Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №21 (май) 2015
Разделы: Техника, Электроника
Размещена 12.05.2015. Последняя правка: 18.05.2015.

Управление затвором фотоаппарата установленного на БПЛА

Айнакулов Жарас Жетыбаевич

Магистр технических наук

Казахский национальный университет имени аль-Фараби

Кафедра информационных систем, докторант

Кузьмин А.Г., Мухамедгалиев А.Ф., Разакова М.Г., Смирнов В.В.: Национальный Центр Космических Исследований и Технологий, Казахстан, Алматы


Аннотация:
В данной статье рассматривается вопрос разработки механизма срабатывания затвора цифрового фотоаппарата установленного на беспилотный летательный аппарат для выполнения аэрофотосъемки.


Abstract:
This article discusses the development of a mechanism shutter digital camera mounted on an unmanned aerial vehicle to perform aerial photography.


Ключевые слова:
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА); аэрофотосъемка; микроконтроллеры; авиация; мультикоптер; автопилотирование.

Keywords:
Unmanned aerial vehicles (UAVs); aerial photography; microcontrollers; aviation; multicopter; autopilot.


УДК 629

Одним из направлений применения беспилотных летательных аппаратов является аэрофотосъемка с целью построения или обновления географических карт. Для этого используются цифровые фотоаппараты с разрешением не менее 10 Мп. Желательно чтобы фотоаппараты были откалиброваны, т.е. чтобы были известны фокусное расстояние, размер пикселя, дисторсия и положение оптического центра кадра. Вопрос калибровки в данной статье не рассматривается.

При выполнении картографической аэрофотосъемки необходимо обеспечить выполнение нескольких условий.

1. По возможности выдержать неизменным в пределах 5-10% масштаб аэросъемки, т.е. необходимо выполнять съемку с одной высоты.

2. Каждый снимок должен иметь перекрытие с соседними снимками не менее 60%.

3. Фотоаппарат должен обеспечивать выдержку, исключающую смаз (размытие) изображения.

Исходя из этих условий определяются требования к полету беспилотника, вернее к его электронной начинке и программному обеспечению.

Управление беспилотным аппаратом осуществляется полетным контроллером снабженным микропроцессором и множеством различных датчиков. Полетный контроллер работает под управлением заложенной в него программой, так называемой прошивкой.

Для целей аэросъемки необходимо чтобы беспилотник обладал функцией автопилота, позволяя ему летать по заранее спланированному маршруту, определяемому путевыми точками с заданными координатами.

В настоящее время на рынке представлены несколько полетных контроллеров от разных производителей содержащих функцию автопилотирования. В таблице 1 [1] приведены некоторые данные по наиболее используемым контроллерам.
 
Таблица 1. Характеристики популярных полетных контроллеров.

 

ARM

DJI(NAZA w/GPS)

DJI(Wookong-M Waypoint)

ZeroUAV (YS-X4 low end)

ZeroUAV (YS-X6 high end)

Micrkcopter

Hoverfly Pro w/GPS

uThere (Ruby)

Состав

Автопилот, GPS, контроль питания, дальняя телеметрия

Автопилот, контроль питания

Автопилот, GPS, контроль питания, телеметрия

Автопилот, GPS, контроль питания, телеметрия

Автопилот, GPS, контроль питания, дальняя телеметрия

Автопилот, GPS, контроль питания, дальняя телеметрия

Автопилот, только GPS

Автопилот, только GPS

Цена $USA

249

399

~3000

639

~2700

~2500

900

345

Полная автономность

ДА

Только RTL

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

Поддержка путевых точек

166

1

50

8 на 500м (Navigator)

16 на 500 м (Navigator)

100 на 250 м

1

1

Редактирование в полете

ДА

НЕТ

ДА

Только сопровождение

Только сопровождение

ДА

НЕТ

НЕТ

Беспроводное конфигурирование

ДА (Радиотелеметрия)

НЕТ

ДА (Bluetouth)

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

Поддержка Geo-Fence

ДА

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

Симуляторы полетов (индивидуальный/сетевой)

Оба

НЕТ

Только сетевой

НЕТ

НЕТ

Только индивидуальный

НЕТ

НЕТ

Открытый доступ к настройкам и кодам

ДА

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

Открытый доступ к протоколам обмена

ДА

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

Трикоптер

ДА

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

Квадрокоптер (+ и Х)

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

НЕТ

Гексакоптер

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

НЕТ

Октокоптер

ДА

НЕТ

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

НЕТ

Y6

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

НЕТ

ДА

НЕТ

X8

ДА

ДА

ДА

ДА

ДА

НЕТ

ДА

НЕТ

Обычный вертолет

ДА

НЕТ

ДА

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

Самолеты

ДА

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

НЕТ

ДА

Из приведенной таблицы видно, что самым функциональным и не дорогим является контроллер APM Рис.1 на базе микропроцессора ATMEGA [1] разрабатываемый компанией DIY Drones.

