一種基于自動巡航無人機的低空遙感系統及遙感方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于航測技術領域，尤其涉及一種基于無人飛行器的低空遙感系統。
【背景技術】
[0002]無人飛行器，尤其是無人機，廣泛運用于民用和軍事活動中。作為低空飛行平臺，無人機，尤其是采用油動動力的無人機，擁有良好的帶載能力，能夠有效克服地形障礙，完成對地觀測的任務。遙感技術，是根據電磁波的理論，應用各種傳感儀器對遠距離目標所輻射和反射的電磁波信息，進行收集、處理，并最后成像，從而對地面各種景物進行探測和識別的一種綜合技術。
[0003]目前遙感作業主要基于衛星、載人飛機等平臺，基于衛星獲得的遙感圖像具有大空間尺度，低時間、空間分辨率的特征，適用于分析宏觀的區域地理信息。基于載人飛機獲得的遙感圖像可以彌補衛星遙感圖像在時間和空間分辨率上的不足，給出某一地區相對具體的遙感信息，但載人飛機的使用成本高昂，所搭載傳感器體積龐大且價格昂貴，所以其應用場景受限。因此，迫切需要發展一種輕量化，高時間、空間分辨率，低成本的低空遙感系統，以方便、廉價地收集高分辨率的局部地區地理信息。
【發明內容】
[0004]為了解決上述問題，本發明提出了一種基于自動巡航無人機的低空遙感系統，其包括:載荷系統、數據采集系統、數據傳輸系統及控制系統；
載荷系統包括無人機和增穩云臺；增穩云臺安裝于無人機上，用于掛載遙感設備； 數據采集系統包括遙感設備；
數據傳輸系統用于無人機與地面的數據通信；
控制系統包括:飛行控制器、云臺控制器、數據采集控制器，其中飛行控制器用于控制無人機的飛行狀態；云臺控制器用于控制云臺姿態；數據采集控制器用于控制數據采集設備的開關與數據傳輸。
[0005]優選地，所述控制系統還包括數據通信控制器，用于將數據回傳給地面控制站；或是通過移動通信網絡將數據上傳到在線服務器，由服務器轉發給接入網絡的地面控制站。
[0006]優選地，數據采集控制器包括:
微控制器；
觸發電路，該電路與遙感設備相連，根據微控制器的指令，控制遙感設備開啟或關閉數據采集功能；
飛行控制器數據通信接口:
連接飛行控制器，實時接收飛行控制器輸出的定位信息及相對高度信息；
遙感設備數據通信接口:與遙感設備進行雙向數據通信。
[0007]數據通信控制器接口:將遙感圖像數據傳輸給數據通信控制器。
[0008]優選地，飛行控制器搭載導航器件，對導航器件所獲取的信息進行數據融合處理，并控制無人機沿預設航線定高度巡航。
[0009]優選地，云臺控制器根據飛行器姿態信息實時調整云臺姿態，使遙感設備的姿態朝向在不同飛行器姿態下都保持恒定。
[0010]優選地，遙感系統將采集到的數據保存在本機的存儲卡上待飛行結束后再將數據導出，或者實時將遙感圖像通過數據傳輸系統傳回地面控制站。
[0011]同時，本發明還提出了一種使用上述低空遙感系統的遙感方法，其包括以下步驟:
步驟11:設定遙感目標區域、飛行高度和/或航線；
步驟12:控制無人機的飛行、航線校正和/或姿態調整；
步驟13:控制遙感系統進行數據采集。
[0012]優選地，步驟11進一步包括以下步驟:
步驟111:通過地理信息系統結合GPS衛星定位系統劃定目標數據采集區域；
步驟112:根據遙感設備焦距及對遙感數據的空間分辨率需求確定飛行高度；
步驟113:根據高度和遙感設備焦距計算出能夠覆蓋目標遙感數據采集區域且滿足旁向重疊比例的航線；
步驟114:根據規劃出的航線和航向重疊比例確定目標遙感區域的數據采集點。
[0013]優選地，步驟12進一步包括以下步驟:
步驟121:判定當前航線是否與預設航線發生偏差，若是，則通過飛行控制器對航向進行修正；
步驟122:根據當前飛行器位置間隔固定時長對是否進行數據采集進行判定，若當前飛行器進入數據采集點附近的數據采集區間，則進入飛行姿態判定步驟；
步驟123:若飛行器姿態處于平飛狀態，則進入數據采集步驟，若飛行器姿態不平，則通過云臺控制器調整云臺姿態。
[0014]優選地，本發明還包括對遙感設備的拍攝姿態角進行調整，具體步驟如下:
步驟131:確定遙感圖像的采集角度；
步驟132:從飛行控制器獲得飛行器姿態信息；
步驟133:從云臺控制器獲得云臺姿態信息；
