一種多鏡頭無人機(jī)圖傳裝置硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李宇峰

(湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410200)

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的興起，航拍逐漸進(jìn)入人們視野。目前的航拍圖傳采用相機(jī)多是三鏡頭，或者是四鏡頭的，而三鏡頭或是四鏡頭全景相機(jī)拍照效果較差，不是真正意義上的全景相機(jī)。而六鏡頭的全景相機(jī)雖然已經(jīng)推出，但是其控制電路復(fù)雜，器件眾多，可靠性不高，而且相機(jī)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出需要連接數(shù)據(jù)線，使用極其不便。本文提出并設(shè)計(jì)了一種多鏡頭無人機(jī)高清圖傳裝置的硬件設(shè)計(jì)方法，整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，并且數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出也非常靈活。

1 多鏡頭無人機(jī)高清圖傳裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 多鏡頭無人機(jī)高清圖傳裝置的功能模塊

如圖1所示為本文設(shè)計(jì)的多鏡頭圖傳裝置功能模塊圖：包括控制器電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)電路、鏡頭接口電路、數(shù)據(jù)接口電路、電源電路、串口擴(kuò)展電路和無線通信電路。電源電路給控制器電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)電路、相機(jī)接口電路和數(shù)據(jù)接口電路供電；控制器電路用于從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)電路接收相機(jī)鏡頭發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，將控制電路的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口電路對(duì)外進(jìn)行發(fā)送，或者從數(shù)據(jù)接口電路接收外部對(duì)控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)電路用于接收相機(jī)鏡頭產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給控制器電路；鏡頭接口電路用于連接相機(jī)鏡頭；數(shù)據(jù)接口電路用于連接外部設(shè)備；串口擴(kuò)展電路與控制器電路連接，用于提供與控制器電路連接的多個(gè)串口；無線通信電路與控制器電路連接，用于控制器電路將控制電路的數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)送，或者接收外部設(shè)備對(duì)控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖1 圖傳裝置功能模塊圖

2 多鏡頭無人機(jī)高清圖傳裝置的模塊化設(shè)計(jì)

2.1 串口擴(kuò)展電路

串口擴(kuò)展電路采用由型號(hào)為SN74CBTLV3257的復(fù)用芯片U1構(gòu)成的電路；串口擴(kuò)展電路與控制器電路連接，用于提供與控制器電路連接的多個(gè)串口。如圖2所示，U1的1腳通道選擇引腳連接到控制器電路中控制器芯片的36腳，用于通道切換控制；U1的第4、7、9、12腳分別連接到控制器芯片的第43、42、52、51腳，用于與控制器芯片的串口數(shù)據(jù)收發(fā)；U1的第2腳、第5腳連接到鏡頭1的接口的串口收、發(fā)；U1的第3腳、第6腳連接到鏡頭5接口的串口收、發(fā)；U1的第11腳、第14腳連接到鏡頭6接口的串口收、發(fā)；U1的第10腳、第13腳連接到鏡頭4接口的串口收、發(fā)；U1的15腳片選引腳接低電平，持續(xù)選通。

圖2 串口擴(kuò)展電路

2.2 相機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

相機(jī)接口電路如圖3所示。圖中J1為相機(jī)鏡頭接口，每個(gè)相機(jī)鏡頭接口包含4個(gè)相機(jī)供電引腳（VCC_CAM_SUPPLY），2個(gè) HDMI電源引腳（HDMI1_+5V），12個(gè)HDMI信號(hào)引腳，2個(gè)串口信號(hào)引腳（UART_CAM1_TX和 UART_CAM1_RX），2個(gè) USB信號(hào)引腳（USB2_DN1_D_P和 USB2_DN1_D_N），1個(gè) 中斷信號(hào)引腳（CAM1_INT），1個(gè)相機(jī)復(fù)位信號(hào)引腳（CAM1_RESET）和7個(gè)信號(hào)/電源的引腳（GND）。本文所設(shè)計(jì)的圖傳裝置共有6個(gè)類似的相機(jī)鏡頭接口，用于連接6個(gè)相機(jī)鏡頭。