Эта плата позволяет управлять БПЛА как в ручном режиме (с пульта оператора), так и в режиме автопилота заставляя аппарат двигаться по заранее загруженным точкам траектории.


Рис.1. Плата управления ArduPilot.
Рис.1. Плата управления ArduPilot.

Настройка платы производится с помощью программы Mission Planner. Данная программа позволяет выполнить планирование маршрута полета Рис.2, определить точки срабатывания затвора фотоаппарата Рис.3 и осуществить загрузку этих данных в летательный аппарат.

Рис.2.Планирование полета в Mission Planer.
Рис.2.Планирование полета в Mission Planner.

Рис.3. Расчетные точки срабатывания затвора фотоаппарата.
Рис.3. Расчетные точки срабатывания затвора фотоаппарата.

По данным планировщика полетов Рис.2 - 3 видно, что для выбранной территории необходимо сделать более 7000 снимков летая по 94 маршрутным линиям, расположенным на расстоянии 58.5 метров друг от друга. Общий путь, который должен пролететь беспилотник составляет 139.66 км.

Следует учитывать, что летные возможности гражданских беспилотников не безграничны. Одной заправки электропитания (один или несколько заряженных аккумуляторов LiPo) полностью экипированного для аэрофотосъемки с мультикоптера хватает на 10-15 минут полета. За это время мультикоптер гарантированно может пролететь расстояние по двум линиям - туда и обратно общей длиной порядка 2 километров.

Для предварительной оценки режимов аэросъемки в Таблице 2 приведены характерные значения параметров съемки.
 
Таблица 2. Расчетные значения характеристик аэросъемки для цифрового фотоаппарата SONY NEX 5N

Марка фотоаппарата

SONY NEX 5N

           

Фокусное расстояние

F=18 mm,

           

Размер пиксела

pix=4.7 мкр.

           

Размер матрицы X

3264 pix

           

Размер матрицы  Y

4912 pix

           

Скорость полета

5 м/с

           

Выдержка

1/2500 с.

           

Величина смаза

0.4 мм

           

Расчетные значения параметров снимка

Высота полета (м)

20

40

60

80

100

150

200

Размер кадра X (м)

17.04533333

34.09067

51.136

68.18133

85.22667

127.84

170.4533

Размер кадра Y (м)

25.65155556

51.30311

76.95467

102.6062

128.2578

192.3867

256.5156

Разрешение на земле (см)

0.522222222

1.044444

1.566667

2.088889

2.611111

3.916667

5.222222

Перекрытие вдоль полета= 60%

Расстояние между центрами кадров вдоль полета(м)

6.818133333

13.63627

20.4544

27.27253

34.09067

51.136

68.18133

Интервал съемки (с)

1.363626667

2.727253

4.09088

5.454507

6.818133

10.2272

13.63627

Перекрытие вдоль полета = 80%

Расстояние между центрами кадров вдоль полета(м)

3.409066667

6.818133

10.2272

13.63627

17.04533

25.568

34.09067

Интервал съемки (с)

0.681813333

1.363627

2.04544

2.727253

3.409067

5.1136

6.818133

 Для управление фотоаппаратом SONY NEX 5N используются следующие компоненты камеры Рис.4.


Рис.4. Компоненты камеры.
Рис.4. Компоненты камеры.

1 - включение/выключение фотоаппарата
2 - кнопка затвора
3 - Датчик пульта дистанционного управления

Для осуществления срабатывания затвора фотоаппарата в полете можно а) нажать на кнопку 2 с помощью сервопривода, б) подать ИК сигнал на датчик 3, в) замкнуть выведенные провода от контактов кнопки 2.