步驟134:根據飛行器姿態和云臺姿態信息判定遙感設備的姿態角；
步驟135:云臺控制器調整云臺姿態，使得設備姿態角滿足要求。
[0015]本發明設計的自動巡航無人機的低空遙感系統，能夠實現無人機沿預設航線高精度定高度巡航，并進行遙感數據采集。該方案具有輕量化，高時間、空間分辨率，低成本的顯著效果。
[0016]【附圖說明】:
圖1為低空遙感系統結構圖。
[0017]圖2為數據采集控制器結構圖。
[0018]圖3為低空遙感系統遙感數據采集流程圖。
[0019]圖4為低空遙感系統遙感設備姿態調整流程圖。
[0020]【具體實施方式】:
實施方式一: 如附圖1所示，本發明提出的一種基于自動巡航無人機的低空遙感系統，其包括:載荷系統、數據采集系統、數據傳輸系統及控制系統。
[0021]載荷系統包括無人機和增穩云臺。在輕量化的低空遙感系統中，載荷系統飛行器以無人機為主，視不同的遙感作業需求及任務負載，飛行器可以選用固定翼、多旋翼及直升機，其特征是具備自主飛行能力，可按規劃好的既定航線執行飛行任務。增穩云臺安裝于無人機上，用于掛載遙感設備，增穩云臺包含兩個伺服電機。
[0022]數據采集系統包括各種遙感設備，根據不同的任務需求，可選用不同的遙感設備，主要可分為成像設備和測感設備，其中，成像設備包括:多光譜成像儀、高光譜成像儀、可見光相機；測感設備包括:微波輻射計、激光雷達。
[0023]數據傳輸系統用于提供無人機的數據本地存儲、無人機與地面的數據通信等等；包括2.4G點對點傳輸系統、蜂窩網絡傳輸系統和/或本地數據存儲系統。
[0024]控制系統包括:飛行控制器、云臺控制器、數據采集控制器和數據通信控制器，相互之間通過數據總線通信。其中飛行控制器用于控制無人機的飛行狀態；云臺控制器用于控制云臺姿態，云臺控制器通過串口與飛行器控制器連接，根據飛行控制器慣性導航元件頂U中陀螺儀輸出的飛行器姿態信息實時調整云臺姿態，使遙感設備的姿態朝向在不同飛行器姿態下都保持恒定；數據采集控制器用于控制數據采集設備的開關與數據傳輸；數據通信控制器用于控制數據的通信連接。
[0025]數據采集控制器包括(如圖2所示):
微控制器MCU，作為數據采集控制器的核心。
[0026]觸發電路:該電路與遙感設備相連，根據微控制器的指令，控制遙感設備開啟或關閉數據采集功能；
飛行控制器接口:連接飛行控制器，實時接收飛行控制器輸出的定位信息及相對高度信息。該接口通過串口、I2c或SPI等總線連接數據采集控制器和飛行控制器，實時接收飛行控制器輸出的GPS定位信息及相對高度信息，這些信息會記錄在遙感圖像的Metadata元數據中，是遙感圖像預處理進行空中三角測量的必要信息。
[0027]遙感設備接口:與遙感設備進行雙向數據通信；下行通信通過串口與遙感設備連接，將從飛行控制器獲得的定位信息及相對高度信息實時傳輸給遙感設備，遙感設備獲得上述信息后將其實時寫入所采集的遙感圖像，需要指出的是，GPS數據包采用NEMA協議進行傳輸；上行通信把采集到的遙感圖像通過串口、1?或SPI等總線上傳給數據采集控制器，再由數據采集控制器進行本地存儲或通過數據通信控制器實時進行回傳。
[0028]數據通信控制器接口:將遙感圖像數據傳輸給數據通信控制器。連接方式包括串口、I2C或SPI等數據總線。
[0029]遙感設備采集到地理數據后，根據任務需求，可將數據保存在本機的存儲卡上待飛行結束后再將數據導出或者實時將遙感圖像通過數據鏈路傳回地面控制站，進行實時遙感信息處理。
[0030]數據采集系統控制器接收到遙感設備上傳的圖像數據后，根據預先設置的工作模式，通過串口、I2C或SPI等數據總線將數據寫入SD卡存儲器中或是將數據傳輸給數據通信控制器。
[0031]數據通信控制器通過2.4G點對點數據傳輸鏈路回傳給地面控制站，或是通過FDD-LTE、TDD-LTE等4G制式的網絡或者WCDMA、TDSCDMA、CDMA2000等3G制式的移動通信網絡將數據傳到在線服務器，由服務器轉發給接入網絡的地面控制站。
[0032]飛行控制器搭載導航器件，主要包括GPS衛星定位模塊、IMU慣性導航器件、氣壓計以及視覺導航器件。其中GPS衛星定位模塊實時接收衛星定位數據，確定飛行器的當前位置，IMU慣性導航器件包含三軸陀螺儀，根據陀螺儀反