CN204854730U - 一种多角度无人航测系统 - Google Patents

Abstract

实用新型公开了一种多角度无人航测系统，所述多角度无人航测系统设置有六旋翼无人机，所述六旋翼无人机上面搭载由五个镜头组成的多视角倾斜相机；所述多视角倾斜相机包括：摄影单元、控制单元和挂载单元；所述六旋翼无人机的包括：无人机飞行平台系统、GPS导航系统、飞行控制系统、遥感摄影系统、地面控制系统、信号传输系统。本实用新型能够同时从多个角度采集地面影像，从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足，通过整合POS,DSM及矢量等数据，建立基于影像密集匹配的三维建模技术，快速高效的建立数字城市模型，大大降低了三维建模工作成本。

Description

一种多角度无人航测系统

技术领域

本实用新型属于航拍技术领域，尤其涉及一种多角度无人航测系统。

背景技术

1998年1月，美国从其自身的利益和全球政治、经济、军事战略目标出发，提出了“数字地球”的概念，国内已有100多个城市开展了“数字城市”的建设工作。数字城市三维建模作为数字城市建设重要组成部分也得到了快速发展，目前绝大部分建设数字城市的地区均进行了大量三维建模工作，但是三维建模工作成本高，速度慢，耗费大量人力和物力。近年来，国际地理信息领域将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来，发展了一种称为机载多角度倾斜摄影的高新技术，简称倾斜摄影技术。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器，同时从多个角度采集地面影像，从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足，通过整合POS,DSM及矢量等数据，实现基于影像密集匹配的三维建模技术。目前国内外有多种多镜头倾向相机产品，包括有徕卡公司的ADS40、ADS80三线阵数码相机、美国Pictometry公司多角度相机、Trimble公司的3个相机组成的航空倾斜摄影系统以及国内的刘先林院士的SWDC-5相机、上海航遥公司AMC580相机、中测新图公司的TOPDC－5倾斜相机，以上相机大部分采用量测数码相机，载荷大，只能安装在大飞机上，在进行实际三维建模生产时，需要申请空域，成本高，周期长。

现有技术通过实地拍照建立三维模型，三维建模工作成本高，速度慢，需要耗费大量人力和物力，传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄，不能真实地反映地物的实际情况，正射影像不足。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种多角度无人航测系统，旨在解决现有技术通过实地拍照建立三维模型，三维建模工作成本高，速度慢，需要耗费大量人力和物力，传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄，不能真实地反映地物的实际情况，正射影像不足的问题。

本实用新型是这样实现的，一种多角度无人航测系统，所述多角度无人航测系统设置有六旋翼无人机，所述六旋翼无人机上面搭载由五个镜头组成的多视角倾斜相机；

所述多视角倾斜相机包括：摄影单元、控制单元和挂载单元；

用于获取大视场角的影像数据的摄影单元；

与所述摄影单元连接，用于为多视角倾斜相机与无人机连接提供稳定支撑，减少无人机产生高频振动的挂载单元；

与所述挂载单元连接，用于实现摄像数据分析和存储的控制单元；

所述六旋翼无人机的包括：无人机飞行平台系统、GPS导航系统、飞行控制系统、遥感摄影系统、地面控制系统、信号传输系统；

由六个螺旋桨组成，通过调节六个电机转速来改变旋翼转速，实现升力变化，从而控制飞行器姿态和位置的无人机飞行平台系统；

利用GPS／INS组合导航，测定出无人机中心点位置坐标，配合飞行控制系统，让无人机按照规划航线进行飞行，从而实现无人机自动控制的GPS导航系统；

用于完成无人机的内外回路航迹控制、无人机的导航、制导、飞行任务管理、任务载货管理与控制,对无人机实现全权限控制与管理的无人机飞行控制系统；

通过遥控控制器实现对相机或者摄像机快门自动控制，让相机或者摄像机按照一定速率进行拍摄的遥感摄影系统；

通过自动测向设备、制导计算机、无线电信号发射机和遥控接收机、飞行控制计算机、自动驾驶仪、舵机系统，由无人机发射信号作为辐射源，地面站使用无线电测向设备测得无人机姿态，采用无线电应答方式，测得无人机距离，利用高度传感器和遥测信道测得无人机高度，从无人机的姿态、距离和高度确定无人机飞行参数的地面控制系统；

用于实现所述地面控制系统与无人机飞行控制系统之间通讯的信号传输系统。

进一步，所述多视角倾斜相机的摄影单元包括主体机构、一个垂视的相机和四个倾斜的相机；

用于同步获取大视场角的影像数据，拼接成用于常规摄影量测的宽幅影像，进行真三维模型建立的垂视相机和倾斜相机，所述垂视相机和倾斜相机由小型CCD成像装置和高像质定焦镜头组成。

