小型无人机低空航测系统

1、 小型无人机低空航测系统 1 项目简介1.1设计题目小型无人机低空航测系统1.2设计内容本研究依托开源嵌入式计算机pixhawk平台，结合mems传感器，基于捷联惯导系统，编写开源代码，使用双GPS差分定位法，使用mavlink协议，完成3D飞行，一键返航，定点、定高飞行，绕点飞行，执行巡航任务，自动导航，精确定位，低电压自动返航，遥控器失效保护，自动降落，航点拍照，对地侦查图像pos信息采集，侦查情报综合处理生成二维正射影像图/DEM(数字高程图)/三维点云等功能。用简单高效的方式提供专业的正射影像图和数字表面模型及相应的等高线，从而生产出需要的地形图。主要应用于国土规划、地形选址、公路铁路带状制图、城市三维建模、水利监测、矿业采集、考古和精准农业等方面。1.3开发工具Windows 7 64位，ubuntu系统，GitHub，px4_toolchain，Mission Planner地面站，Java环境 ，Visual Studio 2013，pix4d mapper，meshlab 3D图形实验室。1.4应用平台Win7 64位电脑操作系统25大学生计算机设计竞赛作品 2项目设计

2、2.1设计思路设计出一个以stm32嵌入式计算机为核心，mems传感器为姿态检测辅助PID调控，可以实现航迹飞行，设定航点对地侦查的四旋翼无人机，并可与无人机地面站实现数据链通讯，完成3D航迹飞行，一键返航，定点、定高飞行，绕点飞行，执行巡航任务，自动导航，精确定位，航点对地侦查等功能，以及对其实时飞行状态信息的进行采集输出和数据分析。设计具有自主知识产权的四旋翼飞行器结构加固装置（实用新型专利号：2016200355569 一种四旋翼飞行器结构加固装置），通过控制装置给机臂提供抗弯曲控制力，在电机反扭力影响下能减小机臂根部弯曲变形和振动响应,在四旋翼坠到地面时能有效减小机臂根部等区域的应力强度与变形, 实现四旋翼飞行器结构的加固。本发明不影响四旋翼飞行器的改装和正常操作，而且实施成本低、安装拆卸速度快、需要的设备少。其侦查回传的影像情报，进行处理，以WGS 84坐标系为基准，加载无人机侦查实时pos信息，经过空中三角形加密，矢量采集，图形快速拼接，平差计算，输出DOM（二维正射影像图）、DEM（数字高程影像图）、高精度点云文件输出等基础测绘所需数字信息，（相关技术细节已申请发明专利，

3、发明专利号：2016100270334 一种用于地理测绘的相机远程触发系统及方法）。2.2 总体设计图1.系统总体布局图2.自动驾驶仪算法结构图3.四旋翼加固设计（概览）图4.四旋翼加固设计（细节）2.3 详细设计2.3.1主要步骤搭建四旋翼平台以及微处理器控制端，在平台的基础上，添加各种传感器和摄像头。传感器收集飞行器飞行以及姿态数据，通过接收发送端，传达到所搭建的微处理器平台，微处理器接收到数据进行数据处理，以实时数据的形式反馈到控制端，或者进行自我飞行姿态、航路调整，直到完成地面站所设定的任务。地面站处理接收到的数据，通过计算机后台软件处理，以实时画面的形式展示到地面站控制端。飞行器未起飞前(执行任务前)，进行飞行器预设航线数据装订。无人机升空前将预定侦查区域及无人机航迹规划好，并将航点GPS坐标上传到自动驾驶仪终端，预设“相机触发”命令，并在相机触发的同时，记录相应侦查图像并生成pos信息，在预定航点相应串口输出触发高电平，侦查相机完成对焦及取景，保证侦察图像的重叠度方便后期处理。将无人机航测所得侦查图像与pos信息匹配，运用pix4d mapper进行初步处理、空三加密、加密

4、点云、生成三维网格、生成地图瓦片和KML、生成三角模型和等高线等，形成二维正射影像图、数字高程图像（DEM）、三维模型加密点云等附带GPS坐标的基础测绘情报。2.3.2设计所需的理论知识：一、惯性导航基本原理：本研究所使用是捷联式惯性导航系统，即陀螺仪和加速度计固定在运动机体上，分别测量运动机体相对惯性空间的三个转动角速度和三个加速度沿机体坐标系的分量，经过微处理器计算，得到运动机体的位置、速度、航向和水平姿态等各种导航信息。二、姿态检测与信息处理常用的姿态测量器件有角速度计、加速度计、磁力计、气压计、超声波传感器和GPS等。基于MEMS技术的加速度传感器和陀螺仪具有抗冲击能力强、可靠性高寿命长、成本低等优点，是适于构建姿态检测系统的惯性传感器件。三、数字摄影测量理论航空影像通过高精度专用扫描仪将其数字化，得到以二维像元灰度矩阵表示的数字影像。可以接受的数据格式有：TIFF，SGI （RGB），BMP，TGA，SUNRaster，VIT，JFIF/BSF格式。自动空中三角测量，包括自动内定向，自动选点与转刺，自动相对定向，半自动控制点量测区域网平差解算全区加密点地面坐标，以及自动建立测

