CN103453891A - 轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和*** - Google Patents

轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及遥控遥感技术领域，特别涉及轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和***。轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，包括：无人机；设置于无人机上的固定架，固定架上设置有第一相机、第二相机和第三相机；第一相机、第二相机和第三相机的长边均垂直于飞行方向设置；第一相机和第三相机倾斜于水平面45°设置，第二相机垂直于摄影方向设置。一种轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，包括上述装置和控制***。通过这种结构布局，本发明提供的轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和***，能够采集到全方位的影响资料，整体结构相比现有技术更为简单轻便，更适用于无人机飞行平台使用。

Description

轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和***
技术领域
本发明涉及遥控遥感技术领域，具体而言，涉及轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和***。
背景技术
三维建模是数字城市建设的主要内容之一，传统的三维建模主要通过基于正视航空影像立体测图，辅以野外纹理采集手段完成，工作量大、效率低、成本高。多视立体航空摄影测量技术可在测绘几何影像的同时获取侧面纹理，实现三维模型的快速构建。
现有多视立体航空遥感***已在数字城市建设中得到应用，例如，现有技术中的美国Pictometry倾斜影像***是在传统中心投影的基础上，另外增加了东南西北四个方向上以40°倾角的姿态同时采集影像，通过配备先进的POS设备使每张获取的影像都带有高精度地理位置信息。
但是，该倾斜影像***采用的是多个专业测量型数码相机，单架次单相机的影像数据量大，必须依靠机载存储器存储。整个***重量体积大、成本高，不适合无人机飞行平台使用。
发明内容
本发明的目的在于提供轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和***，以解决上述的问题。
在本发明的实施例中提供了一种轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，包括：
无人机；
设置于所述无人机上的固定架，所述固定架上设置有第一相机、第二相机和第三相机；
所述第一相机、所述第二相机和所述第三相机的长边均垂直于飞行方向设置；所述第一相机和所述第三相机倾斜于水平面45°设置，所述第二相机垂直于摄影方向设置。
其中，所述第一相机和第三相机的镜头焦距为35mm；所述第二相机的镜头的焦距为16mm。
其中，所述第一相机、第二相机和第三相机与所述固定架间接连接，之间设置有减震装置。
其中，还包括检校参数模块；
所述检校参数模块，用于进行单相机检校之后再进行平台检校；
所述检校参数模块，还用于对平台绕其主光轴每旋转预设角度获取的照片图像进行检校。
本发明还提供一种轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，包括如前所述的装置和控制***；
所述控制***，包括自动驾驶仪、集成有双频GPS的OEM板、双天线GPS和记录器存储卡；
所述记录器存储卡，用于记录GPS原始数据、IMU数据和拍摄脉冲信号，并通过差分GPS计算曝光点坐标。
其中，所述自动驾驶仪、集成有双频GPS的OEM板、双天线GPS和记录器存储卡集成一体设置。
其中，还包括曝光模块；
所述曝光模块，用于触发一次曝光脉冲同时控制所述第一相机、第二相机和第三相机同步曝光。
其中，还包括航高控制模块和电磁屏蔽模块；
所述航高控制模块，用于根据获得的GPS高程数据控制实际航高；
所述电磁屏蔽模块，用于屏蔽干扰信号。
其中，还包括地面着车测试模块；
所述地面着车测试模块，用于在着车状态下获取影像，检查像点位移与影像质量，分析无人机发动机震动频率传导到固定架对相机曝光产生的影响。
其中，还包括地面跑车测试模块；
所述地面跑车测试模块，用于在地面跑车状态下设置曝光间隔控制相机曝光，将所述OEM板记录的曝光时刻坐标与***自身记录的曝光时刻坐标进行对比分析。
本发明上述实施例的轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置和***，仅设置三台相机，第一台相机和第三台相机倾斜设置，第二台相机垂直于摄影方向设置，通过这种结构布局能够采集到全方位的影响资料，整体结构相比现有技术更为简单轻便，更适用于无人机飞行平台使用。
附图说明
图1为本发明的轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置的结构示意图；
图2为本发明进行检校时平台的拍摄方式示例；
