CN104469283B - 一种微型无人机载实时全景成像系统及设备 - Google Patents

Abstract

一种微型无人机载实时全景成像系统，包括实时全景成像设备、无线信号传输与控制板；实时全景成像设备包括连接件、光学保护罩、外壳、反射镜、高清摄像头；高清摄像头还连接无线信号传输与控制板，无线信号传输与控制板与无线天线相接；光学保护罩为透明圆柱形罩，反射镜为圆锥曲面形镜，高清摄像头置于圆锥曲面形镜形成的光学焦点处；无线天线装在外壳外部。基于本发明设计的微型无人机载实时全景成像系统及设备无需进行图像拼接，即可得到实时大场景图像，实时性好、结构简单、成本低，可以为机器人导航、侦查、计算机视觉、虚拟现实等领域发挥重要作用。

Description

一种微型无人机载实时全景成像系统及设备

技术领域

本发明涉及一种微型无人机载实时全景成像系统及设备。

背景技术

无人机遥感系统具有体积小、重量轻、低成本、低损耗、可重复使用且风险小等诸多优势，其应用领域从最初的侦察、早期预警等军事领域扩大到气象海洋观测、资源勘测及处理突发事件等非军事领域。无人机遥感的高时效、高分辨率等性能，是传统卫星遥感所无法比拟的，越来越受到研究者和生产者的青睐，大大扩大了遥感的应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。

目前国内外全景成像技术的研究主要集中在地面采集，对于空中全景图像采集研究较少。归纳起来，为获得全景成像主要有两种方法:图像拼接法和鱼眼镜头法。基于图像拼接的全景成像方法之一是使相机绕通过其光心的垂直轴线旋转对多个方向的场景成像，再将这些不同方向的场景图像拼接成一幅全景图。这种方法，虽然成像分辨力高，但成像速度慢，拼接算法复杂，一般只能拼接出柱面全景图像，不满足单一视点要求，且成本高、系统复杂，不能满足实时全景成像的需要。另外，无人机载拼接图像还有以下几个问题：第一，图像的倾角过大而无规律、航向重叠度有的过小(小于20％)、灰度不一致，使得图像匹配难度大、精度低，给后续处理造成不利影响；第二，图像像幅小、数量多，造成工作量大、效率低，需要研究高效的、自动化程度高的处理方法；第三，飞行航线呈曲线，图像的旁向重叠度不规则、过小(许多小于10％)，这给连接点的提取和布设带来困难，影响到空中三角测量的精度。同时，由于多数的无人机成像平台使用的是非量测型相机，成像质量较差，图像畸变大、不规则、辐射信息差异明显，这些不利因素给图像拼接带来直接的挑战。

鱼眼镜头在获得大视场的同时又有其缺点，即会产生严重的桶形畸变，很难校正，且成像分辨力低。高质量的鱼眼透镜通常采用10片以上的结构和高质量的光学材料，因此系统复杂，造价成本昂贵。

如上所述，概括起来目前无人机成像技术存在以下问题：成像速度慢，实时性差，不能同时获得完整的全景图像，更不能获得动态全景图像，且获取图像的数据量大，拼接算法复杂，还具有不能满足单一视点要求、成本高、系统复杂。

发明内容

针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、实时性好，同时具有高成像分辨力、结构简单、成本低的微型无人机载实时全景成像系统及设备。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：一种微型无人机载实时全景成像系统，包括实时全景成像设备、无线信号传输与控制板；实时全景成像设备包括连接件、光学保护罩、外壳、反射镜、高清摄像头；高清摄像头还连接无线信号传输与控制板，无线信号传输与控制板与无线天线相接；光学保护罩为透明圆柱形罩，反射镜为圆锥曲面形镜，高清摄像头置于圆锥曲面形镜形成的光学焦点处；无线天线装在外壳外部。