5、区内各立体像片对的相关参数。提取DTM/DEM：在完成绝对定向和匹配编辑后，根据编辑后的影象匹配结果（视差数据），定向结果参数及给定用于建立DEM的参数等，利用移动曲面拟合法，自动内插生成不规则格网的 DTM（影象上规则视差格网投影于地面坐标系），以及规则格网的DEM，即数字高程模型。在生成单个数字高程模型后，再将单个模型的DEM拼接起来，建立图幅DEM，也可采用多模型的批处理方式进行。四、飞行器坐标系结构图5.四旋翼机体坐标系图6.机体坐标系与地心坐标系变换大学生计算机设计竞赛作品 3项目实现3.1编程及算法实现以上为各函数关系，呈非线性关系。3.2界面优化及设计图7.地面站UI界面及飞行轨迹3.3开发日志2015年10月8日-2015年12月1日：广泛阅读国内外相关文献及资料，完成无人机小面积航空测绘项目的文献检索及思路论证阶段。2015年12月1日-2016年1月1日：确定无人机采购计划，进一步论证思路，并根据十八大对于国家地理信息产业的引导方向，确定将自主设计的无人机平台应用于航空测绘方向。2016年1月2日-2016年3月5日：完成四旋翼加固装置ANSYS仿真，验证加固思路，

6、申请实用新型专利，完成机载侦察设备的验证工作，进行无人机与侦察设备衔接上的摸索，并自行设计相机触发模块，申请发明专利，完成对地侦察任务。2016年3月6日-2016年3月27日：深入学习数字摄影测量相关理论知识，对航空测绘侦查图像进行后处理，并得到理想的测绘结果。大学生计算机设计竞赛作品 4项目调试及运行4.1系统调试和测试图8.无人机航测平台图9.ansys仿真界面图10.加套筒和控制力供给部件图11.加固后形变对比细节图12.对机臂长1/2、1/4及3/4分别分析，1/2处效果最优图13.基于C语言开发的地面站(Ground Station)图14.无人机通讯基于MAVLink协议图15.无人机实现3D定位图16.无人机遂行绕圈任务（Circle）图17.无人机参数实时输出(GUI界面)图18.无人机四个电机输出信号记录（GUI界面）图19.航测前确定侦查航点图20.在经纬图下的航测区域显示图21.侦查区域正射影像图图22.高精度（1.12 cm/像素）DEM（二维正射影像）图23.DEM（数字高程图像）图24.初步处理后的点云图像图25.数字真三维模型图26.空中三角形加密流程图

7、27.高分辨率数字表面模型(DSM)图28.数字高程图（DEM）编辑模式图29.数字真三维模型整体界面如上，连接915MHz数传之后，会有警报语音和英文显示，按照显示调试飞行器即可。调试完成后，左上角界面只显示已锁定，不再有警报语音和英文显示。开启遥控器，解除锁定，推一下油门之后，即可通过电脑地面站进行控制，执行任务。已解锁界面如下：图30.已解锁界面4.2使用说明无人机系统开机，开机之后，打开安全开关，不需要提前打开遥控器或者电脑，打开地面站，连接915数传，等待数传成功连接后，将遥控器油门调至最低，打开遥控器（无人机开机前打开遥控器，需要将遥控器油门开关，开机前扳倒最低，否则开机显示连接不成功），遥控器手动解锁或者电脑鼠标解锁飞控。若飞控系统无警报，显示正常，调节预先设置的飞行模式，只需要将油门开关推开就可以通过地面站鼠标控制无人机飞行，完成预先设定的任务或者直接鼠标操作无人机飞行。若空间允许，可以通过地面站，实现离线地图3D飞行，离线地图航迹规划飞行，离线地图定点巡航任务，遂行预定巡线任务。注意：无人机起飞前必须保证各种参数调试正常。4.3项目设计重点和难点重点：1超视距飞行，无

8、需控制人员直接观察飞行姿态，通过地面站可以详细了解飞行器各种参数以及飞行姿态、直接控制飞行器。2低电量自动返航，无需控制人员控制，直接返航到“家（预先设定）”的位置。3鼠标操作，不需要操作人员进行专业培训，上手就可以飞，不需要前期提前联系控制遥控器。4自动驾驶仪相关串口的电平触发与其内在控制律的结合，保证系统的鲁棒性。5相机触发命令与自驾仪实时输出所在位置的pos信息，便于处理侦察情报，方便计算机计算。6自动驾驶仪触发电平与侦察设备的衔接，保证高电平触发相机快门。7开源自动驾驶仪，方便专业研究人员研究飞行器控制律及拓展应用。难点：1GPS差分算法精度，数据处理极易产生GPS点飘移。2捷联惯导原理不适合高精度无人机，需要改进计算机算法原理。3侦查相机触发的形式与电信号的关系，需用示波器检验可行性。4学习数字摄影测量知识，熟悉相关专业计算机软件的使用，生成期望成果。4.4项目优势1. 影像获取快捷方便 无需专业航测设备，普通民用单反相机即可作为影像获取的传感器，操控手经过短期培训学习即可操控整个系统。2. 成本低廉 多旋翼无人机（带飞控系统）演示项目开发成本两万元，远低于大型航空测绘无人机的出厂成本。3. 整个系统机动性强 整套设备不需要专门机场调运、调配，可用小型汽车装载托运，随时下车组装，3个工作人员2小时内可组装完毕。4. 受气候条件影响小 只要不下雨、下雪并且空中风速小于6级，即使是光照不足的阴天，飞机也可上天航拍。5. 飞行条件需求较低 不需要专门机场和跑道，可垂直起降。6. 满足大比例尺成图要求满足低空数字航空摄影测量内业规范CH/Z 3003-2010 1：500、1：1000、1：2000大比例尺成图精度要求，满足传统航测规范 GB 79301987和GB/T 79302008 中1：1000和1：2000大比例尺成图精度要求。7. 影像获取周期短、时效性强无人机遥感几乎不受场地和天气影响，飞行前准备工作可少于2个小时，因此可快速上天获取满足要求的遥感影像，从准备航飞到获取影像周期短，影像获取后可立即处理得到航测成果，时效性强。4.5项目指标4.5.1小型无人机低空航测系统物品清单：

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