圖3 相機(jī)接口電路

2.3 無線通信電路設(shè)計(jì)

如圖4所示為無線通信電路的電路原理圖，無線通信電路與控制器電路連接，用于控制器電路將控制電路的數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)送，或者接收外部設(shè)備對(duì)控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線通信電路采用由型號(hào)為UM402的無線通信模塊構(gòu)成的電路；模塊的第3、4腳分別連接到控制器芯片的第15、14腳，用于串口數(shù)據(jù)收發(fā)；其第5、6、7腳分別連接到控制器芯片的第10、11、21腳，用于模塊的收、發(fā)及通信參數(shù)控制。模塊電源通過電源開關(guān)芯片U10控制，U10采用型號(hào)為NCP340MUTBG的軟啟動(dòng)可控負(fù)載開關(guān)芯片，U10的第3腳連接到控制器芯片的第62腳，用于模塊電源開關(guān)控制，低電平開啟模塊電源，高電平關(guān)閉模塊電源。

2.4 數(shù)據(jù)接口電路設(shè)計(jì)

如圖5所示為數(shù)據(jù)接口電路的電路原理圖：數(shù)據(jù)接口電路為HDMI接口電路；J10為相機(jī)鏡頭的HDMI接口，用于把相機(jī)鏡頭接口輸出的HDMI信號(hào)轉(zhuǎn)接成標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口信號(hào)。每個(gè)HDMI接口包含12個(gè)與相機(jī)接口的HDMI信號(hào)對(duì)應(yīng)連接的HDMI信號(hào)引腳，包含1個(gè)HDMI電源引腳（HDMI1_+5V）和包含6個(gè)信號(hào)/電源的引腳（GND）。整個(gè)圖傳裝置共有6個(gè)類似的HDMI接口電路，用于連接6個(gè)相機(jī)鏡頭。

圖5 數(shù)據(jù)接口電路原理圖

2.5 充電器芯片的電路設(shè)計(jì)

如圖6所示為電源電路的BQ24195RGE的充電器芯片的電路原理圖：芯片通過I2C接口控制器芯片通信，用于電源參數(shù)控制；其通過第7腳提供中斷信號(hào)給控制器芯片的第2腳，電源有異常事件時(shí)可主動(dòng)告知控制器芯片；其1、24腳與輸入電源連接，這兩個(gè)管腳還通過電容C50、C51接地；其23腳提供V5P0電源輸出，這個(gè)管腳還通過C54～C59接地；其8腳通過電阻R53連接到VCC_SYS電源網(wǎng)絡(luò)；其4腳接LED1的陰極，LED1的陽極通過電阻R54連接到REGN電源網(wǎng)絡(luò)；其9腳通過電阻R56接地；其17、28、25腳接地；其19、20腳通過電感L1連接到VCC_SYS電源網(wǎng)絡(luò)，還通過電容C52連接到21腳；其22腳通過電容C62接地，還通過電阻R55連接到11腳；其15、16腳連接到VCC_SYS電源網(wǎng)絡(luò)，還通過電容C60、C61、C63接 地；其 13、14腳連接到電池+極，還通過電容C66～C68接地；其10腳通過電阻R58接地；其11、12腳連接到NTC電阻J9，還通過R57接地。

圖6 充電器芯片的電路原理圖

2.6 電源芯片電路設(shè)計(jì)

如圖7所示，為本高清圖傳裝置中電源電路的TPS62130RGT的電源芯片電路原理圖：芯片的10～12腳為電源輸入，連接到VCC_SYS電源網(wǎng)絡(luò)，其13腳使能腳也連接到VCC_SYS電源網(wǎng)絡(luò)，還通過電容C72、C73接地；其9腳通過電容C74接地；其0、6～8、15、16腳接地；其1～3腳通過電感L2連接到HUB_VCC1V1電源網(wǎng)絡(luò)，還通過電容C71、C75、C76、C81接地；其14腳連接到HUB_VCC1V1電源網(wǎng)絡(luò)；其5腳通過電阻R62接地，還通過電阻R60連接到HUB_VCC1V1電源網(wǎng)絡(luò)。

