无人机热红外图像采集系统开发与应用

摘要

无人机热红外遥感凭借其在光谱信息方面的独特优势，增强了对地物类型的识别能力，使得农情信息的提取内容更加丰富，可大幅度提高我国农田管理水平和效率。冠层温度与作物水分状况密切相关，对冠层温度的监测是提高作物产量和质量的重要手段之一。因此，进行无人机热红外图像采集系统及作物冠层温度模型研究具有重要意义。 针对目前红外热成像仪只能定时采集图像、无 POS 数据和没有实现热红外数据采集飞控控制的问题。本文基于 STM32 嵌入式开发技术进行无人机机载热红外图像采集系统开发，可以获取稳定可拼接的热红外遥感图像。同时，基于热红外数据进行作物冠层温度模型研究，为实时监测作物水分状况提供依据。本文的主要研究内容如下： （1）依据热红外遥感数据稳定采集的要求，完成热红外相机机载平台开发。通过分析热红外图像采集要求，确定六旋翼无人机的主体设计参数，进行无人机控制系统选型，然后完成无人机组装调试，保证系统的灵活性和稳定性。使用多旋翼性能评估软件xcopterCalc及实际飞行测试验证六旋翼无人机开发的合理性。结果表明，本文开发的六旋翼无人机满足热红外相机的搭载要求。 （2）基于STM32嵌入式开发技术完成热红外图像采集控制模块开发。根据热红外图像采集控制模块设计方案，选择STM32F407作为主控芯片，完成硬件系统设计：主控模块设计、存储模块设计和接口模块设计等。在图像采集控制模块硬件设计的基础上进行控制程序设计开发，主要包括软件系统整体方案设计和各功能模块的程序设计。最后通过模块板级测试和系统测试，验证所设计的模块性能。测试结果表明，热红外图像采集控制模块满足设计要求。 （3）基于Pixhawk飞控控制信号格式和FLIR Tau 2相机快门触发原理，提出了热红外数据采集飞控控制方法。针对Mission Planner现有POS数据获取工具不能识别热红外图像格式的问题，在分析Pixhawk 相关参数及飞行日志的基础上提出了POS 数据的获取方法。通过生成热红外正射影像图，分析POS数据精度。图像拼接结果表明POS数据精度满足拼接要求。 （4）为保证无人机遥感系统最佳的数据获取能力，进行了热红外相机标定与校正，主要包括热红外相机的标定、非均匀性校正和飞行参数设置等。本文基于棋盘格标定原理，利用 Matlab 标定工具箱对相机进行标定。选择温度定标两点校正进行非均匀性校正，使IRFPA非均匀性降到了1.27%。无人机飞行参数和相机的参数密切相关，合理设置无人机飞行速度、飞行高度、飞行轨迹参数，保证图像拼接的质量和最优航迹规划。 （5）利用开发的无人机热红外图像采集系统进行应用，基于玉米成熟期热红外图像进行作物冠层温度模型开发。使用图像拼接软件Pix4D和遥感图像处理软件ENVI处理数据，对热红外图像灰度值与冠层温度，建立一元线性回归模型。分析计算得到，一元线性回归方程为(-Y)=0.0407x?277.68，判定系数R2=0.9462，估计标准误差Syx=0.73。结果表明，模型具有很高的拟合优度，可应用于作物水分胁迫监测。

目录

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缩略词对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究的目的及意义

1.3 国内外研究概况

1.4 主要研究内容及技术路线

第二章 无人机热红外遥感图像采集系统总体方案

2.1 系统总体方案确定

2.2 热红外相机机载平台设计方案

2.3红外热成像传感器选型

2.4 热红外图像采集控制模块设计方案

2.5 热红外图像采集控制及POS数据采集方案

2.6 本章小结

第三章 热红外相机机载平台开发

3.1 机身参数分析及选型

3.2 控制系统选型

3.3 三轴云台开发

3.4 无人机组装调试

3.5 无人机性能评估和飞行测试

3.6 本章小结

第四章 热红外图像采集控制模块开发

4.1 硬件系统设计

4.2 软件系统设计

4.3 模块测试

4.4 本章小结

第五章 热红外图像采集控制及POS数据采集方法

5.1热红外相机快门触发方法

5.2 POS数据获取方法

5.3 POS数据精度分析

5.4 本章小结

第六章 热红外相机标定与校正

6.1 热红外相机标定

6.2 非均匀性校正

6.3 飞行参数设置

6.4 本章小结

第七章 作物冠层温度模型研究

7.1 实验设计

7.2 作物冠层温度模型

7.3 本章小结

第八章 结论与展望

8.1结论

8.2创新点

8.3展望

参考文献

致谢

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