Вместе с тем, имеются ограничения платы APM, не позволяющие полноценно проводить фотосъемку с целью получения картографической продукции. Одним из них является малое количество (166) точек съемки, которое воспринимает контроллер полета при планировании маршрута. Еще одним ограничением является то, что при загрузке в полетный контроллер более 255 точек данные об остальных точках попадают в область прошивки контроллера, его программное обеспечение нарушается, он перестает правильно функционировать и требуется его повторная прошивка.

Таким образом, возникла задача проанализировать состояние вопроса управления затвором фотоаппарата и найти альтернативные способы его решения. Личный научный вклад автора состоит в выявлении названных проблем, участии в постановке задачи и ее решении.

Анализ вопроса.

На одном из форумов [2] обсуждался вопрос затвором фотоаппарата со шнуром дистанционного управления. Как выяснилось готовых решений нет и высказывались предложения использовать либо USB, либо COM порт компьютера. Однако на БПЛА компьютер не поставишь и роль компьютера выполняет полетный контроллер.

Процесс аэрофотосъемки с БПЛА рассматривался во многих работах [3-5]. Но, механизм управления срабатыванием затвора нигде не описывался. По видимому как и в работе [6] для аэросъемки камера подключалась к автопилоту через USB кабель и срабатывание затвора производится по команде от автопилота.

Действительно управление затвором фотоаппарата в процессе автопилотирования можно осуществить в программе Mission Planer с помощью команд для программирования полетного контроллера APM.

В таблице 3 приводится перечень команд предназначенных для управления затвором фотоаппарата [7].

Таблица 3. Команды управления затвором фотоаппарата. 

Команда

Параметры

Описание

 

Do-Set-Cam-Trigg-Dist

Dist(m)

Активация затвора через каждые m метров полета

 

Do-Set-Relay

off (0) / on (1)

Однократно устанавливает один из выходов в 0 (0 вольт) или 1 (+5 вольт)

 

Do-Repeat-Relay

Repeat #

Delay (s)

Переключает выбранный цифровой выход заданное число раз (Repeat#) где Delay (s) – кол-во сек. между каждым переключением

 

Do-Set-Servo

Ser No

PWM

Аналогично Do-Set-Relay, но сигнал – PWM

 

Do-Repeat-Servo

Ser No

PWM

Repeat #

Delay (s)

Аналогично Do-Repeat-Relay, но сигнал – PWM

Ser No – номер канала

PWM – максимальное значение PWM

 

Do-Digicam-Control

нет

Однократное включение затвора

Do-Set-Relay – при планировании полета нужно задавать эту команду для каждого момента фотографирования.  Это удваивает количество записываемых в контроллер команд - нужно дать команду на подлет к точке фотографирования и затем команду на само фотографирование Do-Set-Relay (очень быстро достигается ограничение на кол-во событий 255 в плане полета).

Do-Repeat-Relay:

  • нужно для каждой линии заранее знать кол-во переключений;
  • при каждом переключении сигнал меняет состояние на противоположное. т.е. при поступлении сигнала включения и далее длительном интервале до сброса, фотоаппарат непрерывно щелкает;
  • требуется разработать промежуточный между фотоаппаратом и АРМ 2.х платой блок для срабатывания затвора.

Aналогичные недостатки имеются и для команд Do-Set-Servo, Do-Repeat-Servo (сигнал PWM) и Do-Digicam-Control.

С целью преодоления этих ограничений была произведена доработка механизма срабатывания затвора фотоаппарата, которую можно реализовать практически на любом микроконтроллере. Суть доработки заключается в том, что после включения оператором на земле режима автопилота срабатывает схема посылки сигнала срабатывания затвора фотоаппарата через заранее установленный интервал времени. По этому сигналу производится либо замыкание контактов кнопки срабатывания затвора выведенных из фотоаппарата, либо посылка пакета импульсов навесного инфракрасного светодиода вынуждающих срабатывание затвора. Для формирования сигнала срабатывания затвора использовался микроконтроллер (МК) ATmega328 на плате Arduino Mini Pro [8]. В зависимости от используемого варианта срабатывания затвора (замыкание или ИК) используется своя версия прошивки микроконтроллера. Для организации записи координат, времени, углов ориентации коптера и других данных во flash память APM в  момента срабатывания затвора этот сигнал дублируется, т.е. он формируется и как PWM и как одиночный импульс с заданной продолжительностью.

При выполнении доработки должны были быть выполнены следующие условия:

  • Не должна нарушаться система сигналов, применяемая в полетном контроллере;
  • Необходимо иметь возможность получить сигнал включения затвора замыканием контактов.

