CN111578904A - 一种基于等距螺线的无人机航测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于等距螺线的无人机航测方法和系统，涉及航测领域。该方法包括：根据待测区域获取覆盖所述待测区域的圆形航测区域；在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，并根据所述螺线参数生成等距螺线；设置无人机沿所述等距螺线飞行的导航指令；设置所述无人机的航拍参数，根据所述航拍参数进行拍照，并将所述拍照获取的照片拼接为所述待测区域的图像。本申请无人机可以沿圆滑边沿的等距螺线飞行，保证了无人机飞行的稳定，避免了无人机沿套耕航线飞行时，转弯处航拍图片无效的问题，提高了航拍图片的利用率。

Description

一种基于等距螺线的无人机航测方法和系统

技术领域

本申请属于航测领域，尤其涉及一种基于等距螺线的无人机航测方法和系统。

背景技术

随着无人机与数码相机技术的发展，无人机与航空摄影测量相结合使得无人机遥感成为航空遥感领域的一个崭新发展方向。无人机航拍可广泛应用于：工程建设的勘测、灾害应急处理、国土监察、资源开发、新农村和小城镇建设等方面，尤其在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面具有广泛的应用。无人机航测，按设定好的飞行航线飞行，从空中采集地面影像数据，最后生成航测成果，效率高、成本低。

现有无人机航拍技术中，无人机通常采用套耕航线进行飞行，无人机在套耕航线的大角度转弯处拍摄的图片通常为无效图片，这降低了无人机航拍的效率，且大角度转弯产生的大角度的滚转角会加大无人机的不稳定性。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种基于等距螺线的无人机航测方法和系统，通过本发明实施例的方案，使得无人机可以沿圆滑边沿的等距螺线飞行，保证了无人机飞行的稳定，避免了无人机沿套耕航线飞行时，转弯处航拍图片无效的问题，提高了航拍图片的利用率。

第一方面，提供了一种基于等距螺线的无人机航测方法，包括：

根据待测区域获取覆盖所述待测区域的圆形航测区域；

在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，并根据所述螺线参数生成等距螺线；

设置无人机沿所述等距螺线飞行的导航指令，所述导航指令包括：

获取无人机在等距螺线上的目标位置, 所述目标位置为根据等距螺线的数学表达式获取的螺线中的任意一个位置；

建立无人机的当前位置与所述目标位置的连线；

生成与无人机的速度方向垂直且所述连线方向在所述垂直之内的加速度，如果所述连线的距离大于距离阈值，则无人机以大角度滚转角接近目标位置，如果所述连线的距离小于距离阈值，则无人机以小角度滚转角接近目标位置；

设置所述无人机的航拍参数，根据所述航拍参数进行拍照，并将所述拍照获取的照片拼接为所述待测区域的图像。

在一个可能的实现方式中，所述螺线参数包括：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数。

在另一个可能的实现方式中，所述在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，包括：

将所述圆形航测区域的中心设置为等距螺线的中心；以及，

根据公式

获取等距螺线的螺距，其中

为常系数、

为等距螺线的螺距、

为圆周率；以及，

根据公式

获取等距螺线的围绕圈数，其中m为等距螺线的围绕圈数且取整数、r为所述圆形航测区域的半径、n为所述等距螺线的螺距。

在又一个可能的实现方式中，所述航拍参数包括：航拍高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率。

在又一个可能的实现方式中，所述设置所述无人机的航拍参数，包括：

根据航拍图像的分辨率设置航拍高度；以及，

将所述航向重叠率设置为70%；以及，

将所述旁向重叠率设置为25%。

第二方面，提供了一种基于等距螺线的无人机航测系统，包括：

圆形航测区域获取模块，用于根据待测区域获取覆盖所述待测区域的圆形航测区域；

等距螺线生成模块，用于在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，并根据所述螺线参数生成等距螺线；