圖7 電源芯片電路原理圖

2.7 控制器電路設(shè)計(jì)

控制器電路采用由型號(hào)為STM32F072RBT6的控制器芯片組成的電路，如圖8所示?？刂破餍酒褂?路串口與串口擴(kuò)展電路連接，用于串口數(shù)據(jù)收發(fā)；其通過I2C接口與HUB電路連接，用于電路參數(shù)設(shè)置與管理；其通過串口與無線通信模塊連接，用于無線數(shù)據(jù)收發(fā)與參數(shù)配置；其通過第23腳控制由蜂鳴器B1、三極管Q1、電阻R63組成的蜂鳴器電路。晶振Y3，電容C46、C47組成外部晶振電路；電容C41～C45、C48組成電源濾波電路。

圖8 控制器電路原理圖

3 多鏡頭無人機(jī)高清圖傳裝置的外觀結(jié)構(gòu)及使用

整個(gè)無人機(jī)航拍裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示，包括無人機(jī)本體1，本體1的底部對(duì)稱設(shè)有支架4，本體1的兩側(cè)設(shè)有旋臂3的內(nèi)部安裝有驅(qū)動(dòng)裝置11，驅(qū)動(dòng)裝置11的上部輸出端設(shè)有螺旋機(jī)翼2，無人機(jī)本體1的內(nèi)腔底部設(shè)有蓄電池12本體1的內(nèi)腔上部設(shè)有移動(dòng)終端13，本體1的前后部居中安裝有航拍攝像頭5，無人機(jī)本體1與支架4接觸處設(shè)有伸縮槽6、定位槽7，伸縮槽6與定位槽7之間設(shè)有彈簧限位凸起10，支架4的上部設(shè)有支架限位凸起8，上部套接有減震彈簧9。

圖9 無人機(jī)航拍裝置結(jié)構(gòu)

蓄電池12和移動(dòng)終端13的外側(cè)均設(shè)有保護(hù)層14,通過保護(hù)層14的設(shè)置，使得在溫度寒冷的外界環(huán)境下，保證蓄電池12和移動(dòng)終端13始終保持在正常的工作環(huán)境，有利于蓄電池12給移動(dòng)終端13、驅(qū)動(dòng)裝置11和航拍攝像頭5供電，有利于移動(dòng)終端13接收航拍攝像頭5圖像信號(hào)并發(fā)出無人機(jī)遙控信號(hào)。航拍裝置5在裝配時(shí)首先將帶元件的主板、帶電池的電源板以及圖像處理板三塊PCB插入下支架的安裝卡槽中，再將上支架與下支架合攏，組成正方體框架； 正方體框架有十二條棱邊，其中二條棱邊上設(shè)有U型槽，將兩塊I/O接口板分別安裝于相應(yīng)的U型槽內(nèi)，然后將六個(gè)鏡頭模組裝在傳感器電路板上，再將六塊傳感器電路板分別裝入正方體框架的六個(gè)面的下沉臺(tái)階里，其中鏡頭模組的排列采用縱橫交錯(cuò)的方式進(jìn)行，每個(gè)鏡頭模組采用四個(gè)螺釘固定，至此全景相機(jī)內(nèi)部的零部件已經(jīng)組裝完畢；接著將上殼體與下殼體套在裝配完成后的支架外組成一個(gè)完整的菱形球體，上殼體和下殼體分別設(shè)有U型的條形槽，棱形球體由若干全等三角形面和全等六邊形面組成；其中8個(gè)三角形面的中心位置具有螺釘孔，與由上支架、下支架組成的正方體框架的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)，6個(gè)六邊形面的中心具有圓形通孔，用于鏡頭模組的鏡頭通過，將硅膠按鍵、硅膠防護(hù)蓋裝入上殼體和下殼體的條形槽中，再把裝好硅膠零件的上殼體和下殼體將帶印制板的鋁合金正方體框架封裝成為菱形球體。最后將鏡頭裝飾片裝入鏡頭凸起環(huán)，再把鏡頭凸起環(huán)扣在菱形球體的鏡頭處，蓋上鏡頭蓋，之后將沉頭螺釘擰入上、下殼體的螺釘孔中將殼體與支架連為一體，最后壓入螺孔堵塞即完成整個(gè)裝配。裝配好的支架內(nèi)安裝有主板、電源板和圖像處理板。支架為鏤空的正方體型框架，包括可拆卸連接為一體的上支架和下支架，以保證鏡頭模組4在裝配時(shí)能夠均勻分布并且實(shí)現(xiàn)可靠定位。支架的各個(gè)面上均通過螺釘連接有傳感器電路板，各傳感器電路板上均裝有鏡頭模組，保證鏡頭模組位于各面的中心位置處，鏡頭模組的鏡頭伸出外殼外。支架各棱中邊的兩條棱邊上設(shè)有U型槽，兩U型槽內(nèi)分別安裝有一塊I/0接口板，其中一塊接口板上具有USB2.0、USB3.0和HDMI接口，另外一塊接口板上具有MICROSD卡、電源鍵及LED顯示。鏡頭模組的全景視頻分辨率達(dá)到4K：3840×1920p24/25/30/48/50/60、4096X2048p24/25/30/48/50/60.鏡頭模組的全景照片分辨率達(dá)到8192×40968192×8192，以保證拍攝的效果，同時(shí)將全景投影方式設(shè)計(jì)為支持等圓柱投影、平面投影、Pannini投影、墨卡托投影、魚眼投影、小行星投影、正弦投影和等矩形投影以增大本實(shí)施例的適用范圍，并且使全景視頻實(shí)時(shí)直播支持WIFI、4G、Ethernet、HDMI。

