CN105784346B - 基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法 - Google Patents
基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试装置和方法。固定支架布置在飞行器外周围，飞行器顶部通过万向节固定在支撑杆下端并位于固定支架的中心，油布水平布置于固定支架框架的底面，油布上布设有标志图像，数码相机与飞行器机身刚性连接，飞行器和数码相机均经图片数据传输系统与地面的PC上位机相连接；先对数码相机进行标定，建立数码相机图像的像素位置与油布上的标志点位置之间的关系，飞行保持固定支架和油布水平平行于地面，实时采集图片数据处理得到外方位参数，方差求解后获得飞行器云台的稳定性结果。本发明运用科学有效的测试方式来检测飞行器云台的稳定性，结构简单、合理，通用性强，便于拆卸，能适应各种飞行器云台。
Description
技术领域
本发明属于摄影测量技术领域，涉及飞行器领域，主要用于对各飞行器厂家生产的云台产品进行稳定性和可靠性的测试。
背景技术
近几年来，国内无人机发展比较快，无人机企业也越来越多。除军事用途 外，由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、 使用方便等优势，使得无人机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油 田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒、应急救援和救 护等民用领域应用前景极为广阔。想要用飞行器拍摄到清晰的照片，除了飞行 器和高清相机，还有一个必不可少的装备就是飞行器云台。飞行器云台是安装、 固定摄像机的支撑设备，一般由两个电机分别负责飞行器云台上下和左右方向 的转动。飞行器云台的结构简单，易于安装与拆卸。装备有云台的飞行器适用 于对大范围面积进行扫描监控，它可以扩大摄像机的摄像范围，飞行器云台的 高速姿态的变化是由其结构内部的两台电机来实现的。一款好的飞行器云台不 仅要有一定的载重量，还需要精准的定位以及较好的稳定性，所以评价一款飞 行器云台的好坏就涉及到飞行器云台的各种自身参数，例如飞行器云台左右旋 转和上下旋转的角度范围、转速、控制精度以及稳定性等等。由于各式各样的 航拍需要，飞行器云台自身的稳定性尤为重要。通过网络上的相关资料和视频 可以看出，现阶段涉及到飞行器云台的稳定性检测问题时，都只是通过人的眼 睛观看得到的信息来主观评价飞行器云台的稳定性，并没有一个具体的参数来 评测飞行器云台的稳定质量，因此人们在选购飞行器云台时，往往忽略了这一 点，或者主观的认为价格越高就越好越稳定。这导致有些航拍得到的照片由于 飞行器云台的抖动变得不清晰，如果抖动的频率以及幅度很大，甚至会出现完 全拍摄不到目标物体的照片。
发明内容
本发明为了克服以上现有的飞行器云台稳定性测试技术不足，为了有效测 试飞行器云台的稳定性，并获取飞行器云台在运动过程中的不同状态，提供了 基于数码相机的飞行器云台测试装置和方法。
本发明实现目的而采用的技术方案为：
本发明包括飞行器、飞行器机载的锂电池和云台、安装在云台上的数码相 机、固定支架、万向节、PC上位机、图片数据传输系统和油布，固定支架为矩 形框架结构，布置在飞行器外周围，固定支架顶部设有一根支撑杆，飞行器顶 部通过万向节固定在支撑杆下端并位于固定支架的中心，油布水平布置于固定 支架框架的底面并通过夹子固定，油布上布设有标志图像，数码相机通过云台 与飞行器机身刚性连接，镜头方向朝下方，飞行器和数码相机均经图片数据传 输系统与地面的PC上位机相连接。
所述的图片数据传输系统包括图片数据发送模块和图片数据接收模块，图 片数据发送模块安装在飞行器的上，图片数据接收模块位于地面并通过串口与 PC上位机相连。
所述的图片数据发送模块包括采集图片子模块和单片机图片数据处理子模 块和图片数据发送子模块，数码相机中的照片数据经采集图片子模块放大处理 后，传送给单片机图片数据处理子模块进行图片数据运算处理和AD转换，将 图片数据进行压缩打包，再通过图片数据发送子模块发送给图片数据接收模块。
所述的图片数据接收模块包括图片数据接收子模块、单片机控制转换子模 块，图片数据接收子模块接收图片数据发送模块发送的照片数据，进行解压处 理，再传送至单片机控制转换子模块进行电平转换，将低电平转换成高电平， 再通过串口发送给PC上位机。
所述标志图像为12×12格的国际象棋图案，每格边长为20mm，选取棋盘内 10×10处的四个角点用圆点标记，标记点的半径为3mm，油布为白色，将标志 图像放置在油布的中心位置。