导航指令设置模块，用于设置无人机沿所述等距螺线飞行的导航指令，所述导航指令包括：

获取无人机在等距螺线上的目标位置, 所述目标位置为根据等距螺线的数学表达式获取的螺线中的任意一个位置；

建立无人机的当前位置与所述目标位置的连线；

生成与无人机的速度方向垂直且所述连线方向在所述垂直之内的加速度，如果所述连线的距离大于距离阈值，则无人机以大角度滚转角接近目标位置，如果所述连线的距离小于距离阈值，则无人机以小角度滚转角接近目标位置；

图像拼接模块，用于设置所述无人机的航拍参数，根据所述航拍参数进行拍照，并将所述拍照获取的照片拼接为所述待测区域的图像。

在一个可能的实现方式中，所述螺线参数包括：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数。

在又一个可能的实现方式中，所述在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，包括：

将所述圆形航测区域的中心设置为等距螺线的中心；以及，

根据公式

获取等距螺线的螺距，其中

为常系数、

为等距螺线的螺距、

为圆周率；以及，

根据公式

获取等距螺线的围绕圈数，其中m为等距螺线的围绕圈数且取整数、r为所述圆形航测区域的半径、n为所述等距螺线的螺距。

在又一个可能的实现方式中，所述航拍参数包括：航拍高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率。

在有一个可能的实现方式中，所述设置所述无人机的航拍参数，包括：

根据航拍图像的分辨率设置航拍高度；以及，

将所述航向重叠率设置为70%；以及，

将所述旁向重叠率设置为25%。

本申请提供的技术方案带来的有益效果是：使得无人机可以沿圆滑边沿的等距螺线飞行，保证了无人机飞行的稳定，避免了无人机沿套耕航线飞行时，转弯处航拍图片无效的问题，提高了航拍图片的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一个实施例提供的一种基于等距螺线的无人机航测方法的流程图；

图2为本发明一个实施例提供的一种基于等距螺线的无人机航测系统的结构图；

图3为本发明一个实施例提供的无人机导航飞行示意图；

图4为本发明一个实施例提供的无人机沿等距螺线飞行的航测示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、模块和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、模块、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称模块被“连接”或“耦接”到另一模块时，它可以直接连接或耦接到其他模块，或者也可以存在中间模块。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如和解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

实施例一

如图1所示为本发明一个实施例提供的一种基于等距螺线的无人机航测方法的流程图，包括：

步骤S101，根据待测区域获取覆盖所述待测区域的圆形航测区域。

在本发明实施例中，等距螺线是以圆形为基础生成的，因此需要在待测区域内生成覆盖该待测区域的圆形航测区域。生成圆形航测区域的方法包括：在待测区域内设置两个坐标，以其中一个坐标为圆点，圆点到另一个坐标的距离为半径生成圆形区域，通过改变圆形区域的大小和位置使该圆形区域覆盖待测区域，即为圆形航测区域。

步骤S102，在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，并根据所述螺线参数生成等距螺线。

在本发明实施例中，等距螺线在笛卡尔坐标系下的数学表达式为

，其中，a为常系数、t为时间变量。在圆形航测区域中生成的螺线参数包括：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数。

如图4所示为本发明一个实施例提供的无人机沿等距螺线飞行的示意图，显示了螺线参数中：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数的示意图。

将所述圆形航测区域的中心设置为等距螺线的中心；以及，

根据公式

获取等距螺线的螺距，其中

为常系数、

为等距螺线的螺距、

为圆周率；以及，

根据公式

获取等距螺线的围绕圈数，其中m为等距螺线的围绕圈数且取整数、r为所述圆形航测区域的半径、n为所述等距螺线的螺距。

步骤S103，设置无人机沿所述等距螺线飞行的导航指令。

在本发明实施例中，无人机在升空飞行时，并不能完全沿着预设的等距螺线飞行，需要实时对无人机的飞行路线进行调整，以保证无人机飞行路径尽可能的贴近设置的等距螺线。

所述导航指令具体为：

获取无人机在等距螺线上的目标位置；

建立无人机的当前位置与所述目标位置的连线；

生成与无人机的速度方向垂直且所述连线方向在所述垂直之内的加速度，如果所述连线的距离大于距离阈值，则无人机以大角度滚转角接近目标位置，如果所述连线的距离小于距离阈值，则无人机以小角度滚转角接近目标位置，所述目标位置为根据等距螺线的数学表达式获取的螺线中的任意一个位置。

