CN111650962A

CN111650962A - 一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法

Info

Publication number: CN111650962A
Application number: CN202010476079.0A
Authority: CN
Inventors: 王军; 武海英; 马旭; 林占云; 杨继文
Original assignee: No5 Institute Of Geographic Information Of Heilongjiang Province
Current assignee: No5 Institute Of Geographic Information Of Heilongjiang Province
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: CN111650962B

Abstract

一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，涉及无人机自主控制技术领域，针对现有技术中针对带状区域利用无人机进行测绘时，存在飞行架次过多，无人机电量损耗严重的问题，本发明能够解决多旋翼无人机在不规则条带状测区内的线段航线规划问题，能够在保证飞行成果可用的前提下减少了飞行架次，缩短了飞机起飞降落的时间，减少飞机电池无效损耗，提高了外业飞行人员工作效率，且航线冗余覆盖率降低，航线有效率增加，且平行航线的方式提高了正射影像成图精度，从而降低了项目的飞行成本，提高了项目经济效益。

Description

一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法

技术领域

本发明涉及无人机自主控制技术领域，具体为一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法。

背景技术

多旋翼无人机是一种由空气动力或电力驱动的航空器，它的结构简单、操控灵活、造价较低，人可以在地面通过无线电遥控或预编的程序来控制其飞行。无人机的地面监测控制***，是无人机的监测中心和命令控制中心，其设计目的是为了弥补无人机无载人即无人员在飞机上控制这一缺陷，从而远程监视无人机的飞行数据并对其进行控制。

测绘行业中有一些测绘项目面积较小、比例尺较大、测绘面积比较特殊，如道路勘测中的条带状作业区，需要人员较少，使用多旋翼无人机作业能够减少经济成本、减少人员投入并且灵活高效。

常规飞行控制软件的航线规划算法主要有以下几种：

1、基于不规则多边形的往复式航线规划方法，航摄范围设置为凸多边形，节点较多，拖拽时会增加节点，以便符合形状复杂的地形地貌，但这种航线规划方式较复杂，外业人员在野外操作较复杂，测绘项目通常是规则多边形区域，不需要灵活性较高的航线规划方式，另外，不规则多边形航摄区内航带数较多，飞行路线不规则造成转弯多飞行时间长，飞机电量损耗严重。

2、基于规则矩形的往复式航线规划方法，航摄范围设置为矩形，在矩形范围内设计规则矩形航线，公路类条带状区域通常呈现长短不一、曲折交错的情况，横向宽度相对较窄，矩形航线规划方法每次只能规划一个矩形区域，公路转弯较多时，需要分为多个矩形区域，否则会造成无效面积飞行过多，浪费飞行资源，但多次飞行时每次只能飞行很小的范围，导致飞行架次过多，飞机电量损耗严重。

3、全覆盖自由航线规划方法，如图1所示，航线范围呈条带状多边形，航线设计按照条带走势，结合飞机飞行覆盖范围，尽可能使航线覆盖范围与测区范围重合，调整飞行方向，达到最大覆盖率，此方法节约了飞机飞行成本，降低航线冗余率，但在测绘项目中，飞行成果需要通过影像处理软件拼接生成正射影像，不平行的航线会导致拍摄照片角度不同，后续拼接正射影像的时候重叠度不够，无法达到成图精度，甚至出现影像内漏洞。

另外，在实际飞行任务中，不仅需要获取条带状区域内的正射影像，还需要某些点位(如道路转弯处)处的360度全景图像。全景图像是指在一个固定的观察点，能够提供水平方向上方位角360度的自由浏览。通常全景图像的获得有两种方法：全景拍摄和通过图像拼接来获得全景图像。前者需要特殊的设备，但是操作起来非常方便，简单易行，但是，这种设备价格非常昂贵，不适合普及。后者只需要普通的相机就可，但是需要设计拍摄方式和角度，以保证拍摄的照片能够经过一定的投影和拼接后生成完整的全景图像。我们通过设计无人机飞行航线，实现了第二种获取全景图像的方式，进一步为测绘生产提供了便利