所述的固定支架为正方体框架，长宽高各为2m，并且固定支架的各条边均 采用可伸缩支杆，根据所用飞行器和云台的尺寸大小调节可伸缩支杆的长度进 而调节固定支架的长宽高。
二、一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法：
1)采用所述权利要求1～6任一装置，先对数码相机进行标定，建立数码相 机图像的像素位置与油布上的标志点位置之间的关系；
2)飞行器飞行过程中，保持固定支架和油布水平平行于地面，数码相机实 时采集图片数据，根据摄影测量原理处理图片数据得到数码相机各个时刻的外 方位参数，再对外方位参数进行方差求解，根据方差求解的结果获得飞行器云 台的稳定性结果。
所述的数码相机标定就是确定数码相机的内方位参数，从而建立数码相机 图像的像素位置与油布上的标志点位置之间的关系。标定根据直接线性变换解 法，以共线条件方程为基础建立数学模型，求解数码相机的内方位参数，从而 完成对数码相机的标定。
所述步骤1)中数码相机具体采用以下方式进行标定：
1.1)在油布上的标志图像内至少设置四个标志点，并测定每个标志点的实际 空间坐标位置；
1.2)用数码照相机置于云台上，镜头朝向下方的油布固定对标志点进行拍 摄，获得图像；
1.3)将图像上的像素点坐标和标志点的实际空间坐标代入共线条件方程，采 用直接线性变换解法(DLT)求得该数码相机的内方位参数。
所述的共线条件方程具体为：
式中，x、y为以照片中心为原点的像点坐标；x0、y0为像主点坐标；Δx、 Δy为像点坐标改正值；f为焦距；(X,Y,Z)为标志点在空间直角坐标系下的坐标； (Xs,Ys,Zs)为数码相机摄影中心在同一空间直角坐标系下的坐标；
其中，ai,bi,ci分别表示x、y、z轴方向余弦，即像空间坐标系和像空间辅 助坐标系之间夹角的余弦值，i表示方向参数，i＝1表示x轴方向，i＝2表示y 轴方向,i＝3表示z轴方向，采用以下公式计算：
其中，α、ω、κ为确定摄影光束空间方位的3个姿态角，分别表示航向倾 角、旁向倾角、像片旋角。
采用所述直接线性变换解法(DLT)求解具体是根据共线条件方程建立以下 数学模型：
式中，x、y为以照片中心为原点的像点坐标；Δx、Δy为像点坐标改正值； (X,Y,Z)为标志点在空间直角坐标系下的坐标；li为关于各个方位元素的函数参 数值，i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11；
最后采用以下公式进行计算获得数码相机的主点(x0,y0)和主距f的内方位 参数：
其中，(x0,y0)为数码相机的主点，fx，fy为照片在(x,y)方向上的摄影主 距，li为关于各个方位元素的函数参数。
所述的外方位参数包括标志点在空间直角坐标系下的坐标(X,Y,Z)，航向倾 角α，旁向倾角ω，像片旋角κ。
所述步骤2)中对外方位参数进行方差求解具体采用以下方差公式：
式中，s2为方差，x表示外方位参数样本的平均值，xi表示个体，n表示外 方位参数样本的数量。
所述求得的各外方位参数方差值越接近0，表示云台越稳定。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
(1)本发明打破了传统的只能通过外观查看评判飞行器云台稳定性的方 式，运用科学有效的测试装置来检测飞行器云台的稳定性。
(2)本发明结构简单、合理，通用性强，便于拆卸，能适应各种飞行器云 台。
(3)本发明根据摄影测量原理，只需有效的利用普通的数码相机，就可以 对飞行器云台进行稳定性测评。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明方法的流程图；
图3是本发明图片数据传输系统的原理框图；
图4是像素坐标系与图像坐标系的关系图；
图5是四个坐标系的关系图；
图6是标志采用的国际象棋图案示意图；
图7是油布上的标志图像示意图。
图中：1、数码相机，2、固定支架，3、万向节，4、飞行器，5、云台，9、 油布，8、图片数据传输系统，8.1、图片数据发送模块，8.2、图片数据接收模 块。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明
