Управление затвором фотоаппарата установленного на БПЛА

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.

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.

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.

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.

Таблица 3. Команды управления затвором фотоаппарата. 

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.

• 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.

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

• Считывать информацию (интервал срабатывания затвора) с платы управления затвором.
• Записывать информацию на плату управления затвором
• Изменять интервал времени срабатывания затвором фотоаппарата

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.