CN102829768A - 直升机航拍装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以记录航拍过程中直升机与地表或地表建筑物顶的垂直高度的直升机航拍装置，包括固定在直升机上的航拍云台，以及安装在航拍云台内的数码相机，所述航拍云台内还安装有测距仪。采用本发明结构的直升机航拍装置，根据测距仪所记录的直升机距离地面的距离值，结合航拍区域内设置若干GPS定位点，能够计算出航拍区域的海拔高度值，进而在拼接出所测绘区域的平面地图的基础上，建立起该区域立体的地形地貌图像。

Description

直升机航拍装置

技术领域

本发明涉及航拍测绘领域，尤其是一种适用于无人直升机以及载人直升机使用的直升机航拍装置。

背景技术

航拍又称空中摄影或航空摄影，是指从空中拍摄地球地貌，获得俯视图。现阶段，航拍技术已经被普遍运用于各个领域，对于不同的领域，拍摄所要求的效果也不尽相同。如大型群体活动、电视、电影、城市安防巡视，通常要求清晰稳定的实时视频图像，而且拍摄时需要定点拍摄，因此使用直升机航拍较为适宜；对于土地监测、森林防火、电力巡线等，也是要求清晰稳定的实时视频图像，由于巡逻的范围比较大，因此，使用固定翼无人机效率会高一些，需定点监测时，一般使用盘巡实现监测。

对于测绘、交通勘测设计、水利勘测设计、小城镇规划设计等，需要得到可以用以制作地图的、有严格比例尺和精度要求的照片，目前还是以使用固定翼无人机为主导。该领域采用的固定翼无人机具有平飞速度快、效率高的特点，并且机身小巧、结构简单，由人工遥控送飞，地面工作站操控自主飞行拍摄。无人机上安装数码相机飞行，通过保证重叠率的航拍和简单的软件拼图，获得一个区域大致地貌的影像图，方便快捷。然而，固定翼无人机起降受到场地限制，由于速度较快，只能盘旋监测，不能悬停，对转弯半径有一定要求，因此不适合进行小范围区域测绘航拍。与之相反，直升机能够弥补固定翼无人机在测绘航拍中的上述缺陷：直升机可以垂直起降，能够进行空中悬停、侧飞、后退飞等动作，很少受到场地起降的限制，在建筑物周围的也能安全飞行拍摄；另一方面，直升机飞行速度可以很慢，从而保证重叠率较高的航拍，并且其飞行高度低，适合拍摄高清晰度的航拍图片，进而更能保证测绘的精确性。

现有技术中使用航拍进行测绘虽然具有上述诸多优点，然而只能获取测绘区域的竖直影像信息，根据这些信息，不能获得区域内各点的海拔高度值，因此只能拼接出所测绘区域的平面地图，无法建立起该区域立体的地形地貌图像。另一方面，当使用直升机进行测绘航拍时，照相机通常通过航拍云台安装于直升机下方，航拍云台的减震措施对航拍稳像效果有至关重要的作用。而现有技术中的航拍云台，无法满足直升机航拍测绘的稳像要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以记录航拍过程中直升机与地表或地表建筑物顶的垂直高度的直升机航拍装置。

为解决上述问题，本发明的一种直升机航拍装置，包括固定在直升机上的航拍云台，以及安装在航拍云台内的数码相机，所述航拍云台内还安装有测距仪。

所述测距仪为激光测距仪，该激光测距仪设置有数据存储模块。

所述航拍云台包括支架、平衡测量装置、以及与平衡测量装置相连的平衡调整装置，其中平衡测量装置用于测量直升机飞行姿态，平衡调整装置用于根据平衡测量装置的测量结果对航拍云台内的数码相机及测距仪进行角度调整。

所述平衡测量装置为陀螺仪。

所述平衡调整装置包括控制器以及舵机联动机构，其中舵机联动机构包括相互嵌套的外框、中框和内框；数码相机及测距仪安装在内框内部；内框与中框通过纵向轴连接，该纵向轴一端固定在内框上，另一端与固定在中框上的第一舵机的动力输出端相连；中框与外框通过横向轴连接，该横向轴一端固定在中框上，另一端与固定在外框上的第二舵机的动力输出端相连；外框与支架通过竖直轴连接，该竖直轴一端固定在支架上，另一端与固定在外框上的第三舵机的动力输出端相连；所述控制器分别与第一舵机、第二舵机、第三舵机以及平衡测量装置相连。

所述测距仪的外侧壁与一步进电机的动力输出端相连，该步进电机与内框相对固定。

所述直升机航拍装置还包括与数码相机拍摄方向呈倾斜设置的辅助相机或摄像机，所述辅助相机或摄像机与内框相对固定。

所述辅助相机或摄像机为四个，分别位于数码相机的前、后、左、右四个方位。

采用本发明结构的直升机航拍装置，根据测距仪所记录的直升机距离地面的距离值，结合航拍区域内预先设置的若干GPS定位点，能够计算出航拍区域的海拔高度值，进而在拼接出所测绘区域的平面地图的基础上，建立起该区域立体的地形地貌图像。本发明中所使用的航拍直升机，可以是无人直升机，也可以是载人直升机。同时，航拍云台设置了平衡调整装置，能够保证航拍图像的稳定。