如图1所示，本发明包括飞行器4、飞行器4机载的锂电池7和云台5、安 装在云台5上的数码相机1、固定支架2、万向节3、PC上位机6、图片数据传 输系统8和油布9，固定支架2为矩形框架结构，布置在飞行器4外周围，固定 支架2顶部设有一根支撑杆，飞行器4顶部通过万向节3固定在支撑杆下端并 位于固定支架2的中心，油布9水平布置于固定支架2框架的底面并通过夹子 固定，油布9上布设有标志图像，数码相机1经标定处理过，数码相机1通过 云台5与飞行器4机身刚性连接，镜头方向朝下方，飞行器4和数码相机1均 经图片数据传输系统8与地面的PC上位机相连接。
如图3所示，图片数据传输系统8包括图片数据发送模块8.1和图片数据接 收模块8.2，图片数据发送模块8.1安装在飞行器4的上，图片数据接收模块8.2 位于地面并通过串口与PC上位机相连。图片数据发送模块8.1包括采集图片子 模块和单片机图片数据处理子模块和图片数据发送子模块，数码相机1中的照 片数据经采集图片子模块放大处理后，传送给单片机图片数据处理子模块进行 图片数据运算处理和转换，再通过图片数据发送子模块发送给图片数据接收模 块8.2。图片数据接收模块8.2包括图片数据接收子模块、单片机控制转换子模 块，图片数据接收子模块接收图片数据发送模块8.1发送的照片数据，传送至单 片机控制转换子模块进行电平转换，再通过串口发送给PC上位机6。
标志图像为黑白方格图，油布9为白色，白色背景上设有均匀分布的黑色 方块。
固定支架2为正方体框架，并且固定支架2的各条边均采用可伸缩支杆， 根据所用飞行器4和云台5的尺寸大小调节可伸缩支杆的长度进而调节固定支 架2的长宽高。
万向节3用于连接固定支架2和飞行器4，万向节3保证飞行器能够进行自 由的姿态变化。
如图2所示，本发明的具体实施例如下：
具体实施中，飞行器4采用四旋翼无人飞行器，尺寸为30x30x7.5cm。数码 相机1采用Aptina CMOS传感器的C接口CMOS相机，相机像素达到2030万， USB2.0接口确保高传输速率，连拍速度为6.0张/秒。固定支架2的长宽高各为 2m，可伸缩支杆可调节。标志图像采用如图6所示的黑白方格图，四角处设有 四个标记的圆点，放置到油布上为图7所示。
步骤一、搭建本发明装置，根据直接线性变换解法，以共线条件方程为基 础建立数学模型，求解数码相机的内方位参数，对数码相机进行标定，建立完 成数码相机图像的像素位置与油布上的位置之间的关系；
相机成像的数学模型是由像素坐标系、图像坐标系、相机坐标系和世界坐 标系组成，四个坐标系如图5所示：
1)像素坐标系：图像经过数码相机的采集会先以电信号的方式存在，而后 通过数码相机内部的数模转换模块转变成数字图像，以M×N的数组形式存储起 来。图像中的M×N数组中的元素就是像素，像素坐标就是以像素为单位的图像 坐标系，(u,v)表示其坐标值。
2)图像坐标系：以数码相机光轴与图像平面的交点为原点，x轴、y轴分 别与u轴、v轴平行，(x,y)表示其坐标值，图像坐标系是用物理单位表示像素在 图像中的位置。像素坐标系与图像坐标系的关系如图4所示。
3)相机坐标系：以数码相机的光心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图 像坐标系的x轴和y轴，数码相机的光轴为Z轴，用(Xc,Yc,Zc)表示其坐标值。
4)世界坐标系：用来描述数码相机在现实世界中的三维位置，用(Xw,Yw,Zw) 表示其坐标值。
实施例使用传统的直接线性变换解法(DLT)，因为此方法适用于非测量相 机所拍照片的摄影测量处理。数码相机的标定步骤具体为：
1)在油布上设置至少四个标志点
2)测定每个标志点的空间坐标位置
3)用数码照相机对标志点进行拍摄
4)将像点坐标和空间坐标代入共线条件方程，求出该数码相机的内方位参 数。在实际计算时，由于数码相机存在镜头畸变误差，所以共线条件方程必须 加上系统误差改正数。加上像点偏差的共线条件方程：
式中，x、y为以照片中心为原点的像点坐标；x0、y0为像主点坐标；Δx、 Δy为像点坐标改正值；f为焦距；(X,Y,Z)为标志点在空间直角坐标系下的坐标； (Xs,Ys,Zs)为数码相机摄影中心在同一空间直角坐标系下的坐标；
其中，α、ω、κ为确定摄影光束空间方位的3个姿态角。
直接线性变换解法(DLT)需要以共线条件方程为基础建立数学模型为：
式中，x、y为以照片中心为原点的像点坐标；Δx、Δy为像点坐标改正值； (X,Y,Z)为标志点在空间直角坐标系下的坐标；li(i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11)为关于方 位元素的函数参数值：
其中，fx、fy为照片在(x,y)方向上的摄影主距；R＝{ai,bi,ci}(i＝1,2,3)为旋转角α、ω、κ构成的正交矩阵。
因为R＝{ai,bi,ci}(i＝1,2,3)还满足关系式和a1a3+b1b3+c1c3＝0，可以推导出关系式组：
