基于北斗的低成本無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐申遠(yuǎn),張?jiān)?，洪中華，楊樹瑚，韓彥嶺

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院,上海 200136)

基于北斗的低成本無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐申遠(yuǎn),張?jiān)?，洪中華，楊樹瑚，韓彥嶺

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院,上海 200136)

微小型的低成本無人機(jī)具有起降場(chǎng)地限制小、運(yùn)輸方便、及成本相對(duì)低廉的特點(diǎn),在小范圍及分散的區(qū)域攝影測(cè)量工作中得到廣泛應(yīng)用,但低成本無人機(jī)在定位精度、續(xù)航航程、成像載荷選擇等諸多方面需要進(jìn)行取舍與妥協(xié)。因此需要提升低成本無人機(jī)的拍攝作業(yè)效率,構(gòu)建一種低成本固定翼無人機(jī),利用北斗/GPS組合定位增加高仰角衛(wèi)星數(shù),減少姿態(tài)角變化導(dǎo)致的定位精度下降;采用兩個(gè)運(yùn)動(dòng)攝像頭同步拍攝作為成像載荷;整套系統(tǒng)成本控制在一萬以內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)航程時(shí)間及試驗(yàn)后電池剩余電量的估算,機(jī)體作業(yè)飛行時(shí)間約1小時(shí)30 min,作業(yè)航程約70 km.

低成本無人機(jī);北斗定位;航拍;傾斜攝影

0 引 言

微小型無人機(jī)由于其靈活、成本低廉等優(yōu)勢(shì)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1],如國土資源規(guī)劃[2],松木病害監(jiān)測(cè)[3],災(zāi)情評(píng)估等方面[4-6]。

無人機(jī)攝影測(cè)量隨著低成本的微小型無人機(jī)的逐漸普及,以及相關(guān)軟件的成熟逐漸興起,其中一個(gè)主要需求就是傾斜攝影三維重建[7]。傾斜攝影通過利用相機(jī)獲取的建筑物/地物的頂面、四個(gè)側(cè)面的紋理信息,進(jìn)行特征匹配并建模,最終獲得地物的三維建模[8-9],但載人飛行器攜帶傳統(tǒng)的傾斜攝影設(shè)備雖然精度較高[10],但成本高昂,應(yīng)急能力較差,而且受天氣影響較大[11]。無人機(jī)傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)在于體積小、重量輕以及相比有人機(jī)作業(yè)成本低廉,但是也存在諸多劣勢(shì):多旋翼無人機(jī)雖然能夠垂直起降,但能量利用效率低,繼而續(xù)航時(shí)間與航程都有限[12];直升機(jī)能量利用效率有提升,但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜采購及維護(hù)成本較高[13];固定翼無人機(jī)可以在運(yùn)載能力與航程上獲得優(yōu)勢(shì),但需要起降條件[14],并且在切換航線過程中需要進(jìn)行劇烈動(dòng)作,導(dǎo)致GPS天線傾斜,影響定位精度[15]。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了低成本的無人機(jī)硬件、軟件系統(tǒng);通過部分改造航模的泡沫機(jī)身并進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),達(dá)到運(yùn)載相機(jī)以及飛控系統(tǒng)的運(yùn)載能力以及續(xù)航要求;利用ArduPilot開源飛控及配套的開源地面站,較好的解決了航線優(yōu)化配置問題;并利用北斗/GPS組合定位,獲取更可靠的定位星座,確保較大姿態(tài)角時(shí)的定位精度。

1 低成本無人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 低成本無人機(jī)系統(tǒng)框架

本文整體技術(shù)框架如圖1所示,主要包含硬件控制模塊、通信模塊和軟件模塊三個(gè)部分。硬件模塊包括相機(jī)快門控制、飛行控制、油門控制和舵面控制。通信模塊采用無線自組網(wǎng)XBee模塊,通過無線通訊,地面終端實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前無人機(jī)的位置坐標(biāo)與姿態(tài)、速度、航向等等數(shù)據(jù),亦可通過上行鏈路設(shè)置、更改航測(cè)路徑點(diǎn)。通過選用兼容北斗的接收機(jī)模塊,并修改配置,同時(shí)接受北斗及GPS的衛(wèi)星數(shù)據(jù)并解算,得出在中國地區(qū)更好的定位效果。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛行控制系統(tǒng)采用了開源飛控項(xiàng)目ArduPilot,主體硬件為Pixhawk飛控,安裝了兼容北斗定位系統(tǒng)的GPS接收機(jī),空速計(jì)、外置電子羅盤以及電池傳感器;同時(shí)輸出給無人機(jī)上的執(zhí)行器飛控解算出飛機(jī)的當(dāng)前位姿,并控制無人機(jī)沿預(yù)設(shè)路徑點(diǎn)執(zhí)行自動(dòng)任務(wù),如圖2所示。