附图说明

图1为本发明直升机航拍装置的立体结构示意图。

图2为本发明直升机航拍装置中支架的示意图。

图3为本发明直升机航拍装置中平衡调整装置的结构的示意图。

图4为本发明直升机航拍装置中内框、中框与外框的装配示意图。

图5为本发明直升机航拍装置中测距仪与步进电机的装配示意图。

图6为本发明中直升机对地面进行测距时的示意图。

图7为本发明中数码相机与激光测距仪调试安装示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1至5所示，一种直升机航拍装置，本发明直升机航拍装置，包括航拍云台2以及安装在航拍云台2内的数码相机3，航拍云台2可以固定在直升机底部，当使用载人直升机航拍时也可以固定在直升机的侧部。航拍云台底端开口，数码相机3的镜头竖直向下设置，用以拍摄航拍区域的竖直图像即在竖直方向上的俯视图；数码相机3与航拍自动控制***相连，能够进行自动航拍和遥控手动航拍；所述数码相机3以及航拍自动控制***可以使用现有技术中设备，比如能够在市场中购买到的自带电源***以及存储单元的高清数码相机。

所述直升机航拍装置还包括设置在航拍云台2内的测距仪1，该测距仪1可以为激光测距仪，当然还可以用超声波测距仪或者红外线测距仪替换，但为了保证测距精度，本发明的实施例中选用激光测距仪。

激光测距仪可以选用LDM30x系列、LDM4x系列、ZMD系列工业用激光测距仪，通过预先设定程序以一定频率向下连续检测，并能够通过数据传输装置实时将测量数据传送回地面控制平台；为保证测量数据的完整性，避免数据在传输过程中丢失，可以将激光测距仪1与数据存储装置（例如便携式笔记本电脑）通过线路连接，实时记录直升机到地面或位于地面的建筑物顶距离。

当使用无人直升机进行航拍测绘时，通过地面控制平台遥控激光测距仪与数码相机同时进入运行状态，使激光测距仪进行连续检测的起始时间与数码相机进行连续拍摄的起始时间相同，进而便于后期的数据整理。

采用本发明结构的直升机航拍装置进行航拍测绘之前，首先在地面上设置若干参照点，在各个参照点上安装GPS定位装置。下面举例说明如何通过测距仪记载数据对航拍区域海拔高度进行计算：

如图6所示，通过各个参照点设置的GPS定位装置获取相邻的两个参照点C、D的海拔高度x₁、x₂；

在C、D之间位于地面上的设定任一需要计算海拔高度的点E，当飞机飞至两个参照点C、D以及点E上空时的位置为c、d、e，采集直升机飞行至c、d、e所测得的直升机距地面的距离h₁、h₂、h₃，即图6中的点c到点C、点d到点D、点e到点E的距离分别为h₁、h₂、h₃；

根据获得的两个参照点C、D的海拔高度x₁、x₂以及所测得的直升机距地面的距离h₁、h₂，计算得出c、d两点的海拔高度y₁、y₂：

y₁=x₁+h₁

y₂=x₂+h₂

测量两个参照点C、D之间的水平距离s₁以及参照点C至点E之间的水平距离s₂；其中，s₁可以通过GPS定位装置进行测量，也可以根据设定好比例尺的航拍图像进行测量并按比例尺放大得出；s₂可以根据设定好比例尺的航拍图像进行测量并按比例尺放大得出。

假设直升机航拍的海拔高度始终保持在y₁高度，通过公式计算直升机飞至点E上空时距地面的修正距离h₃′,所述公式为：

${h_3}^{\′}=h_3-\frac{y_2-y_1}{s_1}\×S_2$

并通过该修正距离h₃′计算得出点E的正确海拔高度为y₁-h₃′。

所述航拍云台包括支架201、平衡测量装置（图中未示出）以及与平衡测量装置相连的平衡调整装置。其中，平衡测量装置用于测量直升机飞行姿态，平衡调整装置用于根据平衡测量装置的测量结果对航拍云台内的数码相机3及测距仪1进行角度调整。当直升机在航拍过程中出现倾斜时，平衡测量装置能够测量出直升机的倾斜角度，并将该测量结果传递给平衡调整装置，进而平衡调整装置对数码相机以及测距仪进行角度调整，保证其拍摄角度不会出现大幅度倾斜而影响测绘效果。

所述平衡测量装置可以为陀螺仪。

所述平衡调整装置包括控制器（图中未示出）以及舵机联动机构，其中舵机联动机构包括相互嵌套的外框204、中框203和内框202；数码相机3及测距仪1安装在内框202内部；内框202与中框203通过纵向轴205连接，该纵向轴205一端固定在内框202上，另一端与固定在中框203上的第一舵机206的动力输出端相连，所述第一舵机206能够带动内框202在中框203内以纵向轴205为轴线转动；