如图3所示为本发明一个实施例提供的无人机导航飞行示意图，上述导航指令具体实施如下：

根据等距螺线数学表达式画出一段螺线作为理想航线，如图3中“×”点所示，理想航线上方的（Unmanned Aerial Vehicle，无人机）代表无人机及其所处位置，V代表此时无人机的速度矢量，无人机位置与虚拟目标点之间的距离差为L，在每个时间点，根据虚拟目标点的位置、无人机的位置以及无人机速度矢量的切线来定义一个虚拟圆，其半径为R，由于无人机需要追踪虚拟目标点，则可利用虚拟目标点生成一个横向加速度 QUOTE

，即图3中UAV所处位置的竖直向下箭头所示，此时虚拟目标点位于无人机的右侧，根据横向加速度，无人机产生滚转角，将命令无人机往右侧加速，即无人机将倾向于将其速度方向与L线段的方向对齐，如果无人机位置与虚拟目标点之间的距离差L很大，则导航命令将使无人机旋转，使其速度方向以大角度接近理想航线，如果距离差L较小，则导航命令将使无人机旋转，使其速度方向以小角度接近理想航线，完成无人机绕等距螺线飞行。

步骤S104，设置所述无人机的航拍参数，根据所述航拍参数进行拍照，并将所述拍照获取的照片拼接为所述待测区域的图像。

在本发明实施例中，无人机在设置了导航指令之后，可以保证无人机的飞行正确，还需要设置航拍参数，以保证无人机拍摄的照片可以准确的拼接出待测区域的图像，所述航拍参数包括：航拍高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率。

无人机在沿等距螺线飞行过程中拍摄的是一张张零散的图片，这些图片并不能直接显示整个待测区域的图像，因此可通过Pixi4D等图片拼接软件将图片拼接成完整的图像。

如图4所示为本发明一个实施例提供的无人机沿等距螺线飞行的示意图，显示了航拍参数中：旁向重叠率、航向重叠率的示意图。

所述设置所述无人机的航拍参数，包括：

根据航拍图像的分辨率设置航拍高度；以及，

将所述航向重叠率设置为70%；以及，

将所述旁向重叠率设置为25%。

航向重叠率的取值通常为60%~80%，不低于53%，旁向重叠率的取值通常为15%~60%，不低于8%。本申请对航向重叠率和旁向重叠率的取值不做限定，可根据实际使用的需要进行设置。优选的，航向重叠率为70%，旁向重叠率为25%。

本发明实施例，在待测区域获取覆盖待测区域的圆形航测区域，在所圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，根据螺线参数生成等距螺线，设置无人机沿等距螺线飞行的导航指令，设置无人机的航拍参数，根据航拍参数进行拍照，并将拍照获取的照片拼接为待测区域的图像。使得无人机可以沿圆滑边沿的等距螺线飞行，保证了无人机飞行的稳定，避免了无人机沿套耕航线飞行时，转弯处航拍图片无效的问题，提高了航拍图片的利用率。

实施例二

如图2所示为本发明一个实施例提供的一种基于等距螺线的无人机航测系统的结构图，所述系统包括：

圆形航测区域获取模块201，用于根据待测区域获取覆盖所述待测区域的圆形航测区域。

在本发明实施例中，等距螺线是以圆形为基础生成的，因此需要在待测区域内生成覆盖该待测区域的圆形航测区域。生成圆形航测区域的方法包括：在待测区域内设置两个坐标，以其中一个坐标为圆点，圆点到另一个坐标的距离为半径生成圆形区域，通过改变圆形区域的大小和位置使该圆形区域覆盖待测区域，即为圆形航测区域。