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中针对带状区域利用无人机进行测绘时，存在飞行架次过多，无人机电量损耗严重的问题，提出一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，包括以下步骤：

步骤一：在条带状作业区内按照区域走向采集区域走向中心线，并生成折线段；

步骤二：设置航线旁向宽度，根据中心折线段折点、长度、角度以及航线旁向宽度，根据折线空间外扩算法将中心线分别向两侧平移距离生成航测区域；

步骤三：根据航测区域和航线的有效覆盖范围生成平行航线；

步骤四：确定任务飞行的总时长T，并对任务飞行的总时长T和无人机单架次最长飞行时间T₀进行判定，若T>＝T₀，则终止操作，若T<T₀，则执行步骤五；

步骤五：对相机进行检测，若相机正常，则无人机按平行航线飞行，并进行拍摄，若相机异常，则终止操作；

步骤六：对无人机的飞行状态进行监测，并利用GPS采集无人机的定位状态信息，同时根据无人机陀螺仪和加速度计的状态判断无人机姿态信息和各方向速度信息，从而得到飞机的飞行状态，若无人机飞行状态出现异常，则无人机返航，若状态无异常，则无人机继续航行直至返航。

本发明的有益效果是：

本发明能够解决多旋翼无人机在不规则条带状测区内的线段航线规划问题，能够在保证飞行成果可用的前提下减少了飞行架次，缩短了飞机起飞降落的时间，减少飞机电池无效损耗，提高了外业飞行人员工作效率，且航线冗余覆盖率降低，航线有效率增加，且平行航线的方式提高了正射影像成图精度，从而降低了项目的飞行成本，提高了项目经济效益。

另外，由于飞机在转弯处需要将速度降为0，转弯后重新升速至飞行规定速度，所以转弯时耗时较长，而且在定时拍照的模式下，转弯处会持续拍照，造成无效照片过多，飞机内存消耗严重。本发明规划的线段航线在保证覆盖整个条带状测区的前提下，航点数最少，保证飞机转弯次数最少，能够缩短飞行时间，减少飞机电池电量损耗。

附图说明

图1为本发明航线规划方法示意图；

图2为本发明采集道路中心线示意图；

图3(a)为本发明多边形测区示意图一；

图3(b)为本发明多边形测区示意图二；

图3(c)为本发明多边形测区示意图三；

图4为本发明生成平行航线示意图；

图5为本发明水平方向机身旋转示意图；

图6为本发明竖直方向云台旋转示意图；

图7为本发明线段航线规划流程图；

图8为本发明无人机360度全景拍摄流程图；

图9为本发明具体实施方式示意图一；

图10为本发明具体实施方式示意图二。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图7和图8具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，包括以下步骤：

步骤一、采集条带状区域中心线：在条带状作业区内按照区域走向采集中心线，如道路中心线，按照道路走向，采集点，生成折线段，如图2所示；

步骤二、生成拼接矩形区域：按照道路宽度设置航线宽度d，将中心线分别向两侧平移距离d生成航测区域，已知A、B、C三点坐标，即可求出测区上部分边缘处D、E两点坐标。

首先已知A、B坐标，AD垂直于AB，可以求出角DAB的角度，根据AB距离与AD 距离，就可以求出D点坐标；

已知A、B、C点坐标，可以求出角EBF、角EGB、角FEB、角GEB，同时已知EF 与EG距离为d，即可求出F和G的坐标，继而求出点E的坐标，同理，所有中间点坐标与点E求法相同，首点与末点坐标与点D求法相同；

类似的，可以求出测区下部分边缘的各点位坐标，如H、I、J、K等。最终DEFGHIJK 形成的多边形区域即为条带状测区范围，如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示。