进一步，所述控制单元包括：触发模块、通讯模块、存储模块和供电模块；

用于接收外部触发信号，同步触发一个垂视的相机和四个倾斜的相机曝光并向外部设备反馈触发信号的触发模块；

用于相机设置、相机飞行前后测试与调校的通讯模块；

用于拍摄影像数据存储的存储模块；

由自带电源、直流电源转换器、相机供电器组成，当挂载单元提供电源时，通过直流电源转换器将外接电流进行滤波稳压转换后通过供电器给相机供电，当没有外接电源时，使用自带电源供电的供电模块。

进一步，所述飞行控制系统包括：

用于完成无人机飞行控制系统的飞行控制和管理功能，内部具有3个CAN总线控制器，24根地址总线和32根数据总线以及外围设备引脚作为通用的I/O端口的主控模块；

通过CAN总线与主控模块连接，采用外部16位A/D转换芯片来采样模拟信号，A/D转换芯片通过SPI接口与主控模块通信，向所述主控模块提供无人机的三轴角速率和三轴加速度信号，采用NovAtelOEMV-1GGPS传感器输出经度、纬度、海拔高度、航迹角信息的舵机模块；

通过CAN总线与主控模块连接，用于满足小型无人机复杂控制功能以及扩展的接口模块。

进一步，所述接口模块包括：采集外部模拟量信息的8路A/D接口、控制外部模拟量设备的8路D/A接口、控制无人机的I/O口设备的8路DIO接口、与外部设备通信的10路RS232/422串口以及进行仿真实验的2路CAN接口。

进一步，所述主控模块包括外时钟电路、复位电路、调试接口电路、存储器扩展电路以及电源电路；

用于为主控模块提供时钟信号的外时钟电路；

用于保证主控模块能够正常复位的复位电路；

用于通过BDM模式进行调试的调试接口电路；

用于为飞行控制提供足够的存储空间的存储器扩展电路；

用于为主控模块供电，同时也给舵机模块、外设器件和传感器供电的电源电路。

本实用新型提供的多角度无人航测系统，搭载5镜头倾斜相机的六旋翼航测无人机通过在六旋翼无人机平台上搭载多台相机，能够同时从多个角度采集地面影像，从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足，通过整合POS,DSM及矢量等数据，建立基于影像密集匹配的三维建模技术，快速高效的建立数字城市模型，大大降低了三维建模工作成本。通过该技术建立的实景三维模型可广泛应用于城市规划、建筑景观设计、资源管理、军事战场演习、城镇管理、三维导航以及城市旅游管理系统、反恐维稳、安保警戒、抢险救灾等国防和国民经济建设各个领域。

此外，本实用新型采用的六旋翼航测无人机通过航空摄影，野外布置像控点和摄影测量内业，只需一天时间即可完成地形图绘制，减轻了测量外业人员劳动强度，提高了工作效率；采用本实用新型通过在多旋翼无人机上飞行平台上搭载五镜头倾斜相机，同时从多个角度采集地面影像，整合POS,DSM及矢量等数据，利用影像密集匹配的三维建模自动生成物体密集点云数据，通过自动纹理映射，快速创建大规模三维模型，真实感强，速度快，降低了项目实施成本。[00013]本实用新型采用非量测相机，体积轻，通过相机检校仍然可以用于航空摄影测量，成本低，通过搭载多旋翼无人机，无需特别场地，垂直起降，无需申请空域，通过密集匹配，能够快速创建大规模数字城市三维模型和制作4D测量产品，在小范围的航空摄影作业中，其快速反应能力和与传统航空摄影相比产生的经济效益等方面具有明显的优势。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的多角度无人航测系统结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的多视角倾斜相机结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的飞行控制系统结构框图；

图中：1、六旋翼无人机；1-3-1、主控模块；1-3-2、传感器；1-3-3、舵机模块；1-3-4、接口模块；2、多视角倾斜相机；2-1、主体机构；2-2、倾斜相机；2-3、垂视相机。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型通过搭载五镜头倾斜相机，能够获取地面建筑各个侧面纹理，通过基于密集匹配算法自动快速创建大规模数字城市模型，创建的三维模型真实，传统三维建模方法通过实地拍照纹理，以3DMAX作为建模手工进行建模，同传统三维建模方法相比，节省了大量人力和物力，满足了大规模数字城市模型要求。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例的多角度无人航测系统主要包括：由5个镜头组成的多视角倾斜相机2和六旋翼无人机1两部分组成；

