CN106813648A - 一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，主要由3相机组成的采集单元、单片机和舵机组成的控制单元、安装固定采集单元和控制单元的云台这三大部分组成。三台相机以工字型安装在云台上，左右视角相机斜向下35度角固定安装，下视相机可前后摆动。独特的3相机云台设计方式配合微电脑控制单元的精准控制，使得中间相机能够一次获取3个视角的影像数据，整个系统能够一次性采集地物左视、右视、下视、前视、后视5个视角的影像数据，从而全方位地获取地物三维信息。本发明的优势是：该系统的制作成本和使用成本都非常低，轻便的系统结构更加适合无人机平台，结合无人机的机动性和灵活性，该发明成为一种超经济型和实用型的无人机三维数据采集解决方案，填补了无人机平台三维数据采集系统中质量轻便、价格低廉载荷的空白。

Description

一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统

技术领域

本发明涉及航空摄影技术、单片机应用技术、数字信号处理技术和机械设计及自动化控制技术，具体属于将电子信息和自动化技术与数字倾斜航空摄影测量相结合，应运而生的全方位地表建筑物三维纹理信息采集系统。

背景技术

随着三维数字城市应用需求的发展，倾斜摄影技术作为目前一种主流的建筑物侧面纹理信息数据采集方式，广泛应用于城市三维建模中。但目前的倾斜摄影方式主要还是依赖有人驾驶的飞机搭载高达数十公斤的载荷来完成空中三维数据采集，这样庞大的系统造价动辄上百万元以上，每次数据获取的飞行成本也非常昂贵，制约了数字三维城市实景建模的推广应用，主要用于大面积的城市三维建模和规划。而高分辨率的小面积甚至单体建筑物的三维数据采集方面，这种庞大的系统显然不太适合。近年来无人机遥感技术的应用日趋成熟，用无人机平台搭载倾斜摄影载荷来获取三维数据成为可能，但目前的无人机特别是电动旋翼无人机普遍载重较小，无法搭载质量较重的5镜头倾斜摄影系统，本发明基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统就是为了解决平台与载荷不匹配问题，而提出的一种低成本、高效快捷的航空三维数据采集解决方案。3相机加固定云台能把载荷系统总重量控制在2kg以下，相机摆动曝光模式能够一次获取地物五个视角的影像数据，从而全方位多个角度采集地物三维数据，更加真实地反映地物实际情况。

本发明采用的技术主要有以下几种：

1、倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。

2、无人机遥感技术

无人机遥感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing)，既是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势，已经成为世界各国争相研究的热点课题，现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段，成为未来的主要航空遥感技术之一。

3、单片机技术

MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A0(Timer_A0)、定时器A1(Timer_A1)、定时器B0(Timer_B0)、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位∑-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器(Basic Timer)、实时时钟(RTC)和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

本发明的控制单元采用TI MSP430f149单片机的上述部分片内外设功能并编写控制程序，为系统的舵机带动相机摆动和相机快门的同步、异步触发控制提供了良好的解决方案。

发明内容

本发明涉及的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统解决了目前市面上国内外厂商生产的成熟倾斜摄影相机普遍存在的价格较贵、质量较重，无法用于无人机平台进行低成本三维数据获取的问题。同时设计的相机摆动曝光方式可以通过3台传感器获取5个视角的影像来采集三维数据，这种独特设计既保留了有人驾驶飞机平台的载荷(五镜头倾斜摄影系统)一次性多视角全方位观察地物的优势，又摆脱了其造价昂贵、笨重无法适应无人机平台的缺点。

本发明的特点是用技术手段实现中间下视相机前后摆动延时曝光的方式，获取前后视角的影像，代替了传统倾斜摄影的前后视角相机或镜头，大大减轻了系统的重量和造价成本，使系统更适应无人机平台载荷轻便的特点。

本发明的技术方案为3台相机充当航空三维数据采集的5个视角，其中前视、后视、下视三个视角的数据采集由单片机和舵机组成的控制单元控制中间相机35度的前后摆动和曝光来完成。左右视角的数据由35度角固定安装在云台两侧的相机来采集。

本发明的系统组成有三大部分：3台用于数据采集的相机、控制单元、固定云台。其中数据采集装置由3台相机以工字型安装在固定云台上，中间相机可前后摆动，默认位置垂直向下；控制单元是本发明的中枢核心，由“电源模块”、“处理器”、“多相机快门控制模块”和“舵机”四部分组成，通过程序化的方式控制着采集装置按预先设定的方法进行三维数据采集；固定云台是本发明的核心硬件载体，用于安装固定采集装置和控制单元，以及与飞机平台进行刚性固定连接。

优选的是相机均采用质量低于300g，单相机有效像素超过2400万的高性能微单数码相机，配备20mm焦距的定焦镜头，严格控制云台和控制单元的重量，保证了整个系统总重量不超过2kg，更加适用于无人机平台，特别是多旋翼无人机。

优选的是固定在云台两侧的相机均以与竖直向下方向35度的夹角安装，这样的安装方式是根据相机的各项参数计算出来的最佳数据采集方式，既考虑了三维数据采集的高效性，又保证了两侧相机与中间下视相机的重叠度，保证拍摄时360度全方位没有死角。同时中间下视相机摆动到35度角拍摄也是出于这种考虑。