圆锥曲线面镜采用抛物线面镜(采用抛物线镜面型)。抛物线面镜，采集面积大，且易于拼图。场景和像素更丰富，成像效果更好。

摄像机水平视场角：360度,镜头焦距6mm。

抛物面反射镜口径为DM＝52mm,要求设计的全景系统具有大于半球视场成像(θmax＝143°)

由式得本设备的抛物面反射镜面形参数(即摄像机光心到镜面边缘的距离)H＝13mm；

由式得本设备的抛物面反射镜面高度为h＝26mm；

光学保护罩与(铝合金)外壳固接。所述的无线信号(视频)传输模块采用无线通信方式与地面接收控制模块实现双向通信。所述的地面接收控制模块用于实时接收视频，并对微型旋翼式无人机、可收放起落架、实时全景成像设备和无线视频传输模块进行实时控制。所述的连接件将成像主体连接至可收放起落架，所述的光学保护罩和铝合金外壳用来保护成像装置，所述的反射镜用来将周围空间的光线汇集到反射镜上，所述的高清摄像头用来采集汇集到反射镜上的全景图像，所述的信号传输与控制板用来对设备进行控制和对信号进行处理，所述的无线天线用来传输信息。无线视频传输模块包括射频发射功率放大器，用于连接无线天线，无线天线可以为两根无线天线，可同时进行发射和接收信号。

微型旋翼式无人机、可收放起落架、地面接收控制模块是本发明工作的基础。

所述的微型旋翼式无人机为实时全景成像设备的空中搭载平台。所述的可收放起落架为无人机起飞和降落的支撑架，可收放起落架用于避免将起落架影像落入采集的视频中。所述的实时全景成像设备采用抛物面折反射方式获取实时全景图像。

所述可收放起落架在无人机起飞时伸平起落架与无人机机体平行，降落时放下起落架与无人机机体垂直，避免将起落架影像落入采集的视频中。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微型旋翼式无人机采用大疆S800型微型六旋翼无人机。

作为本发明的一种优选技术方案：所述可收放起落架采用大疆DJI S800 EVO型可收放起落架。可收放起落架在无人机起飞时伸平起落架与无人机机体平行，降落时放下起落架与无人机机体垂直，避免将起落架影像落入采集的视频中。

本发明所述一种微型无人机载实时全景成像系统及设备采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明设计的可翻转支架系统，结构简单，可以防止全景相机进行全景图像采集时无人机起落架落入图像内，提高了图像采集要素的完整性和的图像质量；

(2)本发明设计的可翻转支架系统，可以根据无人机的起落距离，对全景相机进行翻转收放，避免镜头与地面相接触，有效保护了镜头。

与此相应，针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于本发明设计的可翻转支架系统，能够灵活地根据离地距离和无人机飞行状态调节全景相机镜头的位置，获取全方位无起落架干扰的全景图像。所述的无线视频传输模块采用无线通信方式与地面接收控制模块实现双向通信。所述的地面接收控制模块用于实时接收视频，并对微型旋翼式无人机、可收放起落架、实时全景成像设备和无线视频传输模块进行实时控制。基于本发明设计的微型无人机载实时全景成像系统及设备无需进行图像拼接，即可得到实时大场景图像，实时性好、结构简单、成本低，可以为机器人导航、侦查、计算机视觉、虚拟现实等领域发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明设计的微型无人机载实时全景成像系统的功能模块构成示意图；

图2是本发明设计的微型无人机载实时全景成像设备结构图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，包括连接件1、反射镜2、光学保护罩3、高清摄像头4、信号传输与控制板5、外壳6、无线天线7。无人机8、起落架9、无线网10、成像系统A、地面控制设备11。

本发明设计了一种微型无人机载实时全景成像系统，包括微型旋翼式无人机平台、无人机的起落架为可收放起落架；实时全景成像设备主要指实时全景光学成像、无线视频传输模块和与全景成像系统进行通讯联系的地面接收控制模块。