六旋翼无人机1上面搭载多视角倾斜相机2。

本实用新型实施例的多视角倾斜相机2主要包括：摄影单元、控制单元及挂载单元三部分组成；

摄影单元，用于获取大视场角的影像数据；

挂载单元，与所述摄影单元连接，用于为多视角倾斜相机与无人机连接提供稳定支撑，减少无人机产生的高频振动；

控制单元，与所述挂载单元连接，用于实现摄像数据的分析和存储；

如图2所示，其中摄影单元由主体机构2-1和五个小型相机构成，这五个小型相机包含一个垂视相机2-3和四个倾斜相机2-2，主体机构2-1按设计角度将五个相机牢固连接，每个相机均由小型CCD成像装置和高像质定焦镜头组成，可同步获取大视场角的影像数据，该影像数据既可拼接成用于常规摄影量测的宽幅影像，也可进行真三维模型的建立。

主体机构通过减震架将垂视相机和倾斜相机相连，减震架是由减震球和云台支架组成从而起到减震、保持相机平衡作用。

控制单元主要由触发模块、通讯模块、存储模块及供电模块四部分构成；

触发模块主要用于接收外部触发信号，同步触发五个小型相机曝光并向外部设备反馈触发信号；通讯模块主要用于相机设置、相机飞行前后的测试与调校等；存储模块主要用于拍摄影像数据的存储；供电模块主要由自带电源、直流电源转换器、相机供电器组成，当挂载单元可以提供电源时，通过直流电源转换器可以将外接电流进行滤波稳压转换后通过供电器给相机供电，当没有外接电源时，可使用自带电源为其供电。

六旋翼无人机1主要包括：无人机飞行平台系统、GPS导航系统、飞行控制系统、遥感摄影系统、地面控制系统、信号传输系统组成；

所述无人机飞行平台系统，由六个螺旋桨组成，通过调节六个电机转速来改变旋翼转速，实现升力变化，从而控制飞行器的姿态和位置；

所述GPS导航系统，利用GPS／INS组合导航，测定出无人机中心点位置坐标，配合飞行控制系统，让无人机按照规划航线进行飞行，从而实现无人机自动控制；

所述无人机飞行控制系统，用于完成无人机的内外回路航迹控制、无人机的导航、制导、飞行任务管理、任务载货管理与控制,对无人机实现全权限控制与管理；

所述遥感摄影系统，通过遥控控制器实现对相机或者摄像机快门自动控制，让相机或者摄像机按照一定速率进行拍摄；

所述地面控制系统，通过自动测向设备、制导计算机、无线电信号发射机和遥控接收机、飞行控制计算机、自动驾驶仪、舵机系统，由无人机发射信号作为辐射源，地面站使用无线电测向设备测得无人机姿态，采用无线电应答方式，测得无人机距离，利用高度传感器和遥测信道测得无人机高度，从无人机的姿态、距离和高度确定无人机飞行参数。

所述信号传输系统，用于实现所述地面控制系统与无人机飞行控制系统之间的通讯。

飞行控制系统包括：主控模块1-3-1、传感器1-3-2、舵机模块1-3-3、接口模块1-3-4；

根据小型无人机对时示控制系统的高集成度、可扩展性等技术要求，完成了以MPC565处理器为核心的小型实时控制系统硬件方案设计，将飞行控制系统划分为主控模块、舵机模块、接口模块，降低了系统的祸合度，实现系统的模块化设计。

主控模块1-3-1，由MPC565芯片组成，它是MotorolaMPC500系列精简指令集处理器家族的一员，支持浮点运算，控制功能强大，可以完成小型无人机飞行控制系统的飞行控制和管理功能；主控模块的设计需要保证处理器最小系统正常工作，包括外时钟电路、复位电路、调试接口电路、存储器扩展电路以及电源电路。

传感器1-3-2和舵机模块1-3-3，采用外部16位A/D转换芯片来采样模拟信号，A/D转换芯片通过SPI接口与主控模块通信，向主控模块提供无人机的三轴角速率和三轴加速度信号，采用NovAtelOEMV-1GGPS传感器输出经度、纬度、海拔高度、航迹角、东北天地速等信息，NovAtelOEMV-1G支持差分功能，具有较高的定位精度和时问精度；无线通信模块Xtend则通过串口和主控模块通信；舵机模块1-3-3根据主控模块输出的PWM信号的占空比来调节舵面，实现对无人机位置姿态控制。

所述主控模块1-3-1包括外时钟电路、复位电路、调试接口电路、存储器扩展电路以及电源电路；

所述外时钟电路，用于为主控模块提供时钟信号；

所述复位电路，用于保证主控模块能够正常复位；

所述调试接口电路，用于通过BDM模式进行调试；

所述存储器扩展电路为飞行控制提供足够的存储空间；

所述电源电路，用于为主控模块供电，同时也给舵机模块1-3-3、外设器件和传感器供电。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多角度无人航测系统，其特征在于，所述多角度无人航测系统设置有六旋翼无人机，所述六旋翼无人机上面搭载由五个镜头组成的多视角倾斜相机；