优选的是云台的主材料采用高强度的碳纤板制作，既保证了云台的强度和稳固性，又降低了云台的重量。

优选的是云台固定相机的部分专门设计了与相机外形想匹配的安装架，将相机装进安装架里面后，用三颗螺丝将相机与安装架固定，确保相机与云台刚性连接，系统使用时相机不会有任何抖动，能够获得更好的数据采集质量。

优选的是控制单元硬件上采用高性能的舵机和成熟的单片机芯片，并配以优化的程序算法，确保了控制单元能够及时准确地控制中间下视相机在1.5秒周期内完成摆动动作和数据采集工作。

附图说明

图1为3相机云台正面图。

图2为3相机云台俯视图。

图3为3相机云台侧视图。

图4为3相机云台3D模型图。

图5为3相机航空三维数据采集系统硬件原理图。

图6为3相机航空三维数据采集系统控制单元软件实现流程。

具体实施方式

下面结合具体附图和具体实施方式对本发明展开说明。

当控制单元收到飞机飞行控制系统发出的曝光信号后，马上触发与单片机相连的三台相机同步曝光，并控制舵机带动下视相机向后、向前各摆动到与垂直向下方向成35度角曝光一次，然后下视相机马上回到垂直向下状态，至此一次数据采集过程完成，此过程持续时间不超过1.5秒钟。

如图1所示：为了固定安装3相机航空三维数据采集系统的主要硬件，本发明通过CAD制图软件设计了3相机安装云台，左右两台相机倾斜安装，中间相机垂直安装。

如图4所示，为3相机安装到云台后的三维立体效果图。

如图5所示，飞机飞控提供的电源经“电源模块”转换后分别提供给“处理器”、“多相机快门控制模块”和“舵机”；“处理器”收到飞控的曝光信号后，马上给“多相机快门控制模块”曝光信号，同时给“舵机”输入舵角改变信号；“舵机”收到信号后通过轴承连接控制中间相机按照设定的角度进行摆动，“多相机快门控制模块”根据“处理器”给出的曝光信号，通过快门线同步和异步触发相机曝光拍照，获取不同角度的影像信息。

如图6所示，控制单元的芯片处理器通电初始化完成后就处于待命状态，一直等待飞机飞控系统给出曝光信号，如有信号输入，控制单元里面的定时器通过调整PWM占空比来改变舵机舵角从而控制相机摆动；同时I/O装置输出曝光信号控制相机曝光。否则若无信号输入，控制单元一直处于待机状态。

本发明的目的在于解决目前市面上无人机平台成熟的三维数据采集系统匮乏，有人驾驶飞机平台的倾斜摄影相机造价昂贵、质量较重的问题。

以上内容是本发明的详细说明，主要用于帮助理解本发明的工作原理及核心思想，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的简单的替换和参数修改(如相机型号、镜头焦距、相机的安装摆动角度、摆动实现方式和曝光方式等)，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：包括两台固定的左视、右视相机和一台可前后摆动的垂直向下安装的下视相机，一个控制下视相机前后摆动和三台相机曝光的控制单元，以及一个安装3台相机和控制单元的支架云台。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：控制单元由编程好的单片机和舵机以及数据通讯连接线缆组成，单片机控制舵机带动下视相机前后摆动并控制3台相机曝光。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：控制单元可控制舵机带动下视相机前后摆动各35度角。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：控制单元在收到飞机飞控系统的曝光信号后，马上通过快门线向3台相机发出同时曝光信号，并控制舵机带动下视相机向后摆动到35度角曝光一次，然后向前摆动到35度曝光一次，完成动作和曝光触发后，下视相机重新回到垂直向下的位置等待下一曝光信号的输入，此过程在1.5秒钟内完成。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：左视相机和右视相机分别与垂直向下方向以35度的夹角安装在支架云台的两侧。

6.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：3台相机都安装有快门线，快门线与控制单元的单片机相连，由单片机通过快门线向相机发出曝光信号来触发相机曝光。

7.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：3台相机均采用同一款质量低于300g的微单相机和20mm焦距的定焦镜头，单台相机总质量不超过400g。

8.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：下视相机的前后摆动方向与飞机飞行方向在同一直线上。

9.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：相机安装后拍摄时下视相机的像幅短边与飞行方向一致，左视、右视相机的像幅长边与飞行方向一致。

10.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：左视、右视相机的安装角度和中间下视相机的摆动角度都是可调的，一般设计在30-60度之间，根据不同的相机参数和镜头焦距计算出合适的安装和摆动角度，确保左右视角相机获取的影像以及中间下视相机摆动获取的前后视角影像与中间下视相机获取的垂直视角影像有重叠部分。

11.根据权利要求1所述的一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统，其特征在于：该系统所采用的中间相机摆动曝光的方法将原本需要三台固定相机才能获取到的前视、后视、下视三个视角的影像通过一台动态的相机来获取，与左右视角相机一起构成的系统完全符合最佳三维数据获取方法，既能够一次获取五个视角的影像数据，同时大大减轻了整个系统的重量，使系统更适用于无人机平台，特别是多旋翼无人机。