減震彈簧9卡接于支架限位凸起8和彈簧限位凸起10之間,通過減震彈簧9的設(shè)置，在無人機(jī)完成航拍任務(wù)降落地面，支架4接觸地面，支架限位凸起8擠壓減震彈簧9，減震彈簧9擠壓彈簧限位凸起10，此時(shí)，支架4的上端位于伸縮槽6的內(nèi)部，減震彈簧9起到很好的減震作用。

無人機(jī)本體1的內(nèi)腔沿壁設(shè)有保溫層15,通過保溫層15的設(shè)置，保證了無人機(jī)本體1的內(nèi)腔各個(gè)設(shè)備的工作溫度處于正常狀態(tài)。旋臂3為對(duì)稱設(shè)置,通過旋臂3的設(shè)置，旋臂3的內(nèi)部安裝有驅(qū)動(dòng)裝置11，在驅(qū)動(dòng)裝置11通過蓄電池12供電后，給螺旋機(jī)翼2提供動(dòng)能，旋臂3可完成對(duì)無人機(jī)本體1的提升。

使用時(shí)，移動(dòng)終端13發(fā)出無人機(jī)遙控信號(hào)，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置11通過蓄電池12供電后，給螺旋機(jī)翼2提供動(dòng)能，旋臂3可完成對(duì)無人機(jī)本體1的提升，航拍攝像頭5拍攝圖像后，移動(dòng)終端13接收航拍攝像頭5圖像信號(hào)，并將圖像信號(hào)傳遞至地面控制中心，通過安裝有的航拍攝像頭5，滿足了多角度，多方位的拍攝，保證拍攝效果，在無人機(jī)完成航拍任務(wù)降落地面，支架4接觸地面，支架限位凸起8擠壓減震彈簧9，減震彈簧9擠壓彈簧限位凸起10，此時(shí)，支架4的上端位于伸縮槽6的內(nèi)部，減震彈簧9起到很好的減震作用。

4 總結(jié)

本文提出并實(shí)現(xiàn)的多鏡頭無人機(jī)高清圖傳裝置，能同時(shí)攜帶6個(gè)高清航拍攝像頭。整個(gè)裝置包括控制器電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)電路、鏡頭接口電路、數(shù)據(jù)接口電路、電源電路、串口擴(kuò)展電路和無線通信電路。各電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，并且數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出也非常靈活，通過擴(kuò)展平衡充電模塊，增加電池的使用壽命，為后續(xù)進(jìn)一步研制高清圖傳研制提供了一定的參考價(jià)值。