所述多视角倾斜相机包括：摄影单元、控制单元和挂载单元；

用于获取大视场角的影像数据的摄影单元；

与所述摄影单元连接，用于为多视角倾斜相机与无人机连接提供稳定支撑，减少无人机产生高频振动的挂载单元；

与所述挂载单元连接，用于实现摄像数据分析和存储的控制单元；

所述六旋翼无人机包括：无人机飞行平台系统、GPS导航系统、飞行控制系统、遥感摄影系统、地面控制系统、信号传输系统；

由六个螺旋桨组成，通过调节六个电机转速来改变旋翼转速，实现升力变化，从而控制飞行器姿态和位置的无人机飞行平台系统；

利用GPS／INS组合导航，测定出无人机中心点位置坐标，配合飞行控制系统，让无人机按照规划航线进行飞行，从而实现无人机自动控制的GPS导航系统；

用于完成无人机的内外回路航迹控制、无人机的导航、制导、飞行任务管理、任务载货管理与控制,对无人机实现全权限控制与管理的无人机飞行控制系统；

通过遥控控制器实现对相机或者摄像机快门自动控制，让相机或者摄像机按照一定速率进行拍摄的遥感摄影系统；

通过自动测向设备、制导计算机、无线电信号发射机和遥控接收机、飞行控制计算机、自动驾驶仪、舵机系统，由无人机发射信号作为辐射源，地面站使用无线电测向设备测得无人机姿态，采用无线电应答方式，测得无人机距离，利用高度传感器和遥测信道测得无人机高度，从无人机的姿态、距离和高度确定无人机飞行参数的地面控制系统；

用于实现所述地面控制系统与无人机飞行控制系统之间通讯的信号传输系统。

2.如权利要求1所述的多角度无人航测系统，其特征在于，所述多视角倾斜相机的摄影单元包括主体机构、一个垂视的相机和四个倾斜的相机；

主体机构通过减震架将垂视相机和倾斜相机相连，减震架是由减震球和云台支架组成；

用于同步获取大视场角的影像数据，拼接成用于常规摄影量测的宽幅影像，进行真三维模型建立的垂视相机和倾斜相机，所述垂视相机和倾斜相机由小型CCD成像装置和高像质定焦镜头组成。

3.如权利要求1所述的多角度无人航测系统，其特征在于，所述控制单元包括：触发模块、通讯模块、存储模块和供电模块；

用于接收外部触发信号，同步触发一个垂视的相机和四个倾斜的相机曝光并向外部设备反馈触发信号的触发模块；

用于相机设置、相机飞行前后测试与调校的通讯模块；

用于拍摄影像数据存储的存储模块；

由自带电源、直流电源转换器、相机供电器组成，当挂载单元提供电源时，通过直流电源转换器将外接电流进行滤波稳压转换后通过供电器给相机供电，当没有外接电源时，使用自带电源供电的供电模块。

4.如权利要求1所述的多角度无人航测系统，其特征在于，所述飞行控制系统包括：

用于完成无人机飞行控制系统的飞行控制和管理功能，内部具有3个CAN总线控制器，24根地址总线和32根数据总线以及外围设备引脚作为通用的I/O端口的主控模块；

通过CAN总线与主控模块连接，采用外部16位A/D转换芯片来采样模拟信号，A/D转换芯片通过SPI接口与主控模块通信，向所述主控模块提供无人机的三轴角速率和三轴加速度信号，采用NovAtelOEMV-1GGPS传感器输出经度、纬度、海拔高度、航迹角信息的舵机模块；

通过CAN总线与主控模块连接，用于满足小型无人机复杂控制功能以及扩展的接口模块。

5.如权利要求4所述的多角度无人航测系统，其特征在于，所述接口模块包括：采集外部模拟量信息的8路A/D接口、控制外部模拟量设备的8路D/A接口、控制无人机的I/O口设备的8路DIO接口、与外部设备通信的10路RS232/422串口以及进行仿真实验的2路CAN接口。

6.如权利要求4所述的多角度无人航测系统，其特征在于，所述主控模块包括外时钟电路、复位电路、调试接口电路、存储器扩展电路以及电源电路；

用于为主控模块提供时钟信号的外时钟电路；

用于保证主控模块能够正常复位的复位电路；

用于通过BDM模式进行调试的调试接口电路；

用于为飞行控制提供足够的存储空间的存储器扩展电路；

用于为主控模块供电，同时也给舵机模块、外设器件和传感器供电的电源电路。