CN105227846A - 无人机倾斜摄影平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机倾斜摄影平台，涉及图像采集装置技术领域。包括结构云台，图像采集传感器与控制器的信号输入端连接，用于感光、获取影像数据；卫星定位模块与控制器双向连接，集成在平台内部用来精确测定所述平台在进行数据采集的瞬时地理位置坐标；减震单元位于所述云台上，所述平台通过减震单元与飞行器连接，用于减少飞行器飞行过程中的抖动对吊舱的影响；地面监测系统与所述控制器通过卫星定位模块进行数据交互，用于实现所述吊舱工作前和工作中的功能控制和监测。所述平台具有体积小、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低、影像分辨率高等特点。

Description

无人机倾斜摄影平台

技术领域

本发明涉及图像采集装置技术领域，尤其涉及一种无人机倾斜摄影平台。

背景技术

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项新的对地观测技术。该技术目前已在欧美等发达国家广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。北京天下图数据技术有限公司则在2010年4月首次将世界领先的倾斜摄影技术引入中国，开启了中国航空倾斜摄影时代。倾斜摄影技术与以往正射影像数据的获取不同，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个不同的角度采集影像。由此获得的倾斜影像不仅能够真实地反映地物情况，而且还能利用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息。

国外倾斜摄影系统主要分3种类型：扇形布局块状布局和马耳他十字形布局。扇形布局主要用于勘察；块状布局主要用于测图和监察；马耳他十字形布局的系统是Pictometry公司的5镜头系统，用于可视化、测图和解译。这些类型的倾斜摄影系统镜头数有2～6个。目前，Trimble公司推出了一款由3个相机组成(一个垂直和两个倾斜相机)的航空倾斜摄影系统，设备由相机、IMU、POS机箱等组成，其拍摄原理是要保证能够获取地物的4个侧面信息，每次拍照结束后，连成一体的3个相机都会旋转90°，待下次拍照后再次旋转回来。国内方面只有以下几家单位对倾斜摄影平台进行了研制，北京四维远见刘先林院士研制的SWDC-5倾斜摄影系统成功地完成了平顶山试验，并集成POS系统；北京中测新图遥感技术有限公司的TOPDC-5倾斜数字航摄系统；红鹏公司研制的多镜头摄影平台。

目前国内外的倾斜摄影系统都具有一个统一的缺点：体积较大，重量一般都大于30KG，仅限于搭载在运五等大飞机上。这对于天气、空域要求较高，数据获取的灵活性不高，影像精度也相对较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无人机倾斜摄影平台，所述平台具有体积小、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低、影像分辨率高等特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种无人机倾斜摄影平台，其特征在于：包括结构云台、图像采集传感器、控制器、卫星定位模块、减震单元和地面监测系统，所述图像采集传感器与控制器的信号输入端连接，用于感光、获取影像数据；所述卫星定位模块与控制器双向连接，集成在平台内部用来精确测定所述平台在进行数据采集的瞬时地理位置坐标；所述减震单元位于所述云台上，所述平台通过减震单元与飞行器连接，用于减少飞行器飞行过程中的抖动对吊舱的影响；所述地面监测系统与所述控制器通过卫星定位模块进行数据交互，用于实现所述吊舱工作前和工作中的功能控制和监测。

进一步的技术方案在于：所述图像采集传感器通过一个光学框架固定在所述云台上。

进一步的技术方案在于：所述图像采集传感器为五个，其中的一个图像采集传感器与地面垂直，用于获取摄像点正下方的正射影像，其余四个图像采集传感器与上述用于垂直拍摄的传感器之间的夹角为40°-60°，分别获取摄像点前、后、左、右方向的影像。

进一步的技术方案在于：所述平台还包括传感器姿态稳定系统，所述图像采集传感器的位置受控于所述姿态稳定系统，所述姿态稳定系统用于补偿和修正无人机飞行中侧滚、俯仰、偏航角度，使得垂直方向图像采集传感器的光轴在航摄飞行中始终垂直地面，得到畸变小的图像。

进一步的技术方案在于：所述控制器包括充电电路、锂电池、电源电路、电池电量检测电路、电池低压报警电路、固态硬盘、GPS接口、FPGA模块以及数据采集转换模块，所述充电电路的输出端与锂电池的充电输入端连接，锂电池的电源输出端分为两路，其中一路与电源电路的输入端连接，电源电路的电源输出端分为若干路，分别与所述控制器中需要供电的模块的电源输入端连接，用于提供工作电源，另一路经电池电量检测电路与FPGA模块的电量检测输入端连接，电池低压报警电路与FPGA模块的报警信号输出端连接，所述卫星定位模块通过所述GPS接口与FPGA模块双向连接，固态硬盘与FPGA模块的数据存储端口连接，用于存储图像采集传感器采集的图像信息，所述FPGA模块上设有PCI总线接口，所述数据采集转换模块通过所述PCI总线与所述FPGA模块连接，所述图像采集传感器与所述数据采集转换模块连接，并受控于所述FPGA模块。