图3为本发明的轻小型无人机机载多视立体航空遥感***的一个实施例的结构模块图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，参见图1所示，包括无人机（图1中未示出）、固定架1、第一相机2、第二相机3和第三相机4。
所述固定架1设置于所述无人机上，所述固定架1上设置有第一相机2、第二相机3和第三相机4。
所述第一相机2、所述第二相机3和所述第三相机4的长边均垂直于飞行方向设置；所述第一相机2和所述第三相机4倾斜于水平面45°设置，所述第二相机3垂直于摄影方向设置。
三台相机均为长边垂直飞行方向，在无人机机身内部沿机头至机尾分别为第一相机2、第二相机3、第三相机4，其中第一相机2、第三相机4倾斜安装，安装角度45度，相机镜头焦距为35mm；第二相机3垂直摄影方向安装，相机镜头焦距为16mm。三台相机需经过严格检校。
优选地，固定架1需保证三台相机的供电电池、存储卡等能顺利取出，同时还要保证三台相机能合理安装快门线。固定架1要避免与三台相机直接接触，必要时需安装相机减震装置。
本发明的技术方案，主要是基于轻小型无人机飞行平台的机载多视立体航空遥感***研究，其中主要包括开展多视立体航空摄影仪的结构设计，多视航空摄影装备的安装、供电、电磁环境、控制等的集成设计，多视立体航空摄影仪的单相机精确检校和多视立体精确平台检校，轻小型无人机的飞控***升级改造，集成测姿定位GPS/IMU与飞控***。
其中，镜头选择与搭配方案如下：
所选的相机与镜头选择像素数为不低于6000*4000，像元大小3.9um，现有焦距分别为16，24，30，35，50mm。
镜头搭配的基本约束条件为：分辨率：0.1-0.2m，巡航速度：120km/h，重叠度50%-70%，高度不超过1500m；垂直与倾斜相机的分辨率（立面分辨率也即垂直于地面方向的分辨率）保持一致，平均分辨率均为0.1m。
此外，还采用不同焦距的搭配。当GSD=0.1米时，几种合适的搭配如下表所示，相机窄边沿航线方向，下视相机航向重叠度和旁向重叠度均为75%，优选地，选定16/35mm镜头为实验的相机镜头。
表一、镜头焦距搭配表
优选地，该轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，还包括检校参数模块。
所述检校参数模块，用于进行单相机检校之后再进行平台检校；所述检校参数模块，还用于对平台绕其主光轴每旋转预设角度获取的照片图像进行检校。
作为一种可实施方式，单相机检校后再完成平台检校。平台检校过程中影像的获取方式与相机的设置（如ISO、光圈等）直接影响到最后影像的质量，考虑到检校计算时所采用的模型与检校软件，在某一位置拍摄时，平台绕其主光轴旋转，每旋转90度拍摄一张照片，平台的拍摄方式如图2所示，图中箭头的方向为下视相机取景器所在的位置。以减少主点位置与外方位直线元素之间的相关性，克服单像空间后方交会法解算的主点位置精度偏低的缺陷。在不同的光照条件下，为了到达比较满意的影像效果，相机的设置也不相同。
优选地，在三镜头相机平台检校中，一般拍摄时快门设置为1/1000，光圈设为4-6之间为宜。
平台检校时为了获得好的影像质量，须注意以下几点：
平台检校时拍摄像片应在较好的天气状况下拍摄。光照条件是否适宜是影响影像质量好坏的一个重要因素，好的影像更加有利于影像的后期处理。
拍摄时设定的快门速度一般为1/1000，可不考虑相机曝光瞬间手的抖动对影像的影响，能用手拿着直接进行拍摄。
拍摄过程中，尽量让检校场中的圆形标志充满下视相机的整个像幅，尽量避免下视相机的大角度的倾斜拍摄。大角度倾斜拍摄容易导致标志点在影像中严重变形，不利于标志点自动识别，导致自动量测的标志点像点坐标的不准确。
本发明还提供了一种轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，包括如前所述的装置和控制***。
所述控制***，包括但不限于自动驾驶仪、集成有双频GPS的OEM板、双天线GPS和记录器存储卡。
所述OEM板，用于记录GPS原始数据、IMU数据和拍摄脉冲信号，并通过差分GPS计算曝光点坐标。
作为一种可实施方式，该***的结构示意图参见图3所示。
本发明对于控制***硬软件进行的改造与测试包括：
集成双频GPS的飞控***：
在现有的无人机测绘飞行控制***的基础上，增加双天线GPS、飞控***硬件内部集成双频GPS接收机OEM板，通过记录GPS原始数据，IMU数据，以及记录拍摄瞬间脉冲信号。
事后差分GPS精确计算曝光点坐标，使之能运用于稀少控制低空摄影测量工作，并且集成度达到产品级要求。
主要改造有以下几点：
飞控***的改造测试：
改造控制相机曝光模块，即触发一次曝光脉冲同时控制三台相机同步曝光；
改进飞控***数据传输方式为有线传输，提高速度，避免无线传输漏传曝光点，而且传输时间应控制在5分钟之内完成；
保持傻瓜式操作风格的同时，改进平面控制精度，提高压航线精度，避免漏拍曝光点，如果地速过大，可灵活延长引导点距离，避免起始曝光点平面误差过大；
使用GPS高程数据控制实际航高，避免气压高度计与设计文件不是一个基准引起航高偏差，偏差过大会影像地面分辨率和测量精度；做好电磁屏蔽工作，避免干扰飞机遥控信号；
备有开伞通道以及程序；