通过上述的推导，利用直接线性变换系数和畸变系数之间的相互关系，再借用迭代法可以求出数码相机的主点(x0,y0)和主距f，也就是所谓的内方位参数。
步骤一、将标定好的数码相机固定在云台上，相机镜头朝下方向与地面垂直，对准标定图像。
开启数码相机连拍开关，数码相机以6.0张/秒的速度进行拍摄；与此同时，启动飞行器，并控制飞行器进行各种飞行姿态变换，此过程中数码相机的拍摄镜头始终是垂直对地面的。
飞行器飞行过程中，保持固定支架2和油布9水平平行于地面，数码相机1 实时采集图片数据，PC上位机6根据摄影测量原理处理图片数据得到数码相机各个时刻的外方位参数，再对外方位参数进行方差求解，根据方差求解的结果获得飞行器云台的稳定性结果。
通过图片数据发送模块和图片数据接收模块进行处理，将图像数据发送到 PC上位机。
PC上位机根据摄影测量原理处理n组图片数据，得到n组数码相机的外方位参数(X,Y,Z)，α，ω，κ，即数码相机在世界物理坐标系中的坐标和姿态角变化，对这些外方位参数进行数理统计分析，获得结果数据，如下表所示。
| 编号 | X | Y | Z | α | ω | κ |
| 1 | 0.4392 | -1.5540 | -3.8901 | -0.0615 | -0.0053 | 0.0009 |
| 2 | 0.4385 | -1.5536 | -3.8901 | -0.0611 | -0.0052 | 0.0010 |
| 3 | 0.4387 | -1.5538 | -3.8900 | -0.0595 | -0.0054 | 0.0010 |
| 4 | 0.4389 | -1.5529 | -3.8900 | -0.5519 | -0.0058 | 0.0009 |
| 5 | 0.4394 | -1.5533 | -3.8901 | -0.0509 | -0.0055 | 0.0008 |
由此可见，本发明能实现对飞行器云台稳定性的定量检测，代替了现阶段人们通过传统的视觉主观判断飞行器云台稳定性的方式，弥补了人们通过主观判断导致判断不准确的缺陷，同时也为生产飞行器云台的厂商提供了一种能定量地检测飞行器云台稳定性的装置，该装置结构简单、合理，通用性强，便于拆卸，能适应各种飞行器云台。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何改动、等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法，其特征在于：
1)采用飞行器云台稳定性测试装置，先对数码相机(1)进行标定，建立数码相机图像的像素位置与油布上的标志点位置之间的关系；
飞行器云台稳定性测试装置包括飞行器(4)、飞行器(4)机载的锂电池(7)、云台(5)、安装在云台(5)上的数码相机(1)、固定支架(2)、万向节(3)、PC上位机(6)、图片数据传输系统(8)和油布(9)，固定支架(2)为矩形框架结构，布置在飞行器(4)外周围，固定支架(2)顶部设有一根支撑杆，飞行器(4)顶部通过万向节(3)固定在支撑杆下端并位于固定支架(2)的中心，油布(9)水平布置于固定支架(2)框架的底面并通过夹子固定，油布(9)上布设有标志图像，数码相机(1)通过云台(5)与飞行器(4)机身刚性连接，镜头方向朝下方，飞行器(4)和数码相机(1)均经图片数据传输系统(8)与地面的PC上位机相连接；
2)飞行器飞行过程中，保持固定支架(2)和油布(9)水平平行于地面，数码相机(1)实时采集图片数据，根据摄影测量原理处理图片数据得到数码相机各个时刻的外方位参数，再对外方位参数进行方差求解，根据方差求解的结果获得飞行器云台的稳定性结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法，其特征在于：所述的数码相机(1)标定就是确定数码相机(1)的内方位参数，从而建立数码相机图像的像素位置与油布上的标志点位置之间的关系；标定根据直接线性变换解法，以共线条件方程为基础建立数学模型，求解数码相机的内方位参数，从而完成对数码相机的标定。
3.根据权利要求1所述的一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法，其特征在于：所述步骤1)中数码相机具体采用以下方式进行标定：
1.1)在油布上的标志图像内至少设置四个标志点，并测定每个标志点的实际空间坐标位置；
1.2)用数码照相机置于云台上，镜头朝向下方的油布固定对标志点进行拍摄，获得图像；
1.3)将图像上的像素点坐标和标志点的实际空间坐标代入共线条件方程，采用直接线性变换解法求得该数码相机的内方位参数。