进一步的技术方案在于：所述图像采集传感器分别通过各自的接口转接板，将相机存储卡的SDIO接口信号引至图像采集控制模块的五个卡槽上，卡槽接口经过一个多路复用芯片作为总线开关，避免图像采集控制模块与FPGA模块访问存储卡时产生冲突和干扰；FPGA模块读取五个图像采集传感器的数据，然后将数据按照文件夹名称分类，统一存入一张大容量的固态硬盘中。

进一步的技术方案在于：所述锂电池设有六块，每个图像采集传感器通过一个独立的锂电池进行供电，控制器中其余的模块通过最后的一个锂电池进行供电，通过充电电路上的电源插口，实现对内部共计六块锂电池的统一充电，每块电池通过一个充电控制模块进行充电，每块电池的LED状态指示灯安装在结构外壳上进行指示，每块电池还经过电池电量检测模块检测电池是否处于低压状态，并通过LED灯进行低压告警指示。

进一步的技术方案在于：所述FPGA模块接收来自无人机飞控模块的PWM信号，通过该信号占空比的编码变化，识别飞控模块的指令，以控制相机的相应动作。

进一步的技术方案在于：当传感器工作在全彩色状况下，每3-5秒钟得到5幅JPG格式图像，FPGA模块由PCI总线并线操作，使传感器得到的图像数据通过图像采集卡采集，采集后的图像经PCI总线传输给FPGA模块，FPGA模块将图像传送到固态硬盘进行数据存储。

进一步的技术方案在于：所述减震单元采用被动式颤动阻尼器，所述图像采集传感器使用CMOS图像传感器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述平台具有体积小、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低、影像分辨率高等特点，并结合三维建模方法，所生成的三维地图分辨率可达厘米级别，精确度高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的外观结构示意图；

图2是本发明控制系统的原理框图；

图3是图2中所述控制器的原理框图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-2所示，本发明公开了一种无人机倾斜摄影平台，包括结构云台、图像采集传感器、控制器、卫星定位模块、减震单元和地面监测系统。所述图像采集传感器与控制器的信号输入端连接，用于感光、获取影像数据，所述阻尼单元使用被动式颤动阻尼器；所述卫星定位模块与控制器双向连接，集成在平台内部用来精确测定所述平台在进行数据采集的瞬时地理位置坐标；所述减震单元位于所述云台上，所述平台通过减震单元与飞行器连接，用于减少飞行器飞行过程中的抖动对吊舱的影响；所述地面监测系统与所述控制器通过卫星定位模块进行数据交互，用于实现所述吊舱工作前和工作中的功能控制和监测。

所述图像采集传感器通过一个光学框架固定在所述云台上，所述图像采集传感器为五个，其中的一个图像采集传感器与地面垂直，用于获取摄像点正下方的正射影像，其余四个图像采集传感器与上述用于垂直拍摄的传感器之间的夹角为40°-60°，分别获取摄像点前、后、左、右方向的影像，传感器一次曝光可以同时获取5个方向的真彩色影像。

所述平台还包括传感器姿态稳定系统，所述图像采集传感器的位置受控于所述姿态稳定系统，所述姿态稳定系统用于补偿和修正无人机飞行中侧滚、俯仰、偏航角度，使得垂直方向图像采集传感器的光轴在航摄飞行中始终垂直地面，得到畸变小的图像。

所述传感器采用CMOS专业传感器，其感光能力是同尺寸传感器的2倍，在光线不足的情况下拍摄，能够大幅降低噪点，获得较清晰的影像，具体参数如下表所示。

技术参数	指标
		焦距	不低于28mm
传感器尺寸	13.2mm×8.8mm或更优
		像素大小	不低于3000万像素
像元物理尺寸	2.4μm
		最短曝光间隔	2s或更优

如图3所示，所述控制器包括充电电路、锂电池、电源电路、电池电量检测电路、电池低压报警电路、固态硬盘、GPS接口、FPGA模块以及数据采集转换模块。所述充电电路的输出端与锂电池的充电输入端连接，锂电池的电源输出端分为两路，其中一路与电源电路的输入端连接，电源电路的电源输出端分为若干路，分别与所述控制器中需要供电的模块的电源输入端连接，用于提供工作电源，另一路经电池电量检测电路与FPGA模块的电量检测输入端连接，电池低压报警电路与FPGA模块的报警信号输出端连接，所述卫星定位模块通过所述GPS接口与FPGA模块双向连接，固态硬盘与FPGA模块的数据存储端口连接，用于存储图像采集传感器采集的图像信息，所述FPGA模块上设有PCI总线接口，所述数据采集转换模块通过所述PCI总线与所述FPGA模块连接，所述图像采集传感器与所述数据采集转换模块连接，并受控于所述FPGA模块。