步骤三、生成平行航线

在生成的多边形条带状测区内，生成平行航线，需要计算航线的有效覆盖范围，即航线间距，平行航线间的距离，以保证飞行拍摄的照片重叠度符合成图要求，根据飞行任务需求设置飞行高度H，航线旁向重叠度WFOC，航线航向重叠度HFOC，根据使用多旋翼无人机搭载的相机型号确定根据相机焦距f，像幅宽度WOS，像幅高度HOS，计算航线旁向间距：

double HD＝H/f*WOS*(1-WFOC/100)；

并计算航线内拍摄间距：

double B＝H/f*HOS*(1-HFOC/100)；

生成的平行航线，边框为测区范围，圆点即为航点，折线即为航线，将航点上传到飞机飞控***，即可控制飞机沿红色航线飞行。如图4所示。在不规则带状测区生成的航线如图1所示。

步骤四、飞行航线安全检测模块，是指飞行任务区域划定、飞行航线生成的过程中，***按照多旋翼无人机飞行速度、起飞点距离任务区距离、任务区范围、飞行航线总长度、飞行高度等参数，计算多旋翼无人机飞行总时长，与无人机单架次最长飞行时间对比，判断任务区划定是否合理，航线设计是否能够保障多旋翼无人机飞行安全。另一方面，由于多旋翼无人机在转弯处需要先减速至零，完成转完后加速至任务速度，所以***需要考虑转弯个数对飞行时间的影响。另外，***还需要考虑环境因素如风力对飞行任务和飞行时间的影响。

确定任务飞行总时长分为以下几个步骤：

确定起飞及降落时间：设置飞行高度H，多旋翼无人机上升速度为v，下降速度为v，时间t：

t＝H/v+H/v；

确定航线飞行时间：设置返航点即无人机起飞位置，与任务区航线起始点水平距离为L，航线总长度为S，多旋翼无人机飞行水平速度为v，时间t：

t＝(L+S)/v；

确定飞行总时长：设置航线转弯个数为n，每个转弯处消耗时间为t，其他因素消耗的时间设置为t，则飞行总时长T：

T＝t+t+n*t+t；

航线转弯个数为所规划航线的所有转角个数，即单条航线转角个数乘以平行航线个数。

其他因素消耗的时间设置为t为每次飞行设定的安全飞行时间，根据以往飞行经验，默认为5秒。

无人机飞行转弯机制，无人机在转弯前，需将飞行速度降为0，然后旋转飞行角度，再继续加速至设定飞行速度进行飞行。

计算飞行总时长后，对比当前多旋翼无人机单架次最长飞行时间：

若T>＝T₀，则不能在***中进行下一步操作；

若T<T₀，则可以在***中进行下一步操作，飞行前安全检查。T₀为无人机单架次最长飞行时间。

步骤五、多旋翼无人机自主起飞，多旋翼无人机采用垂直起降的方式起飞，首先飞机在返航点位置处垂直起飞，飞至规定飞行高度的三分之二处，由于航拍项目需要拍摄照片拼接正射影像，此时无人机打开相机，开始间隔一定时间拍摄照片，如果相机启动成功并正常拍摄，则无人机继续起飞至规定飞行高度，否则无人机直接降落，飞行工作人员检查相机及云台是否出现故障。无人机自主起飞控制，是指整个起飞过程是由***提前将命令输入至飞机的控制***内，起飞后的所有动作由无人机自主完成。

在三分之二处进行相机检测的效果在于在进入执行任务前就可以完成相机检测，又避免过早打开相机造成拍摄的相片过多，浪费电量、存储问题，因为飞机在起飞过程中，飞行速度很慢，相机只要打开就会执行间隔拍照。