Подключение Arduino Mini Pro в систему управления показано на Рис.5.

 
Рис.4. Схема подключения таймера к ARM.
Рис.5. Схема подключения таймера к APM.

Для корректной работы таймера была разработана блок-схема алгоритма его работы приведенная на Рис.6.

Рис.5. Блок-схема алгоритма работы таймера.
Рис.6. Блок-схема алгоритма работы таймера.

Функции, участвующие в основном цикле программы показаны на Рис.7.

Рис.6. Используемые функции и прерывания.Рис.7. Используемые функции и прерывания.

Описание работы таймера.

В обычном режиме работы (без доработки) по команде с пульта управления на приемник поступают сигналы PWM (Pulse-Width Modulation). Эти сигналы передаются на плату APM и формируют следующие команды:
  • Автопилот – команда на движение аппарата по заданной траектории;
  • РУ – команда на ручное включение-выключение затвора;
  • Др. сигналы.

Сигналы Автопилот и РУ являются цифровыми, т.е. принимают значение ДА или НЕТ.

При этом форма сигнала НЕТ Рис.8 отличается от формы сигнала ДА Рис.9 только длительностью импульса.

 
Рис.7. Форма сигнала НЕТ.
Рис.8. Форма сигнала НЕТ.

Рис.8. Форма сигнала ДА.
Рис.9. Форма сигнала ДА.

Сигналы Автопилот и РУ поступают на входы 3 и 2 (Рис.5) платы Arduino соответственно. Причем сигнал Автопилот поступает параллельно и на APM 2.5, а РУ только на микроконтроллер. На выходе 9 Arduino формируется сигнал PWM вместо сигнала РУ, поступающий на APM 2.5. Этот сигнал нужен чтобы во флэш памяти APM 2.5 фиксировать координаты камеры во время срабатывания затвора.

Входы 2 и 3 непрерывно анализируются и при отсутствии сигналов Автопилота или РУ-включения затвора (длительность импульса ≈ 1 мс) – на выходе 9 вырабатывается сигнал PWM выключения и на выходе 7 ноль напряжения (реле обесточено, затвор не срабатывает).

При приходе сигнала включения затвора – РУ (длительность импульса на входе 2 ≈ 2 мс) и отсутствии сигнала Автопилот (длительность импульса на входе 3 ≈ 1 мс) – на выходе 9 вырабатывается сигнал PWM включения и на выходе 7 – 5 вольт напряжения (реле запитывается, затвор срабатывает).

При приходе сигнала Автопилот (длительность импульса на входе 3 ≈ 2 мс) –режим РУ блокируется и на выходе 9 формируется сигнал периодического включения затвора с заданным интервалом времени между включениями в зависимости от режима съемки. Сигналы на выходе 9 (PWM) и на выходе 7 (аналоговый) формируются параллельно.

В результате этой доработки можно загружать только конечные точки линии (количество которых значительно меньше точек срабатывания затвора), и на линии полета затвор фотоаппарата срабатывает через заранее заданный интервал времени обеспечивая необходимое перекрытик кадров.

Данная доработка позволяет планировать и выполнять аэрофотосъемку практически с любым перекрытием кадров.

Опыт эксплуатации коптера с существующей доработкой показал неудобство изменения режима работы фотоаппарата. Чтобы поменять время срабатывания затвора фотоаппарата необходимо плату с микроконтроллером подключить к компьютеру и заменить прошивку с новым временем. Это не всегда удобно, особенно в полевых условиях. Поэтому был разработан внешний блок программирования платы управления затвором фотоаппарата.

Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке ниже на Рис.10

Рис.9. Схема программатора таймера.
Рис.10. Схема программатора таймера.

Блок программирования позволяет:
  • Считывать информацию (интервал срабатывания затвора) с платы управления затвором.
  • Записывать информацию на плату управления затвором
  • Изменять интервал времени срабатывания затвором фотоаппарата
Связь блока программирования с платой управления затвором осуществляется с помощью интерфейса I2C по четырехжильному проводу через разъем X1. Одновременно по этому же четырехжильному проводу подается питание на блок программирования с платы управления затвором, находящейся на коптере. Резисторы номиналом 10Ком, обеспечивающие работу интерфейса I2C, установлены также на плате управления затвором.

Кнопки “ +(Прочитать) “ и “ –(Записать)” выполняют двойные функции.

