一种多镜头无人机图传装置硬件电路设计与实现_李宇峰.pdf

设计研发2022.2450 引言随着无人机技术的兴起，航拍逐渐进入人们视野。目前的航拍图传采用相机多是三镜头，或者是四镜头的，而三镜头或是四镜头全景相机拍照效果较差，不是真正意义上的全景相机。而六镜头的全景相机虽然已经推出，但是其控制电路复杂，器件众多，可靠性不高，而且相机数据的导出需要连接数据线，使用极其不便。本文提出并设计了一种多镜头无人机高清图传装置的硬件设计方法，整个电路设计简单可靠，并且数据的导入导出也非常灵活。1 多镜头无人机高清图传装置的系统设计1.1 多镜头无人机高清图传装置的功能模块如图 1 所示为本文设计的多镜头图传装置功能模块图：包括控制器电路、数据转发电路、镜头接口电路、数据接口电路、电源电路、串口扩展电路和无线通信电路。电源电路给控制器电路、数据转发电路、相机接口电路和数据接口电路供电；控制器电路用于从数据转发电路接收相机镜头发送的数据并进行处理，将控制电路的数据通过数据接口电路对外进行发送，或者从数据接口电路接收外部对控制电路发送的数据；数据转发电路用于接收相机镜头产生的数据，并转发给控制器电路；镜头接口电路用于连接相机镜头；数据接口电路用于连接外部设备；串口扩展电路与控制器电路连接，用于提供与控制器电路连接的多个串口；无线通信电路与控制一种多镜头无人机图传装置硬件电路设计与实现李宇峰 (湖南信息职业技术学院，湖南长沙，410200)摘要：由于传统航拍无人机高清图传设备硬件设计复杂，价格昂贵，所携带的镜头大部分也是单镜头，不利于做到全景航拍。鉴于此，本文提出并设计了一种多镜头无人机图传装置，该装置最大的特点就是硬件控制简单可靠，能同时携带多达 6个镜头，视频数据也能方便导入导出。本文详细描述了该图传装置各电路模块的相关设计方法，为无人机图传设备进一步研制提供一定的参考价值。关键词：图传；多镜头；硬件控制中图分类号：TP23 文献标识码：BHardwarecircuitdesignandimplementationofamultilensuavimagetransmissiondeviceLi Yufeng(Hunan College of Information,Changsha Hunan,410200)Abstract:Due to the complex hardware design and expensive price of the HD image transmission equipment of traditional aerial photography UAV,most of the lenses carried are single lens,which is not conducive to panoramic aerial photography.In view of this,this paper proposes and designs a multi lens UAV image transmission device.The greatest feature of this device is that the hardware control is simple and reliable,and it can carry up to 6 shots at the same time.The video data can also be easily imported and exported.This paper describes the design method of each circuit module of the image transmission device in detail,which provides a certain reference value for the further development of UAV image transmission equipment.Keywords:image transmission;Multi lens;Hardware control基金项目：湖南省教育厅资助科研项目（No.20C1321）。图 1 图传装置功能模块图DOI:10.16520/ki.1000-8519.2022.24.021设计研发2022.246器电路连接，用于控制器电路将控制电路的数据对外发送，或者接收外部设备对控制电路发送的数据。2 多镜头无人机高清图传装置的模块化设计2.1 串口扩展电路串口扩展电路采用由型号为 SN74CBTLV3257 的复用芯片 U1 构成的电路；串口扩展电路与控制器电路连接，用于提供与控制器电路连接的多个串口。如图 2 所示，U1 的 1 脚通道选择引脚连接到控制器电路中控制器芯片的 36 脚，用于通道切换控制；U1 的第 4、7、9、12 脚分别连接到控制器芯片的第43、42、52、51脚，用于与控制器芯片的串口数据收发；U1 的第 2 脚、第 5 脚连接到镜头 1 的接口的串口收、发；U1的第 3 脚、第 6 脚连接到镜头 5 接口的串口收、发；U1 的第11脚、第14脚连接到镜头6接口的串口收、发；U1的第10脚、第 13 脚连接到镜头 4 接口的串口收、发；U1 的 15 脚片选引脚接低电平，持续选通。2.2 相机接口电路设计相机接口电路如图 3 所示。图中J1 为相机镜头接口，每个相机镜头接口包含 4 个相机供电引脚（VCC_CAM_SUPPLY），2 个 HDMI 电 源 引 脚（HDMI1_+5V），12 个 HDMI 信号引脚，2 个串口信号引脚（UART_CAM1_TX 和 UART_CAM1_RX），2 个 USB 信号引脚（USB2_DN1_D_P 和 USB2_DN1_D_N），1 个 中断信号引脚（CAM1_INT），1 个相机复位信号引脚（CAM1_RESET）和 7 个信号/电源的引脚（GND）。