所述图像采集传感器分别通过各自的接口转接板，将相机存储卡的SDIO接口信号引至图像采集控制模块的五个卡槽上，卡槽接口经过一个多路复用芯片作为总线开关，避免图像采集控制模块与FPGA模块访问存储卡时产生冲突和干扰；FPGA模块读取五个图像采集传感器的数据，然后将数据按照文件夹名称分类，统一存入一张大容量的固态硬盘中。

具体的，所述传感器使用相机，五台相机分别通过各自的接口转接板，将相机存储卡(MicroSD/TF卡)的SDIO接口信号引至控制器上的插座上，然后再分别引至控制器上的五个卡槽，卡槽接口需经过一个多路复用芯片(如TI的TS3A27518E)作为总线开关，以避免相机控制器与控制器FPGA访问存储卡时产生冲突和干扰。FPGA读取五台相机的数据，然后将数据按照文件夹名称分类，统一存入一张大容量的SD卡中。SD卡的卡槽板独立于控制器，因为SD卡槽需要安装在结构外壳，SD卡槽板与控制器之间也使用引线接插件进行连接。考虑到SDIO接口的速率、数据可靠性、安装性等因素，SDIO接口的引线与接插件选用高可靠性高质量的材料。

对存储卡的访问、高速读写以及文件系统管理等功能，完全由FPGA负责完成(采用Altera公司的CycloneIV系列，或Xilinx公司的Spartan6系列的工业级芯片，尽可能采用大容量逻辑资源丰富的芯片，以便功能扩展，也便于调试过程的使用)，FPGA主要通过解析SDIO接口V2.0或V3.0协议，实现对存储卡的控制，SDIO接口总线的工作时钟最高为50MHz(通常的高速SD卡的速率)，接口电平为3.3VLVTTL电平，FPGA的工作时钟也可采用50MHz的时钟频率。

另外，FPGA外接一块SDRAM进行扩展，作为数据缓存，容量可考虑512Mb(64MB)的芯片，其读写速率可达133MHz，对整体的数据存取时间将不会造成太大的影响。

所述锂电池设有六块，每个图像采集传感器通过一个独立的锂电池进行供电，控制器中其余的模块通过最后的一个锂电池进行供电，通过充电电路上的电源插口，实现对内部共计六块锂电池的统一充电，每块电池通过一个充电控制模块进行充电，每块电池的LED状态指示灯安装在结构外壳上进行指示，每块电池还经过电池电量检测模块检测电池是否处于低压状态，并通过LED灯进行低压告警指示。

具体的，五台相机以及控制器将分别使用各自独立的锂电池进行供电，通过结构外壳的电源插口，实现对内部共计六块锂电池的统一充电。相机电池的电源线通过相机接口转接板引至控制器上，外部充电电源将+5V～+12V的外部电源引入控制器，每块电池将通过一个充电控制模块(如MAX1898)进行充电，每块电池的LED状态灯将安装在结构外壳上进行指示，这些LED灯也可作为每台相机和控制器的状态指示灯功能。另外，每块电池还需经过电压检测模块(如HT7033A，KIA7031，或采用专门的A/D模块)，以检测电池是否处于低压状态，以通过LED灯进行低压告警指示。

所述控制器接收来自无人机飞控模块的PWM信号，通过该信号占空比的编码变化，识别飞控模块的指令，以控制相机的相应动作，如开机、曝光等。在与飞控模块的接口上进行隔离保护，相机的开机、曝光信号则要增强信号的驱动能力，避免信号驱动能力不足，造成相机曝光操作失败。

FPGA的JTAG接口，方便在线调试以及程序加载。放置五个按键，接口连接至FPGA的IO口，可分别为每部相机进行调试维护。在控制板上设置五个LED灯，分别为每部相机进行状态指示。在控制板上设置一些调试点，可考虑将FPGA的空闲IO引出到一排针上。设置一个电源插座以及一个电源总开关按钮。

当传感器工作在全彩色状况下，每3-5秒钟得到5幅JPG格式图像，FPGA模块由PCI总线并线操作，使传感器得到的图像数据通过图像采集卡采集，采集后的图像经PCI总线传输给FPGA模块，FPGA模块将图像传送到固态硬盘进行数据存储。

软件系统：包括控制系统和地面监测系统，用来控制微型倾斜影像数据获取云台各个部分之间的通信连接，实时控制和监测数据拍摄的过程，主要包括以下几方面功能：数据存贮管理，完成五台相机数据统一存储，不同的相机对应不同的文件夹，并且同一曝光点影像命名一致。欠电压监测，实时监控电池电量，当电池电量值小于设定的阀值时自动灯光预警。相机模式控制，可根据任务需要设置相机开关机、相片数据读取或相片数据删除操作。