При долгом нажатии кнопки “ +(Прочитать) “ (более 1,5 сек) происходит считывание переменной, задающей интервал времени срабатывания затвора фотоаппарата, из энергонезависимой памяти платы управления затвором. Время в секундах отображается на семисегментных индикаторах. После считывания можно задать новый интервал, кратковременно нажимая кнопки “+” и “–“. Шаг изменения интервала – 50 мсек. После установки нового времени можно записать новое значение в энергонезависимую память платы управления затвором, путем долгого нажатия кнопки “–(Записать)”.


Преимущества разработанного варианта механизма срабатывания затвора фотоаппарата заключаются в возможности получения неограниченного количества снимков с максимальным перекрытием кадров вдоль линии полета и в возможности использования любого цифрового фотоаппарата. Наличие созданного программатора обеспечивает легкость перепрограммирования в полевых условиях. В результате выполненной доработки можно загружать только конечные точки линии полета (количество которых значительно меньше точек срабатывания затвора).

Выводы.

В результате проделанной работы разработаны и созданы: программируемый таймер задания интервалов времени срабатывания затвора для любого цифрового фотоаппарата не зависящий от используемого полетного контроллера и программатор таймера, работа которых была испытана на практике. Данная доработка позволяет планировать и выполнять аэрофотосъемку практически с любым перекрытием кадров.

Библиографический список:

1. ArduPilot Mega (APM) 2.6 на квадрокоптер [Электронный ресурс]: Полетный контроллер ArduPilot Mega (APM) 2.6. URL: http://ardupilot-mega.ru (дата обращения 01.05.2015)
2. KAZUS.RU - Электронный портал. [Электронный ресурс]: Управление затвором фотоаппарата через COM порт компьютера (вознагрождение) URL: http://kazus.ru/forums/showthread.php?t=101370 (дата обращения 01.05.2015)
3. Аэрофотосъемка и ортофотоплан с БПЛА беспилотного аппарата от производителя [Электронный ресурс]: Аэрофотосъемка с БПЛА - ортофотоплан URL: http://unmanned.ru/service/aerophoto.htm
4. Международный конкурс инновационных проектов, ориентированных на партнерство государств и цивилизаций [Электронный ресурс]: Типоразмерный ряд беспилотных летательных аппаратов URL: http://do.gendocs.ru/docs/index-57567.html?page=15
5. Startbase - Cистема активизации и повышения результативности инновационного процесса - Продукция / Обзор продукта / Картографический аэрофотосъёмочный комплекс на базе БПЛА [Электронный ресурс]: Картографический аэрофотосъёмочный комплекс на базе БПЛА URL: http://www.startbase.ru/products/36455/
6. ГЕОСалют [Электронный ресурс]: БПЛА на службе геодезистов URL: http://geosalut.pulscen.ru/news/246836
7. ArduPilot Mega (APM) 2.6 на квадрокоптер [Электронный ресурс]: Полетный контроллер ArduPilot Mega (APM) 2.6. URL: http://ardupilot-mega.ru/wiki/arducopter/mission-command-list.html (дата обращения 01.05.2015)
8. Arduino Cookbook. 2nd Edition / Michael Margolis. - 2-е изд., O'Reilly Media, 2011г. - 662с.




Рецензии:

12.05.2015, 21:07 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Из статьи непонятно, каков личный научный вклад автора статьи. Отсутствуют выводы. Недостаточно доказано, чем представленный вариант управления затвором лучше предыдущих аналогов. Желательно, чтобы в библиографии были ссылки на научные труды автора статьи. Считаю, что, после соответствующих исправлений, статья может быть рекомендована к публикации.

13.05.2015 9:09 Ответ на рецензию автора Айнакулов Жарас Жетыбаевич:
Уважаемый Игорь Евгеньевич! Большое спасибо за Ваш труд по анализу нашей статьи. Мы учтем все Ваши замечания и в ближайшее время сообщим об этом.



Комментарии пользователей:

18.05.2015, 14:43 Айнакулов Жарас Жетыбаевич
Отзыв: Уважаемый Игорь Евгеньевич! Согласно Вашим замечаниям мы доработали статью. Для автора тема статьи является новой, по этому нет ссылок на научные труды. Ранее автором была опубликована статья на тему "Информационно-предметная среда как фактор профессиональной подготовки будущих специалистов по информационным технологиям" в 2nd International Scientific Conference "European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches"


Оставить комментарий


 
 

Вверх