所述的微型旋翼式无人机为实时全景成像设备的空中搭载平台。所述的可收放起落架为无人机起飞和降落的支撑架，可收放起落架用于避免将起落架影像落入采集的视频中。所述的实时全景成像设备采用抛物面折反射方式获取实时全景图像。所述的无线视频传输模块采用无线通信方式与地面接收控制模块实现双向通信。所述的地面接收控制模块用于实时接收视频，并对微型旋翼式无人机、可收放起落架、实时全景成像设备和无线视频传输模块进行实时控制。

作为本发明的一种优选技术方案：所述微型旋翼式无人机采用大疆S800型微型六旋翼无人机(深圳市大疆创新科技)。

作为本发明的一种优选技术方案：所述可收放起落架采用大疆DJI S800 EVO型可收放起落架。可收放起落架在无人机起飞时伸平起落架与无人机机体平行，降落时放下起落架与无人机机体垂直，避免将起落架影像落入采集的视频中。

如图2所示，本发明设计了一种微型无人机载实时全景成像设备，包括连接件、光学保护罩、铝合金外壳、反射镜、高清摄像头、信号传输与控制板和无线天线。所述的连接件将成像主体连接至可收放起落架，所述的光学保护罩和铝合金外壳用来保护成像装置，所述的反射镜用来将周围空间的光线汇集到反射镜上，所述的高清摄像头用来采集汇集到反射镜上的全景图像，所述的信号传输与控制板用来对设备进行控制和对信号进行处理，所述的无线天线用来传输信息。

作为本发明的一种优选技术方案：所述反射镜采用抛物面镜面线型，由黄铜加工而成。可以实时获取水平360度，垂直方向286度的大场景图像。光学保护罩、(铝合金)外壳的直径为5-15cm，反射镜的外径同光学保护罩的内径或小于内径；高清摄像头装在反射镜的焦距倍位置、无线信号传输与控制板在(铝合金)外壳内，无线天线装在外壳外部。

作为本发明的一种优选技术方案：所述连接件为螺纹连接，将全景实时成像设备连接至无人机机身上。

作为本发明的一种优选技术方案：所述实时全景成像设备外观尺寸为长135mm，直径70mm，反射镜开口直径为52mm，反射镜面形参数(即摄像机光心到镜面边缘的距离)H＝13mm；反射镜面高度为h＝26mm；作为本发明的一种优选技术方案：所述实时全景成像设备预留锂电池、外接直流电源适配器接口。作为本发明的一种优选技术方案：所述光学保护罩材质为高透光率石英玻璃或PC材料。

综上，通过建立并实施本发明设计的微型无人机载实时全景成像系统及实时全景成像设备，能够一次性实时获取空中对地观测的全景图像，系统和设备结构简单、成本低廉、体积小、功耗低，可方便移植到有人飞机、微型飞行器、机器人等平台，以及海关、银行等其它社会安全监测场所，构成实时全方位监控系统，对于促进监控技术水平的提高有重大意义，具有广阔的市场应用前景与经济价值。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种微型无人机载实时全景成像系统，其特征是包括实时全景成像设备、无线信号传输与控制板；实时全景成像设备包括连接件、光学保护罩、外壳、反射镜、高清摄像头；高清摄像头还连接无线信号传输与控制板，无线信号传输与控制板与无线天线相接；光学保护罩为透明圆柱形罩，反射镜为抛物线面镜，高清摄像头置于抛物线面镜形成的光学焦点处；无线天线装在外壳外部；所述抛物线面镜为黄铜制成；

光学保护罩、外壳的直径为5-15cm，抛物线面镜的外径同光学保护罩的内径或小于内径；无线信号传输与控制板在外壳内，无线天线装在外壳外部；

所述连接件为螺纹连接件，将全景成像设备连接至无人机机身上；

所述实时全景成像设备外观尺寸为长135mm，直径70mm，抛物线面镜直径为52mm；

抛物面反射镜口径为D_M,全景成像系统具有大于半球视场成像θmax＝143°；

由式得本全景成像系统的抛物线面镜形状参数即摄像机光心到抛物线面镜面边缘的距离；

由式得本全景成像系统的抛物线面镜面高度为h。