步骤六、飞行安全实时监测，是指在多旋翼无人机飞行过程中，飞行控制管理***对无人机当前状态信息实时监测并显示，通过无人机的状态信息评估当前任务完成情况，并进行危险处理，如无人机GPS信号弱导致导航故障致使无人机偏离航线，距离返航点过远、飞行高度过低或过高等情况下，***会提示飞行员并且命令飞机自动返航，避免飞机电池电量不足发生失控或者坠机情况发生。另外，若***发现曝光数目不增加，则说明无人机飞行过程中没有执行航摄任务，***会提示飞行员并且命令飞机自动返航，避免浪费时间和电池电量。

步骤七、自主完成航拍任务：无人机在起飞前，***会根据任务区范围和飞行参数生成飞行航线规划方案，然后将飞行轨迹上传到飞机的导航控制器中，飞机起飞后，控制器结合飞机实际情况以及飞行航线控制无人机按照规划好的航线自主飞行，在飞行过程中每隔相同时间，相机会拍摄照片，完成航拍任务后，无人机会控制相机结束拍照，并自动返航，完成自主着陆。

步骤八、自主返航与自主着陆：多旋翼无人机自主起飞和降落是自主飞行控制中至关重要的重要技术，本发明在无人机起飞后，提供了暂停及一键返航功能，可通过点击按钮控制无人机暂停飞行，在此期间正常拍照，紧急情况下可对飞机发送一键返航指令，飞机会停止拍照，并自动返回返航点上方并完成自动降落的功能。

多旋翼无人机返航固有机制，若在无人机水平距离返航点20米时触发返航，无人机将会从当前位置自动下降并降落，而不会爬升至预设高度，可能会导致飞机在不适合降落的地点降落，如草地、水域等，从而引发安全事故，针对这一情况，设置安全着陆措施，返航时首先在当前高度飞至返航点位置，然后直接降落或爬升至预设高度后降落，无需手动操控飞机，即可保证飞机安全降落。

本发明能够解决多旋翼无人机在不规则条带状测区内的线段航线规划问题，与现有技术相比有以下显著优点：能够在保证飞行成果可用的前提下减少了飞行架次，缩短了飞机起飞降落的时间，减少飞机电池无效损耗，提高了外业飞行人员工作效率，且航线冗余覆盖率降低，航线有效率增加，且平行航线的方式提高了正射影像成图精度，从而降低了项目的飞行成本，提高了项目经济效益。

针对同一个条带状狭长弯道型区域的测绘任务，针对三种航线，分别是本发明中介绍的线段航线、矩形区域规则航线以及多边形全覆盖全方向航线设计，使用同一个多旋翼无人机进行了测试，测试结果如下表所示：

为使本发明的目的、技术以及优势更加清晰，下面列举一个工作方案实例，对本发明进行更加详细的进一步说明。

本发明提出了一种条带状多边形狭长弯道型测绘区域内，适用于多旋翼无人机的线段型航线规划方法，相比于其他的航线规划方法，本发明具有航线无效覆盖率低、飞行架次少、飞行时间短、电池耗电量低，以及成图精度高，操作方便等优点。本发明实施过程主要包括三步，采集条带状测区中心线位置，根据中心线以及条带状测区的宽度，向外扩展测区范围，形成外接多边形测区，最后根据飞行高度、航向重叠度和旁向重叠度生成平行航线。

比如航摄某条非直线的公路或铁路时，需要在公路沿线画一条直线，飞行范围是这条直线的外接平行矩形，线段航线就是为这种模式设计的。实施过程如图9和图10所示：

首先在地图上长按绘制公路沿线直线：

航线绘制结束后，点击屏幕左下角“执行任务”，弹出的对话框开始检查飞机状态，同上，当“自动起飞”按钮变成绿色的时候，点击“自动起飞”，开始飞行。

在本发明中，根据本发明生成的道路中心线的拐点，即为无人机全景拍摄的飞行航点，在每个航点处设计无人机飞行指令，以实现全景拍摄的目的。为了实现360度全景拍摄，我们需要在一定竖直高度位置处拍摄水平方向上0——360度的图像，根据照片重叠度，本发明在水平方向上选取10个角度进行拍照，即每间隔36度水平位置进行图像采集，水平方向上的角度变换利用无人机的水平旋转实现。竖直方向需要旋转90度进行图像采集，相机搭载在无人机的云台上面，由于云台运动相对无人机机身旋转运动更稳定，代价更低，并且云台旋转一定角度相对可控且云台自带稳定***，能够保证拍摄画面稳定状态，所以我们采用了将机身固定在一个水平角度，云台运动到各个角度进行拍照的方式。