4.根据权利要求3所述的一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法，其特征在于：所述的共线条件方程具体为：
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式中，x、y为以照片中心为原点的像点坐标；x0、y0为像主点坐标；Δx、Δy为像点坐标改正值；f为焦距；(X,Y,Z)为标志点在空间直角坐标系下的坐标；(Xs,Ys,Zs)为数码相机摄影中心在同一空间直角坐标系下的坐标；
其中，ai,bi,ci分别表示x、y、z轴方向余弦，即像空间坐标系和像空间辅助坐标系之间夹角的余弦值，i＝1表示x轴方向，i＝2表示y轴方向,i＝3表示z轴方向，采用以下公式计算：
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<mi>cos</mi>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，α、ω、κ为确定摄影光束空间方位的3个姿态角，分别表示航向倾角、旁向倾角、像片旋角。
5.根据权利要求3所述的一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法，其特征在于：采用所述直接线性变换解法求解具体是根据共线条件方程建立以下数学模型：
<mfenced open = "{" close = "">
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<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
式中，x、y为以照片中心为原点的像点坐标；Δx、Δy为像点坐标改正值；(X,Y,Z)为标志点在空间直角坐标系下的坐标；li为关于各个方位元素的函数参数值，i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11；
最后采用以下公式进行计算获得数码相机的主点(x0,y0)和主距f的内方位参数：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
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<mtd>
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<mi>x</mi>
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<mo>=</mo>
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<mtr>
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<mo>(</mo>
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<mn>11</mn>
<mn>2</mn>
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<mo>)</mo>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，(x0,y0)为数码相机的主点，fx，fy为照片在(x,y)方向上的摄影主距，li为关于各个方位元素的函数参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于数码相机的飞行器云台稳定性测试方法，其特征在于：所述步骤2)中对外方位参数进行方差求解具体采用以下方差公式：
<mrow>
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<mo>=</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
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</msup>
<mo>/</mo>
<mi>n</mi>
</mrow>
式中，s2为方差，x表示外方位参数样本的平均值，xi表示个体，n表示外方位参数样本的数量。
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