等距螺线生成模块202，用于在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，并根据所述螺线参数生成等距螺线。

在本发明实施例中，等距螺线在笛卡尔坐标系下的数学表达式为

，其中，a为常系数、t为时间变量。在圆形航测区域中生成的螺线参数包括：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数。

如图4所示为本发明一个实施例提供的无人机沿等距螺线飞行的示意图，显示了螺线参数中：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数的示意图。

所述在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，包括：

将所述圆形航测区域的中心设置为等距螺线的中心；以及，

根据公式

获取等距螺线的螺距，其中

为常系数、

为等距螺线的螺距、

为圆周率；以及，

根据公式

获取等距螺线的围绕圈数，其中m为等距螺线的围绕圈数且取整数、r为所述圆形航测区域的半径、n为所述等距螺线的螺距。

导航指令设置模块203，用于设置无人机沿所述等距螺线飞行的导航指令。

在本发明实施例中，无人机在升空飞行时，并不能完全沿着预设的等距螺线飞行，需要实时对无人机的飞行路线进行调整，以保证无人机飞行路径尽可能的贴近设置的等距螺线。

所述导航指令具体为：

获取无人机在等距螺线上的目标位置；

建立无人机的当前位置与所述目标位置的连线；

生成与无人机的速度方向垂直且所述连线方向在所述垂直之内的加速度，如果所述连线的距离大于距离阈值，则无人机以大角度滚转角接近目标位置，如果所述连线的距离小于距离阈值，则无人机以小角度滚转角接近目标位置，所述目标位置为根据等距螺线的数学表达式获取的螺线中的任意一个位置。

如图3所示为本发明一个实施例提供的无人机导航飞行示意图，上述导航指令具体实施如下：

根据等距螺线数学表达式画出一段螺线作为理想航线，如图3中“×”点所示，理想航线上方的（Unmanned Aerial Vehicle，无人机）代表无人机及其所处位置，V代表此时无人机的速度矢量，无人机位置与虚拟目标点之间的距离差为L，在每个时间点，根据虚拟目标点的位置、无人机的位置以及无人机速度矢量的切线来定义一个虚拟圆，其半径为R，由于无人机需要追踪虚拟目标点，则可利用虚拟目标点生成一个横向加速度 QUOTE

，即图3中UAV所处位置的竖直向下箭头所示，此时虚拟目标点位于无人机的右侧，根据横向加速度，无人机产生滚转角，将命令无人机往右侧加速，即无人机将倾向于将其速度方向与L线段的方向对齐，如果无人机位置与虚拟目标点之间的距离差L很大，则导航命令将使无人机旋转，使其速度方向以大角度接近理想航线，如果距离差L较小，则导航命令将使无人机旋转，使其速度方向以小角度接近理想航线，完成无人机绕等距螺线飞行。

图像拼接模块204，用于设置所述无人机的航拍参数，根据所述航拍参数进行拍照，并将所述拍照获取的照片拼接为所述待测区域的图像。

在本发明实施例中，无人机在设置了导航指令之后，可以保证无人机的飞行正确，还需要设置航拍参数，以保证无人机拍摄的照片可以准确的拼接出待测区域的图像，所述航拍参数包括：航拍高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率。

无人机在沿等距螺线飞行过程中拍摄的是一张张零散的图片，这些图片并不能直接显示整个待测区域的图像，因此可通过Pixi4D等图片拼接软件将图片拼接成完整的图像。

如图4所示为本发明一个实施例提供的无人机沿等距螺线飞行的示意图，显示了航拍参数中：旁向重叠率、航向重叠率的示意图。

所述设置所述无人机的航拍参数，包括：

根据航拍图像的分辨率设置航拍高度；以及，

将所述航向重叠率设置为70%；以及，

将所述旁向重叠率设置为25%。

航向重叠率的取值通常为60%~80%，不低于53%，旁向重叠率的取值通常为15%~60%，不低于8%。本申请对航向重叠率和旁向重叠率的取值不做限定，可根据实际使用的需要进行设置。优选的，航向重叠率为70%，旁向重叠率为25%。

