机载收发单元将收到的数据进行二次组帧，编码后发送给地面控制终端。

图3～图10为本发明的相机控制单元的一个具体实施例电路原理图，设计芯片选择、配置及其功能描述如下：

001：相机控制单元总图(图3)，描述相机控制单元内部各模块及模块间的主要连接关系；

002：***电源模块部分(图4)，该部分负责将飞机提供的+12V电源转换为相机、GPS接收机和相机控制单元内部芯片对应电平需求。

***电源模块设计方案如下：

依据无人机机载供电电源电压为+12V，为此：a)为了满足数码相机的+7.2V供电和GPS接收机的+3.3V供电，设计选用芯片TPS54290将+12V电压转换为+7.2V和+3.3V。b)考虑到市面上大多LDO电源管理芯片输入电压是+5V，比如设计中选取的TPS65053，USB接口芯片TPS2065D等。因此，设计选用TPS5420将+12V转换为+5V。c)相机控制单元的串行接口模块需要+3.3V供电，以太网接口模块需要+3.3V和+1.8V供电，NAND Flash存储器模块供电+3.3V，DDR内存需要+1.8V供电，嵌入式ARM CPU需要+1.2V、+1.8V、+3.3V供电，为了满足这些需求，设计选择TPS65053将+5V转换为+1.2V,+1.8V和+3.3V。此外，选取SPX3819将电池的+3.3V变换为+1.2V，给ARM CPURTC时钟供电。

基于上述设计方案，选取的电源管理芯片配置如下：

1)TI公司芯片TPS5420：将机载供电电压+12V转换为+5V。芯片配置：芯片要求VSENSE＝1.221V，要让电源管理芯片输出电压Vout＝+5V，根据公式：Vout×R118/(R117+R118)＝1.221V,取R117＝10KΩ，计算得：R118≈3.24KΩ。

2)TI公司TPS65053多路电压转换芯片，负责将+5V电平转换为相机控制单元内部芯片需要的电平。它包括DC/DC电压转换配置和LDO电压转换配置两部分：

DC/DC部分电源转换：将5V电压转换为+1.2V和+3.3V，根据芯片输出电压配置公式：Vout＝Vref×(1+R1/R2),其中Vref＝+0.6V。当Vout＝+1.2V：取R108＝150KΩ，计算得R104＝150kΩ；当Vout＝+3.3V，取R109＝680KΩ，得R104≈150KΩ。

LDO电压转换配置：将输入5V电压转换为+1.8V和+3.3V。配置公式：Vout＝Vref×(1+R1/R2)，其中Vref＝+1V，Vout＝+1.8V时，取R110＝120KΩ，得R106＝150KΩ；Vout＝+3.3V时,取R111＝230KΩ，得R107＝100KΩ；

3)电源管理芯片SPX3819，负责将输入+3.3V电压转换为+1.8V，供ARM CPU芯片内部时钟供电使用。

4)TPS54290负责将机载+12V电压转换为+7.2V(可调)和+3.3V(可调)，为机载相机和GPS接收机供电，电阻配置按照公式Rbias＝Vfb×Rfb/(Vout-Vfb)进行，其中Vfb＝+0.8V。

003：USB接口模块(图5)：

1)TPS2065D作为功分器，将***的+5V电压隔离输出到USB接口；

2)TPD2E001作为USB数据信号的ESD保护芯片。

004：以太网接口模块(图6)，选KSZ8001SL1作网络物理接口芯片，HR601680E是网络隔离变压器；

005：Nand Flash存储器模块(图7)采用三星存储芯片K9G8G08U0A,容量为1GB；

006：DDR内存(图8)用MT47H64M16BT，内存容量128MB；

007：ARM CPU(图9)选用TI公司的OMAP138L作相机控制单元CPU；

008：串口接口模块(图10)部分选用MAX3232作为RS232串口电平转换接口芯片74LV244用作输入输出隔离缓冲，数字开关ADG822用作需要使用快门线控制拍照的场合；

以上描述了各模块的主要芯片，各模块主要芯片的***滤波电容、电阻、电感，辅助电路，晶体振荡器，接插件等在此不作详细描述，具体参见附图。

在相机控制单元中，嵌入式ARM CPU作为相机控制单元核心，负责处理来自机载收发单元的消息译码，根据指令要求实现相机变焦、光圈调节、拍摄、相机状态读取及相片提取等操作；同时，ARM CPU接收来自GPS接收机的经纬度、海拔高度等信息，记录并在需要时将之写入对应的照片文件中。本发明实施中，需要说明的是，机载收发单元发送给相机控制单元的消息格式描述如下：