如图5所示即为水平方向机身旋转示意图，无人机每次顺时针旋转36度，整个拍摄任务中共旋转10次，图6即为竖直方向云台旋转角度示意图，无人机每次旋转到一定角度后，云台旋转三次，分别拍摄一张照片，其中云台角度为0度，即为垂直地面，整个拍摄任务中此角度仅拍摄一张照片即可，故本发明提出的无人机360度全景拍摄任务每个目标点拍摄31张照片，即可拼接成360度全景图像。

具体航线为，无人机飞到目标航点位置后，首先云台在当前位置相机曝光拍摄一张照片，即为-90度位置拍摄，然后飞机正式进入第一个飞行角度(等同于所有奇数序列飞行角度)的拍摄任务，云台向上旋转30度，即为-60度位置处，拍摄一张照片，接着云台继续向上旋转30度，即为-30度位置处，拍摄一张照片，最后云台继续向上旋转30度，即为0 度位置处，拍摄一张照片，至此第一个飞行角度的拍摄任务完成。

第二个飞行角度的拍摄任务以无人机顺时针旋转36度后开始，由于机身运动完需要一定时间调整机身姿态，此时马上调整云台角度，可能会造成飞机的倾斜等异常，当前云台呈水平状态，本发明利用云台的稳定性特点，提出第二个飞行角度(等同于所有偶数序列飞行角度)采用反向拍摄方式，即分别在0度，-30度，-60度拍摄照片。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，其特征在于所述步骤三中平行航线间的旁向距离为：

double HD＝H/f*WOS*(1-WFOC/100)

其中，H为飞行高度，WFOC为航线旁向重叠度，WOS为相机的像幅宽度，f为相机焦距。

3.根据权利要求1所述的一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，其特征在于所述步骤五中无人机根据拍摄间距进行拍摄，所述拍摄间距为：

double B＝H/f*HOS*(1-HFOC/100)

其中，H为飞行高度，f为相机焦距，HFOC为航线航向重叠度，HOS为像幅高度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，其特征在于所述步骤四中确定任务飞行的总时长的具体步骤为：

步骤四一、确定无人机起飞及降落时间t₁：设置飞行高度H，多旋翼无人机上升速度为v₁，下降速度为v₂，则

t₁＝H/v₁+H/v₂；

步骤四二、确定航线飞行时间t₂：设置返航点即无人机起飞位置，与任务区航线起始点水平距离为L，航线总长度为S，无人机飞行水平速度为v，则

t₂＝(L+S)/v；

步骤四三、确定飞行总时长T：无人机在每个转弯处消耗时间为t₃，安全飞行时间t₄，航线转弯次数为n，则飞行总时长T为：

T＝t₁+t₂+n*t₃+t₄。

5.根据权利要求1所述的一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，其特征在于所述步骤六中无人机飞行状态出现异常包括：无人机偏离航线、距离返航点过远、飞行高度过低或过高。

6.根据权利要求1所述的一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，其特征在于所述步骤五的具体步骤为：

首先使无人机垂直起飞，飞至规定飞行高度的三分之二处，此时无人机打开相机，如果相机启动成功并正常拍摄，则无人机继续起飞至规定飞行高度，否则无人机直接降落。

7.根据权利要求1所述的一种适用于带状测区的多旋翼无人机航线规划与航摄方法，其特征在于所述无人机的定位状态信息包括位置和搜索到的卫星数。