CN110995967B - 一种基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于三维场景构建技术领域，提供一种基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，包括可变式碟形飞艇无人机、数据采集单元，所述可变式碟形飞艇无人机包括碟形气囊、电机臂、气囊支架组件、螺旋桨，所述碟形气囊内部充入氦气，所述碟形气囊内部由气囊支架组件支撑，所述气囊支架顶部圆盘与四个电机臂相连，电机输出轴与螺旋桨相连，所述数据采集单元由圆周对称安装于碟形气囊下部的6个复眼相机协同组成。本发明基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，利用可变式碟形飞艇无人机的结构优势，提出一种虚拟复眼系统构建系统，实现虚拟复眼系统的各子眼之间的几何位置关系可调，能够适应不同高度，不同场合的图像采集的需要。
Description
技术领域
本发明属于三维场景构建技术领域，具体涉及一种基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统。
背景技术
仿生复眼系统由于其视场大、质量轻的优点成为了研究的热点。目前，国内外研制了众多的仿生复眼系统，并且已广泛应用于雷达系统、微型飞行器、微型复眼相机、运动机器人等领域。
现有的仿生复眼系统一般采用多端面光纤面板对不同方向的光信息进行采集或者曲面复眼系统来解决视场较小、成像清晰度低、成像死角等问题，虽然相对于平面结构的复眼系统增大了视场、提高了精度，但是存在着部署时间较长，难以实现动态调整等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提供一种基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，该装置每个子眼的拍摄角度都可随着飞艇气囊形状改变而改变，减少了拍摄死角，增大了复眼系统的视场，并且复眼系统可以快速布置和动态调整，大大提高了复眼系统的应用范围。
本发明的目的是通过如下技术措施来实现的：一种基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，包括可变式碟形飞艇无人机、数据采集单元，所述可变式碟形飞艇无人机包括碟形气囊、电机臂、气囊支架组件、螺旋桨，所述碟形气囊内部充入氦气，所述碟形气囊内部由气囊支架组件支撑，所述气囊支架组件包括轴承座、大齿轮、螺杆、电机、小齿轮、上支撑杆、下支撑杆、连杆、圆盘、支撑杆固定座，所述圆盘分为上、下两层，且完全相同，所述上支撑杆和下支撑杆通过连杆连接，所述上支撑杆另一端与支撑杆固定座铰链连接，支撑杆固定座上、下表面设有突起结构，该突起结构与上、下层圆盘相应位置的槽配合，夹紧固定，所述圆盘中心开有孔，用做轴承外壁，轴承与轴承座连接，轴承座与圆盘装配固定，所述轴承座的中心开有螺纹，与螺杆互相配合，轴承座底部与大齿轮连接，所述圆盘上固定一电机，电机带动小齿轮与大齿轮啮合，通过电机的正、反旋转使轴承座旋转，再通过轴承座中心的螺纹与螺杆的啮合，使轴承座沿螺杆上、下运动，进而实现圆盘带动上支撑杆摆动，所述下支撑杆另一端的结构与上支撑杆另一端的结构完全对称，所述气囊支架顶部圆盘与四个电机臂相连，每个电机臂的末端设有电机座，电机座上安装电机，电机输出轴与螺旋桨相连，所述数据采集单元由圆周对称安装于碟形气囊下部的6个复眼相机协同组成。
在上述技术方案中，所述电机臂、上支撑杆、下支撑杆、螺旋桨，均为碳纤维材质。
在上述技术方案中，所述螺杆为轻质铝合金材质。
在上述技术方案中，所述碟形气囊为单层的ETFE薄膜。
在上述技术方案中，蝶形气囊内部设有控制单元，包括信号接收机、飞控芯片、无刷电机调速器、图像采集芯片、无线传输芯片。
在上述技术方案中，所述复眼相机是一种拥有多个镜头可同时成像的图像采集设备，用于采集图片数据，各复眼相机之间通过组网协同运行，接受统一调配，1个复眼相机包含6个子眼相机，6个复眼相机以310mm为半径的圆，成辐向对称分布在可变式飞碟飞艇无人机的碟形气囊的下表面。
本发明基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，利用可变式碟形飞艇无人机的结构优势，提出一种虚拟复眼系统构建系统，实现虚拟复眼系统的各子眼之间的几何位置关系可调，能够适应不同高度，不同场合的图像采集的需要。
附图说明
图1是本发明中可变式碟形飞艇无人机的整体结构示意图。
图2是本发明中可变式碟形飞艇无人机的整体结构的另一示意图。
图3是本发明中气囊支架组件的整体结构示意图。