本文所设计的图传装置共有 6 个类似的相机镜头接口，用于连接 6 个相机镜头。2.3 无线通信电路设计如图 4 所示为无线通信电路的电路原理图，无线通信电路与控制器电路连接，用于控制器电路将控制电路的数据对外发送，或者接收外部设备对控制电路发送的数据。无线通信电路采用由型号为 UM402 的无线通信模块构成的电路；模块的第 3、4 脚分别连接到控制器芯片的第 15、14 脚，用于串口数据收发；其第 5、6、7 脚分别连接到控制器芯片的第 10、11、21 脚，用于模块的收、发及通信参数控制。模块电源通过电源开关芯片 U10 控制，U10 采用型号为 NCP340MUTBG 的软启动可控负载开关芯片，U10 的第 3 脚连接到控制器芯片的第62 脚，用于模块电源开关控制，低电平开启模块电源，高电平关闭模块电源。2.4 数据接口电路设计如图 5 所示为数据接口电路的电路原理图：数据接口电路为 HDMI 接口电路；J10 为相机镜头的 HDMI 接口，用于把相机镜头接口输出的 HDMI 信号转接成标准 HDMI 接口信号。每个 HDMI 接口包含 12 个与相机接口的 HDMI 信号对应连接的 HDMI 信号引脚，包含 1 个 HDMI 电源引脚（HDMI1_+5V）和包含 6 个信号/电源的引脚（GND）。整个图传装置共有 6 个类似的 HDMI 接口电路，用于连接 6 个相机镜头。2.5 充电器芯片的电路设计如图 6 所示为电源电路的 BQ24195RGE 的充电器芯片的电路原理图：芯片通过 I2C 接口控制器芯片通信，用于电源图 2 串口扩展电路图 3 相机接口电路图 4 无线通信电路原理图设计研发2022.247参数控制；其通过第 7 脚提供中断信号给控制器芯片的第 2脚，电源有异常事件时可主动告知控制器芯片；其 1、24 脚与输入电源连接，这两个管脚还通过电容 C50、C51 接地；其23 脚提供 V5P0 电源输出，这个管脚还通过 C54C59 接地；其 8 脚通过电阻 R53 连接到 VCC_SYS 电源网络；其 4 脚接 LED1 的阴极，LED1 的阳极通过电阻 R54 连接到 REGN 电源网络；其 9 脚通过电阻 R56 接地；其 17、28、25 脚接地；其 19、20 脚通过电感 L1 连接到 VCC_SYS 电源网络，还通过电容 C52 连接到 21 脚；其 22 脚通过电容 C62 接地，还通过电阻 R55连接到 11 脚；其 15、16 脚连接到 VCC_SYS 电源网络，还通过电容C60、C61、C63 接 地；其 13、14脚连接到电池+极，还通过电容C66C68 接地；其 10 脚通过电阻R58 接地；其 11、12 脚连接到 NTC电阻 J9，还通过 R57 接地。2.6 电源芯片电路设计如图 7 所示，为本高清图传装置中电源电路的 TPS62130RGT的电源芯片电路原理图：芯片的1012 脚为电源输入，连接到 VCC_SYS 电源网络，其 13 脚使能脚也连接到 VCC_SYS 电源网络，还通过电容 C72、C73 接地；其 9 脚通过电容 C74 接地；其 0、68、15、16 脚接地；其 13 脚通过电感 L2 连接到 HUB_VCC1V1 电源网络，还通过电容 C71、C75、C76、C81 接地；其 14 脚连接到 HUB_VCC1V1 电源网络；其 5 脚通过电阻 R62 接地，还通过电阻 R60 连接到 HUB_VCC1V1 电源网络。2.7 控制器电路设计控制器电路采用由型号为 STM32F072RBT6 的控制器芯片组成的电路，如图 8 所示。控制器芯片使用 3 路串口与串口扩展电路连接，用于串口数据收发；其通过 I2C 接口与 HUB 电路连接，用于电路参数设置与管理；其通过串口与无线通信模块连接，用于无线数据收发与参数配置；其通过第 23 脚控制由蜂鸣器 B1、三极管 Q1、电阻 R63 组成的蜂鸣器电路。晶振Y3，电容 C46、C47 组成外部晶振电路；电容 C41C45、C48组成电源滤波电路。3 多镜头无人机高清图传装置的外观结构及使用整个无人机航拍装置结构如图 9 所示，包括无人机本体图 6 充电器芯片的电路原理图图 7 电源芯片电路原理图图 5 数据接口电路原理图设计研发2022.2481，本体 1 的底部对称设有支架 4，本体 1 的两侧设有旋臂 3的内部安装有驱动装置 11，驱动装置 11 的上部输出端设有螺旋机翼 2，无人机本体 1 的内腔底部设有蓄电池 12 本体 1的内腔上部设有移动终端 13，本体 1 的前后部居中安装有航拍摄像头 5，无人机本体 1 与支架 4 接触处设有伸缩槽 6、定位槽 7，伸缩槽 6 与定位槽 7 之间设有弹簧限位凸起 10，支架4 的上部设有支架限位凸起 8，上部套接有减震弹簧 9。蓄电池 12 和移动终端 13 的外侧均设有保护层 14,通过保护层 14 的设置，使得在温度寒冷的外界环境下，保证蓄电池 12 和移动终端 13 始终保持在正常的工作环境，有利于蓄电池 12 给移动终端 13、驱动装置 11 和航拍摄像头 5 供电，有利于移动终端 13 接收航拍摄像头 5 图像信号并发出无人机遥控信号。航拍装置 5 在装配时首先将带元件的主板、带电池的电源板以及图像处理板三块 PCB 插入下支架的安装卡槽中，再将上支架与下支架合拢，组成正方体框架；正方体框架有十二条棱边，其中二条棱边上设有 U 型槽，将两块 I/O 接口板分别安装于相应的 U 型槽内，然后将六个镜头模组装在传感器电路板上，再将六块传感器电路板分别装入正方体框架的六个面的下沉台阶里，其中镜头模组的排列采用纵横交错的方式进行，每个镜头模组采用四个螺钉固定，至此全景相机内部的零部件已经组装完毕；接着将上壳体与下壳体套在装配完成后的支架外组成一个完整的菱形球体，上壳体和下壳体分别设有 U 型的条形槽，棱形球体由若干全等三角形面和全等六边形面组成；其中 8 个三角形面的中心位置具有螺钉孔