中框203与外框204通过横向轴207连接，该横向轴207一端固定在中框203上，另一端与固定在外框204上的第二舵机208的动力输出端相连，所述第二舵机208能够带动中框203在外框204内以横向轴207为轴线转动；

外框204与支架201通过竖直轴209连接，该竖直轴209一端固定在支架201上，另一端与固定在外框204上的第三舵机210的动力输出端相连，所述第三舵机210能够带动外框204以竖直轴209为轴线转动；

所述控制器分别与第一舵机206、第二舵机208、第三舵机210以及平衡测量装置相连。其中，所述的舵机采用现有技术中的舵机即可，例如专利号为201020693853.5的专利公开的一种舵机，当然，不限于该专利公开的舵机。

由于直升机基本上沿着直线飞行，因此测距仪1测距的轨迹也基本上是一条直线，为了能够扩大测距仪1的检测范围，在所述测距仪1的外侧壁上与一步进电机211的动力输出轴相连，该步进电机211与内框202相固定。通过该步进电机211，能够使测距仪1沿着预设的角速度以及幅度绕步进电机动力输出轴的轴线方向左右旋转，从而使得测距仪1测距的轨迹呈Z形前行。步进电机211与测距仪1同步开始运行，通过其运行时间可以计算出激光测距仪旋转的角度。由于激光测距仪与竖直方向成一定夹角，因此需重新对直升机距检测点的垂直高度进行计算：假定测距仪检测方向与竖直方向夹角为30°时，所测得距检测点的距离数据为100m，则直升机距该检测点的垂直高度为100m与cos30°的乘积，及约等于86.603m。

所述直升机航拍装置还包括与数码相机3拍摄方向呈倾斜设置的辅助相机4，所述辅助相机4与内框202相对固定，并且所述辅助相机为四个，分别位于数码相机3的前、后、左、右四个方位。在直升机航拍过程中，数码相机3获得地面建筑物的俯视图，通过该辅助相机4，能过获得地面建筑物的侧面特征图，通过对拍摄到的建筑物侧面特征图进行透视拉伸等后期处理，则能够获得建筑物的侧视图，从而便于制作航拍测绘区域的三维影像图。

当然所述辅助相机4也可为用摄像机代替。

在航拍之前，需要在地面对内框202内的数码相机3以及激光测距仪100进行调试安装，以保证激光测距仪100的激光发射光束与数码相机3镜头的轴线相平行。如图7所示，首先将内部有数码相机3以及激光测距仪100的内框202放置在地面上的开阔地域，在距离内框202一定距离的前方设置参照墙A，使数码相机3的中心聚焦点A1以及激光测距仪的激光发射光斑A2能够落在该参照墙A上，所述一定距离可以在50m～100m之间。测量数码相机3镜头中心点到激光测距仪激光发射端的距离L1，以及参照墙A上的A1到A2的距离L2。比较L1以及L2的数值大小，如果二者大小相等，则证明调试安装完成；否则，对数码相机3以及激光测距仪1的角度继续进行调试。

Claims (8)

1.一种直升机航拍装置，包括固定在直升机上的航拍云台，以及安装在航拍云台内的数码相机，其特征在于：所述航拍云台内还安装有测距仪。

2.如权利要求1所述的直升机航拍装置，其特征在于：所述测距仪为激光测距仪，该激光测距仪设置有数据存储模块。

3.如权利要求2所述的直升机航拍装置，其特征在于：所述航拍云台包括支架、平衡测量装置、以及与平衡测量装置相连的平衡调整装置，其中平衡测量装置用于测量直升机飞行姿态，平衡调整装置用于根据平衡测量装置的测量结果对航拍云台内的数码相机及测距仪进行角度调整。

4.如权利要求3所述的直升机航拍装置，其特征在于：所述平衡测量装置为陀螺仪。

5.如权利要求4所述的直升机航拍装置，其特征在于：所述平衡调整装置包括控制器以及舵机联动机构，其中舵机联动机构包括相互嵌套的外框、中框和内框；数码相机及测距仪安装在内框内部；内框与中框通过纵向轴连接，该纵向轴一端固定在内框上，另一端与固定在中框上的第一舵机的动力输出端相连；中框与外框通过横向轴连接，该横向轴一端固定在中框上，另一端与固定在外框上的第二舵机的动力输出端相连；外框与支架通过竖直轴连接，该竖直轴一端固定在支架上，另一端与固定在外框上的第三舵机的动力输出端相连；所述控制器分别与第一舵机、第二舵机、第三舵机以及平衡测量装置相连。

6.如权利要求5所述的直升机航拍装置，其特征在于：所述测距仪的外侧壁与一步进电机的动力输出端相连，该步进电机与内框相对固定。

7.如权利要求5或6所述的直升机航拍装置，其特征在于：所述直升机航拍装置还包括与数码相机拍摄方向呈倾斜设置的辅助相机或摄像机，所述辅助相机与内框相对固定。

8.如权利要求7所述的直升机航拍装置，其特征在于：所述辅助相机或摄像机为四个，分别位于数码相机的前、后、左、右四个方位。

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