图4是本发明中上支撑杆另一端的连接结构示意图。
图5是本发明中上支撑杆另一端的连接结构另一示意图。
图6是本发明中子眼视场开始重叠点G距离飞艇下蒙皮中点B的距离BG和飞艇下蒙皮由中点向外发出的任一条射线与水平面的夹角θ的关系图。
其中：1.轴承座、2.大齿轮、3.螺杆、4.电机、5.小齿轮、6.上支撑杆、7.连杆、8.下支撑杆、9.圆盘、10.支撑杆固定座、11.碟形气囊、12.电机臂、13.螺旋桨、14.复眼相机。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1至5所示，本实施例提供一种基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，包括可变式碟形飞艇无人机、数据采集单元，所述可变式碟形飞艇无人机包括碟形气囊11、电机臂12、气囊支架组件、螺旋桨13，所述碟形气囊内部充入氦气，碟形气囊内部由气囊支架组件支撑，所述气囊支架组件包括轴承座1、大齿轮2、螺杆3、电机4、小齿轮5、上支撑杆6、下支撑杆8、连杆7、圆盘9、支撑杆固定座10，所述圆盘9分为上、下两层，且完全相同，所述上支撑杆6和下支撑杆8通过连杆7连接，所述上支撑杆6另一端与支撑杆固定座10铰链连接，支撑杆固定座10上、下表面设有突起结构，该突起结构与上、下层圆盘相应位置的槽配合，夹紧固定，所述圆盘9中心开有孔，用做轴承外壁，轴承与轴承座1连接，轴承座1与圆盘装配固定，所述轴承座1的中心开有螺纹，与螺杆3互相配合，轴承座1底部与大齿轮2连接，所述圆盘上固定一电机4，电机4带动小齿轮5与大齿轮2啮合，通过电机的正、反旋转使轴承座旋转，再通过轴承座中心的螺纹与螺杆的啮合，使轴承座沿螺杆上、下运动，进而实现圆盘带动上支撑杆6摆动，所述下支撑杆另一端的结构与上支撑杆6另一端的结构完全对称，所述气囊支架顶部圆盘与四个电机臂相连，每个电机臂的末端设有电机座，电机座上安装电机，电机输出轴与螺旋桨相连，所述数据采集单元由圆周对称安装于碟形气囊下部的6个复眼相机14协同组成。
在上述实施例中，所述电机臂12、上支撑杆6、下支撑杆8、螺旋桨，均为碳纤维材质。
在上述实施例中，所述螺杆3为轻质铝合金材质。
在上述实施例中，所述碟形气囊11为单层的ETFE薄膜。
在上述实施例中，蝶形气囊内部设有控制单元，包括信号接收机、飞控芯片、无刷电机调速器、图像采集芯片、无线传输芯片。
在上述实施例中，所述复眼相机14是一种拥有多个镜头可同时成像的图像采集设备，用于采集图片数据，各复眼相机之间通过组网协同运行，接受统一调配，1个复眼相机包含6个子眼相机，6个复眼相机以310mm为半径的圆，成辐向对称分布在可变式飞碟飞艇无人机的碟形气囊的下表面。
本实施例中可变式碟形飞艇无人机的工作原理如下：
在起飞时，预先充入氦气以产生升力，随后电机启动，电机上的螺旋桨产生升力使无人机升空，进入巡航阶段后，无人机可以像传统多旋翼飞行器一样，通过控制每个旋翼的转速控制飞行方向。在平飞时，气流流经碟形气囊表面产生升力，维持滞空。进入拍摄范围后，螺杆内部轴承座旋转，螺杆长约1米，螺纹传动使支架上下端部圆盘之间距离改变；螺杆部分使用步进电机，通过对电机转数的控制实现飞艇端部沿螺杆运动距离控制，此处，电机带动的小齿轮与大齿轮的传动比为3，即小齿轮转动1圈，大齿轮转动1/3圈，螺杆螺纹与轴承座内螺纹螺距d取0.6mm，故电机正（反）向转动一圈，带动飞艇端部圆盘向上（下）运动1/3d=0.2mm，也就精确控制了碟型气囊的外形改变程度。
本实施例还提供了一种上述虚拟复眼系统的工作方法，包括以下步骤：
经计算，子眼视场开始重叠点G距离飞艇下蒙皮中点B的距离BG和飞艇下蒙皮由中点向外发出的任一条射线与水平面的夹角θ成以下关系：
BG=
（当气囊高度收缩时θ为负值）。如图6所示。
当选用子眼距离底面中心的距离EB为310mm，子眼视场大小为42.2°时，子眼视场
开始重叠点G距离底面中心B的距离与θ之间的关系为BG=
=
（当气囊高度收缩时角度为负值）。
当角度在-20°到10°之间变化时，BG在440mm~1500mm之间变化，基本满足设计需要。
当BG达到最大值1500mm时，通过计算可得到拍摄距离3m远的物体子眼的视场交叠率为26.7%，拍摄距离5m远的物体子眼的视场交叠率为53.4%，子眼交叠比例基本满足设计需要。
具体工作步骤为：
（1）飞艇携带复眼相机进入目标区域，通过改变飞艇气囊形状调整子眼拍摄角度。具体包含以下步骤：
（1-1）飞艇移动到目标区域上方，保持3~5m的高度。
（1-2）飞艇的电机带动小齿轮与大齿轮啮合，通过电机的正反旋转，轴承座不同方向的转动。
（1-3）通过轴承座中心的螺纹与螺杆的啮合，轴承座在延螺杆上下运动，进而实现上下端部两圆盘带动上、下支撑杆的摆动。