其中，标志位，“0xAA55”表示该消息为相机控制消息；

相机控制指令字段为三字节，三个字节内容是一样的，为了解决传输中指令误码，采用三取二判决(两个字节以上相同即认同指令合法，予以执行)。该字段为多指令复用，具体定义如下：

“0x999999”表示拍照；

“0x101010”表示光圈调节；

“0x010101”表示变焦，结合后面字段的2字节参数确定变焦倍数；

“0xF0F0F0”表示读取相机状态；

“0x404040”表示读取照片，根据后面字段的2字节内容提取指定照片；

例如：收到指令“0xAA554040400003”表示提取相机第3张照片。

需要指出的是，相机控制单元通过USB接口发送给相机的控制指令以及相机返回的状态数据定义是由平台搭载的相机生产商提供的协议确定的，由于不同相机生产商有不同约定，在此不作具体叙述。另外，相机的控制功能还可根据相机生产商提供的协议进行扩展，不局限于描述的控制功能。

在本发明实施中，从相机中提取到的照片和相机状态数据需要按照一定的消息格式发送给机载收发单元：

字段名称	标志位	相机状态	数据帧号	数据长度	照片数据
						字节数	2	2	1	2	0～65535

其中，标志位，0xeb90表示该消息为相机数据；

“相机状态”字段，如前面提及，需依据相机生产商提供协议进行定义；

“数据帧号”字段，照片文件传输，需要对照片文件进行分包，分包数据用帧号识别，范围“0x00～0xFF”；

“数据长度”字段长度为2字节，表示照片数据字段包含的照片数据的字节数，0x0000～0xFFFF；

照片数据长度为0～65535字节。

只要搭载的相机拍摄的JPG照片是exif2.1以上版本，照片文件就包含GPS的信息块。ARM CPU负责采集拍摄瞬间来自GPS接收机的经纬度、海拔高度等信息，并将之写入JPG照片的GPS信息块中，完成照片拍摄地理位置信息添加功能。

最后需要说明的是，上述的发明实施例仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无人机机载数码相机控制***，其特征在于，包括相机控制单元、机载收发单元、GPS接收机和数码相机；所述相机控制单元包括嵌入式ARM CPU、USB接口模块、串口接口模块、以太网接口模块、Nand Flash存储器模块和***电源模块；以太网接口模块接收来自地面终端控制台发送来的控制指令，并传至嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU对控制指令进行解码后，通过USB接口模块传入数码相机，数码相机执行该控制指令；

机载收发单元接收来自地面终端控制台的调整数码相机焦距大小、光圈大小、镜头远近控制指令信号后，通过以太网接口传给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU对控制指令信号进行解码后，经USB接口模块传给数码相机，数码相机执行调整的控制指令；

机载收发单元接收来自地面终端控制台发送来的拍照指令，通过以太网接口模块发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU通过USB接口模块将拍照指令发送给数码相机，同时GPS接收机将拍摄瞬间的无人机经纬度、海拔高度数据信息，经串口接口模块传至Nand Flash存储器模块中进行存储；

当地面终端控制台需提取数码相机当前的参数状态时，机载收发单元将接收的查看指令信号，经以太网接口模块，发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU对查看指令信号解码后，经USB接口模块发送至数码相机，数码相机将参数状态经USB接口模块反馈至嵌入式ARMCPU，经嵌入式ARM CPU进行数据组帧处理后，传入太网接口模块，经以太网接口模块传至机载收发单元，机载收发单元将组帧处理后的数据进行二次组帧、编码，发送给地面终端控制台，实现地面终端控制台对数码相机实时状态的监测；

当地面终端控制台需提取数码相机所拍摄的指定照片时，机载收发单元将收到的地面控制终端指令，经以太网接口模块发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU将指令译码后，由USB接口模块发送给数码相机，数码相机将指定照片发送给嵌入式ARM CPU，嵌入式ARM CPU将照片文件对应的GPS信息写入照片文件中并完成组帧，经太网接口模块传至机载收发单元，机载收发单元将收到的数据进行二次组帧，编码后发送给地面终端控制台；***电源模块为相机控制单元、GPS接收机和数码相机供电；

相机控制单元、机载收发单元和GPS接收机均位于无人机上；数码相机位于无人机的机载云台上。

2.如权利要求1所述的一种无人机机载数码相机控制***，其特征在于，所述USB接口模块包括TPS2065D芯片和两个TPD2E001芯片，其中TPS2065D芯片作为功分器，将***的电压隔离输出到USB接口；TPD2E001芯片作为USB数据信号的ESD保护芯片。