所述平台总体体积小、重量轻，可适用多种类型无人机。自主化飞行，经过一端时间培训，用户可自己生产空间影像数据，成本低、周期短、机动灵活。应用具有跌落保护设计和自稳设计的拍摄云台，使得摄影设备结构稳定，可减少无人机震动的影响，获取无抖动的影像。可调整航拍相机参数和自动检测摄影控制装置设计，使得无人机在150米超低空自主化飞行，获取高清晰的影像，分辨率是常规航空摄影的4倍以上。

Claims (10)

1.一种无人机倾斜摄影平台，其特征在于：包括结构云台、图像采集传感器、控制器、卫星定位模块、减震单元和地面监测系统，所述图像采集传感器与控制器的信号输入端连接，用于感光、获取影像数据；所述卫星定位模块与控制器双向连接，集成在平台内部用来精确测定所述平台在进行数据采集的瞬时地理位置坐标；所述减震单元位于所述云台上，所述平台通过减震单元与飞行器连接，用于减少飞行器飞行过程中的抖动对吊舱的影响；所述地面监测系统与所述控制器通过卫星定位模块进行数据交互，用于实现所述吊舱工作前和工作中的功能控制和监测。

2.如权利要求1所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述图像采集传感器通过一个光学框架固定在所述云台上。

3.如权利要求1所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述图像采集传感器为五个，其中的一个图像采集传感器与地面垂直，用于获取摄像点正下方的正射影像，其余四个图像采集传感器与上述用于垂直拍摄的传感器之间的夹角为40°-60°，分别获取摄像点前、后、左、右方向的影像。

4.如权利要求3所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述平台还包括传感器姿态稳定系统，所述图像采集传感器的位置受控于所述姿态稳定系统，所述姿态稳定系统用于补偿和修正无人机飞行中侧滚、俯仰、偏航角度，使得垂直方向图像采集传感器的光轴在航摄飞行中始终垂直地面，得到畸变小的图像。

5.如权利要求3所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述控制器包括充电电路、锂电池、电源电路、电池电量检测电路、电池低压报警电路、固态硬盘、GPS接口、FPGA模块以及数据采集转换模块，所述充电电路的输出端与锂电池的充电输入端连接，锂电池的电源输出端分为两路，其中一路与电源电路的输入端连接，电源电路的电源输出端分为若干路，分别与所述控制器中需要供电的模块的电源输入端连接，用于提供工作电源，另一路经电池电量检测电路与FPGA模块的电量检测输入端连接，电池低压报警电路与FPGA模块的报警信号输出端连接，所述卫星定位模块通过所述GPS接口与FPGA模块双向连接，固态硬盘与FPGA模块的数据存储端口连接，用于存储图像采集传感器采集的图像信息，所述FPGA模块上设有PCI总线接口，所述数据采集转换模块通过所述PCI总线与所述FPGA模块连接，所述图像采集传感器与所述数据采集转换模块连接，并受控于所述FPGA模块。

6.如权利要求5所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述图像采集传感器分别通过各自的接口转接板，将相机存储卡的SDIO接口信号引至图像采集控制模块的五个卡槽上，卡槽接口经过一个多路复用芯片作为总线开关，避免图像采集控制模块与FPGA模块访问存储卡时产生冲突和干扰；FPGA模块读取五个图像采集传感器的数据，然后将数据按照文件夹名称分类，统一存入一张大容量的固态硬盘中。

7.如权利要求5所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述锂电池设有六块，每个图像采集传感器通过一个独立的锂电池进行供电，控制器中其余的模块通过最后的一个锂电池进行供电，通过充电电路上的电源插口，实现对内部共计六块锂电池的统一充电，每块电池通过一个充电控制模块进行充电，每块电池的LED状态指示灯安装在结构外壳上进行指示，每块电池还经过电池电量检测模块检测电池是否处于低压状态，并通过LED灯进行低压告警指示。

8.如权利要求5所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述FPGA模块接收来自无人机飞控模块的PWM信号，通过该信号占空比的编码变化，识别飞控模块的指令，以控制相机的相应动作。

9.如权利要求5所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：当传感器工作在全彩色状况下，每3-5秒钟得到5幅JPG格式图像，FPGA模块由PCI总线并线操作，使传感器得到的图像数据通过图像采集卡采集，采集后的图像经PCI总线传输给FPGA模块，FPGA模块将图像传送到固态硬盘进行数据存储。

10.如权利要求1所述的无人机倾斜摄影平台，其特征在于：所述减震单元采用被动式颤动阻尼器，所述图像采集传感器使用CMOS图像传感器。