双频GPS***建议使用板卡级产品，开发存储部分，要求实现二进制含载波相位信息文件的记录，并正常接受EVENTMARK信号；自动驾驶仪与双频GPS***、双天线GPS要求集成一体，统一封装（天线除外），其他部件的也尽量集成，外部接线较少，安装调试较简；
外壳美观耐用，便于固定安装，操作面板垂直朝上安装，指示灯和CF卡开口向上，不用引出开关，揭开舱盖即可方便拿出数据卡，也可观察到各种信号灯，避免拆开所有机载设备才能取卡，避免机身开洞才能观察指示灯；
偏心分量量测：精确测量三台相机的偏心分量；
测试：触发脉冲后的同步曝光测试。
此外，还提供了地面测试方案，具体如下：
机载测试固定架减震情况：
地面着车测试，主要检测固定架的减震情况。即地面着车状态下获取影像，通过检查像点位移与影像质量，分析无人机发动机震动频率传导到固定架对相机曝光产生的影响。
测试飞控记录曝光时刻坐标情况：
地面跑车测试，主要检测飞控记录曝光时刻坐标的情况。即地面跑车状态下设计曝光间隔控制相机曝光，分析双频GPS记录的曝光时刻坐标与飞控***自身记录曝光时刻坐标的对比，为内业数据处理做准备。
本发明基于轻小型无人机飞行平台，开展多视立体航空摄影仪的结构设计，多视航空摄影装备的安装、供电、电磁环境、控制等的集成设计，具有小型化、轻量化的特点。
且该多视立体航空摄影仪的单相机精确检校和多视立体精确平台检校相结合，实现多相机的高精度几何检校和解算多相机的之间的精确位置关系，满足摄影测量的处理要求。
此外，本发明的改造基于轻小型无人机的飞控***，集成测姿定位GPS/IMU，解决多传感器曝光同步、GPS/IMU数据联合解算、测姿定位GPS/IMU与飞控***整体检校等关键技术。通过定姿定位解算，能将获取的每张照片的位置和姿态信息精确解算，在影像处理的过程中，不需要或者仅需要少量地面控制点就能测制高精度的影像图、实现高精度三维模型构建。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。软件类发明可有这段话，否则删除。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，其特征在于，包括：
无人机；
设置于所述无人机上的固定架，所述固定架上设置有第一相机、第二相机和第三相机；
所述第一相机、所述第二相机和所述第三相机的长边均垂直于飞行方向设置；所述第一相机和所述第三相机倾斜于水平面45°设置，所述第二相机垂直于摄影方向设置。
2.根据权利要求1所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，其特征在于，所述第一相机和第三相机的镜头焦距为35mm；所述第二相机的镜头的焦距为16mm。
3.根据权利要求1所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，其特征在于，所述第一相机、第二相机和第三相机与所述固定架间接连接，之间设置有减震装置。
4.根据权利要求1所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感装置，其特征在于，还包括检校参数模块；
所述检校参数模块，用于进行单相机检校之后再进行平台检校；
所述检校参数模块，还用于对平台绕其主光轴每旋转预设角度获取的照片图像进行检校。
5.一种轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，其特征在于，包括如权利要求1所述的装置和控制***；
所述控制***，包括自动驾驶仪、集成有双频GPS的OEM板、双天线GPS和记录器存储卡；
所述记录器存储卡，用于记录GPS原始数据、IMU数据和拍摄脉冲信号，并通过差分GPS计算曝光点坐标。
6.根据权利要求5所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，其特征在于，所述自动驾驶仪、集成有双频GPS的OEM板和双天线GPS、记录器存储卡集成一体设置。
7.根据权利要求5所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，其特征在于，还包括曝光模块；
所述曝光模块，用于触发一次曝光脉冲同时控制所述第一相机、第二相机和第三相机同步曝光。
8.根据权利要求5所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，其特征在于，还包括航高控制模块和电磁屏蔽模块；
所述航高控制模块，用于根据获得的GPS高程数据控制实际航高；
所述电磁屏蔽模块，用于屏蔽干扰信号。
9.根据权利要求5所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，其特征在于，还包括地面着车测试模块；
所述地面着车测试模块，用于在着车状态下获取影像，检查像点位移与影像质量，分析无人机发动机震动频率传导到固定架对相机曝光产生的影响。
10.根据权利要求5所述的轻小型无人机机载多视立体航空遥感***，其特征在于，还包括地面跑车测试模块；
所述地面跑车测试模块，用于在地面跑车状态下设置曝光间隔控制相机曝光，将所述OEM板记录的曝光时刻坐标与***自身记录的曝光时刻坐标进行对比分析。
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