（1-4）通过上、下支撑杆的摆动改变了气囊形状，飞艇下蒙皮由中点向外发出的任一射线与水平面的夹角θ发生改变。
（1-5）子眼随着气囊形状改变而呈现出不同的拍摄角度。同时子眼视场的交叠区域也随之发生改变。当θ增大（减小）时，子眼拍摄视场增大（减小），视场交叠区域减少（增大）。
（1-6）调整为合适角度时开始拍摄。
（2）实施拍摄，各个复眼相机在统一时钟下的同一时刻拍摄，此时数据满足时空一致性，回传拍摄数据，由计算机系统自动重构同一时刻下的三维数字场景，虚拟复眼按动态场景帧率要求每隔（1/帧率）秒拍摄，例如帧率要求为25fps，则拍摄间隔设定为1/25秒，实现实时刷新的动态拍摄。
（3）使用尺度不变特征变换算法提取子眼图像中的特征点，再对子眼图像的特征点进行匹配。
（4）使用欧式距离法和随机抽样一致性算法筛选特征点匹配对，计算待拼接子眼图像到拼接子眼图像的投影矩阵。
（5）将待拼接子眼图像进行矩阵变换，使用加权平均法对图像进行融合。
（6）将所有子眼图像进行拼接，获取大视场的仿生复眼拼接图像。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，包括可变式碟形飞艇无人机、数据采集单元，其特征是：所述可变式碟形飞艇无人机包括碟形气囊、电机臂、气囊支架组件、螺旋桨，所述碟形气囊内部由气囊支架组件支撑，所述气囊支架组件包括轴承座、大齿轮、螺杆、电机、小齿轮、上支撑杆、下支撑杆、连杆、圆盘、支撑杆固定座，所述圆盘分为上、下两层，且完全相同，所述上支撑杆和下支撑杆通过连杆连接，所述上支撑杆另一端与支撑杆固定座铰链连接，支撑杆固定座上、下表面设有突起结构，该突起结构与上、下层圆盘相应位置的槽配合，夹紧固定，所述圆盘中心开有孔，用做轴承外壁，轴承与轴承座连接，轴承座与圆盘装配固定，所述轴承座的中心开有螺纹，与螺杆互相配合，轴承座底部与大齿轮连接，所述圆盘上固定一电机，电机带动小齿轮与大齿轮啮合，所述下支撑杆另一端的结构与上支撑杆另一端的结构完全对称，所述气囊支架顶部圆盘与四个电机臂相连，每个电机臂的末端设有电机座，电机座上安装电机，电机输出轴与螺旋桨相连，所述数据采集单元由圆周对称安装于碟形气囊下部的6个复眼相机协同组成；
所述可变式碟形飞艇无人机在起飞时，预先向碟形气囊内充入氦气以产生升力，随后螺旋桨产生升力使无人机升空，进入巡航阶段后，无人机通过控制每个螺旋桨的转速控制飞行方向，在平飞时，气流流经碟形气囊表面产生升力，维持滞空，进入目标区域后，通过改变碟形气囊形状调整复眼相机拍摄角度，具体包含以下步骤：
（1）无人机移动到目标区域上方，保持3~5m的高度；
（2）无人机的电机带动小齿轮与大齿轮啮合，通过电机的正、反旋转，控制轴承座不同方向的转动；
（3）通过轴承座中心的螺纹与螺杆的啮合，轴承座沿螺杆上、下运动，进而实现上、下端部两圆盘之间距离改变，带动上、下支撑杆的摆动；通过对电机转数的控制实现轴承座沿螺杆运动距离控制；
（4）通过上、下支撑杆的摆动改变了气囊形状，飞艇下蒙皮由中点向外发出的任一射线与水平面的夹角θ发生改变；
（5）复眼相机随着气囊形状改变而呈现出不同的拍摄角度，同时子眼视场的交叠区域也随之发生改变，当θ增大/减小时，子眼拍摄视场增大/减小，视场交叠区域减少/增大；
（6）调整为合适角度时开始拍摄。
2.根据权利要求1所述的基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，其特征是：所述电机臂、上支撑杆、下支撑杆、螺旋桨，均为碳纤维材质。
3.根据权利要求1所述的基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，其特征是：所述螺杆为轻质铝合金材质。
4.根据权利要求1所述的基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，其特征是：所述碟形气囊为单层的ETFE薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，其特征是：蝶形气囊内部设有控制单元，包括信号接收机、飞控芯片、无刷电机调速器、图像采集芯片、无线传输芯片。
6.根据权利要求1所述的基于可变式飞碟飞艇的虚拟复眼构建系统，其特征是：所述复眼相机是一种拥有多个镜头可同时成像的图像采集设备，用于采集图片数据，各复眼相机之间通过组网协同运行，接受统一调配，1个复眼相机包含6个子眼相机，6个复眼相机以310mm为半径的圆，成辐向对称分布在可变式飞碟飞艇无人机的碟形气囊的下表面。
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