本发明实施例，在待测区域获取覆盖待测区域的圆形航测区域，在所圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，根据螺线参数生成等距螺线，设置无人机沿等距螺线飞行的导航指令，设置无人机的航拍参数，根据航拍参数进行拍照，并将拍照获取的照片拼接为待测区域的图像。使得无人机可以沿圆滑边沿的等距螺线飞行，保证了无人机飞行的稳定，避免了无人机沿套耕航线飞行时，转弯处航拍图片无效的问题，提高了航拍图片的利用率。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于等距螺线的无人机航测方法，其特征在于，包括：

根据待测区域获取覆盖所述待测区域的圆形航测区域；

在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，并根据所述螺线参数生成等距螺线；

设置无人机沿所述等距螺线飞行的导航指令，所述导航指令包括：

获取无人机在等距螺线上的目标位置, 所述目标位置为根据等距螺线的数学表达式获取的螺线中的任意一个位置；

建立无人机的当前位置与所述目标位置的连线；

生成与无人机的速度方向垂直且所述连线方向在所述垂直之内的加速度，如果所述连线的距离大于距离阈值，则无人机以大角度滚转角接近目标位置，如果所述连线的距离小于距离阈值，则无人机以小角度滚转角接近目标位置；

设置所述无人机的航拍参数，根据所述航拍参数进行拍照，并将所述拍照获取的照片拼接为所述待测区域的图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述螺线参数包括：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，包括：

将所述圆形航测区域的中心设置为等距螺线的中心；以及，

根据公式

获取等距螺线的螺距，其中

为常系数、

为等距螺线的螺距、

为圆周率；以及，

根据公式

获取等距螺线的围绕圈数，其中m为等距螺线的围绕圈数且取整数、r为所述圆形航测区域的半径、n为所述等距螺线的螺距。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述航拍参数包括：航拍高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述设置所述无人机的航拍参数，包括：

根据航拍图像的分辨率设置航拍高度；以及，

将所述航向重叠率设置为70%；以及，

将所述旁向重叠率设置为25%。

6.一种基于等距螺线的无人机航测系统，其特征在于，包括：

圆形航测区域获取模块，用于根据待测区域获取覆盖所述待测区域的圆形航测区域；

等距螺线生成模块，用于在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，并根据所述螺线参数生成等距螺线；

导航指令设置模块，用于设置无人机沿所述等距螺线飞行的导航指令，所述导航指令包括：

获取无人机在等距螺线上的目标位置, 所述目标位置为根据等距螺线的数学表达式获取的螺线中的任意一个位置；

建立无人机的当前位置与所述目标位置的连线；

生成与无人机的速度方向垂直且所述连线方向在所述垂直之内的加速度，如果所述连线的距离大于距离阈值，则无人机以大角度滚转角接近目标位置，如果所述连线的距离小于距离阈值，则无人机以小角度滚转角接近目标位置；

图像拼接模块，用于设置所述无人机的航拍参数，根据所述航拍参数进行拍照，并将所述拍照获取的照片拼接为所述待测区域的图像。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述螺线参数包括：螺线中心、等距螺线的螺距、等距螺线的围绕圈数。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述在所述圆形航测区域中获取等距螺线的螺线参数，包括：

将所述圆形航测区域的中心设置为等距螺线的中心；以及，

根据公式

获取等距螺线的螺距，其中

为常系数、

为等距螺线的螺距、

为圆周率；以及，

根据公式

获取等距螺线的围绕圈数，其中m为等距螺线的围绕圈数且取整数、r为所述圆形航测区域的半径、n为所述等距螺线的螺距。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述航拍参数包括：航拍高度、飞行速度、航向重叠率、旁向重叠率。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述设置所述无人机的航拍参数，包括：

根据航拍图像的分辨率设置航拍高度；以及，

将所述航向重叠率设置为70%；以及，

将所述旁向重叠率设置为25%。

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