圖2 飛行控制系統(tǒng)核心框圖

本系統(tǒng)采用了Ublox-M8N接收機(jī)模塊,利用單頻北斗/GPS組合定位[16-17],獲取當(dāng)前的坐標(biāo),為無人機(jī)提供導(dǎo)航信息,由于能夠同時(shí)獲取北斗與GPS的定位服務(wù),高仰角可視衛(wèi)星數(shù)提升,圖3為上海海洋大學(xué)信息學(xué)院樓頂天線的天頂圖(UTC2017/03/23 07:44:24),最外環(huán)為0°仰角,內(nèi)環(huán)為45°仰角,可以看到GPS衛(wèi)星在高仰角區(qū)域衛(wèi)星數(shù)較少,當(dāng)機(jī)身在做較大幅度的轉(zhuǎn)彎導(dǎo)致機(jī)身傾斜時(shí),由于低仰角位置的衛(wèi)星信噪比降低(廉價(jià)的微帶天線在垂直方向上的增益最大,而0°方向上增益為0),從而導(dǎo)致的定位精度降低;通過加入北斗衛(wèi)星星座進(jìn)行組合定位,確保高仰角區(qū)域衛(wèi)星數(shù)目,使得在天線傾斜時(shí)產(chǎn)生的定位精度下降得到一定程度的抑制;盡管如此由于本系統(tǒng)目前為單點(diǎn)定位,結(jié)果誤差較大,從圖4可看出,圖中為兩小時(shí)的定位結(jié)果誤差,每一環(huán)較內(nèi)環(huán)半徑增加1 m,圓心為天線實(shí)際坐標(biāo),15 min的定位誤差大于1 m,因此該定位結(jié)果僅用于對(duì)位置進(jìn)行粗略估計(jì)。

雖然最后單點(diǎn)定位誤差較大,但北斗/GPS定位模塊的解算結(jié)果的變化量與實(shí)際的位移量相關(guān),可以得出當(dāng)前地速,地速與空速比對(duì)后對(duì)于判斷當(dāng)前高度的風(fēng)向起到一定作用,有助于規(guī)劃航測(cè)路徑,減少由于大氣擾動(dòng)導(dǎo)致的無人機(jī)擺動(dòng)影響攝影測(cè)量成像質(zhì)量。同時(shí)地速在一定程度上校正了空速值,實(shí)現(xiàn)冗余備份,降低了由空速管堵塞導(dǎo)致失速墜機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。因此通過北斗/GPS組合定位獲取更多高仰角可視衛(wèi)星,提高轉(zhuǎn)彎過程中得到更穩(wěn)定的定位解,可以獲得更高的穩(wěn)定度與安全性。

圖3 上海海洋大學(xué)的信息學(xué)院樓天頂圖(UTC2017/03/23 07:44:24)

圖4 定位誤差圖(UTC2017/03/2307:29:40-07:44:24)

1.3 飛控軟件結(jié)構(gòu)

本套無人機(jī)系統(tǒng)的軟件部分分為飛控軟件(機(jī)載)與地面站軟件,兩者間通過串口透傳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,如圖5所示。

飛控軟件運(yùn)行于飛控處理器上,采集傳感器信息并控制無人機(jī),同時(shí)利用無線數(shù)傳模塊與地面站通訊,獲取新的路徑點(diǎn)任務(wù)及發(fā)回當(dāng)前飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。飛控軟件包含姿態(tài)解算、導(dǎo)航、控制、對(duì)地?cái)?shù)據(jù)通信四個(gè)部分。

圖5 無人機(jī)軟件組件圖

姿態(tài)解算部分通過傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算出姿態(tài)估計(jì),以此為參考實(shí)現(xiàn)機(jī)身姿態(tài)控制,由于采用了廉價(jià)微機(jī)電傳感器構(gòu)成(MEMS)的慣性測(cè)量單元(IMU),其傳感器精度較差[18],只使用慣性傳感信息的話姿態(tài)解算結(jié)果誤差隨時(shí)間增長而增長,因此姿態(tài)解算方法采用航姿航向參考系統(tǒng)(AHRS),與專業(yè)無人機(jī)不同,不僅獲取IMU的慣性傳感信息,同時(shí)加入電子羅盤的三軸磁場(chǎng)方向信息,以此來確保在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下獲得較為可靠的機(jī)身姿態(tài),但也由此導(dǎo)致了航姿航向系統(tǒng)依賴周圍磁場(chǎng),磁場(chǎng)與重力場(chǎng)成正交則航姿測(cè)量效果較好;如果趨于平行,如在高緯度地區(qū),航線角就誤差就會(huì)增大,越靠近地磁極誤差越大,最后無法測(cè)出[19-20]。因此安裝飛控過程中需要考慮機(jī)身內(nèi)部電路和設(shè)備磁場(chǎng)對(duì)飛控的影響。

導(dǎo)航部分管理無人機(jī)的高度、航向與速度。通過解析北斗/GPS定位模塊給出的定位與導(dǎo)航結(jié)果,獲得大地坐標(biāo)系下的位置、高度、地速;接收機(jī)高度與加速度及氣壓計(jì)融合,獲得更精確的機(jī)體高度估計(jì);地速與空速計(jì)結(jié)果融合,估算出空速管的誤差,在一定程度上進(jìn)行修正;定位坐標(biāo)與經(jīng)過融合的高度,與當(dāng)前目標(biāo)航點(diǎn)進(jìn)行比對(duì),給出飛機(jī)下一個(gè)控制周期的航向[21]。航跡導(dǎo)航算法默認(rèn)配置為垂直航向(Cross-track)與比例-積分-微分控制器(PID),經(jīng)過配置,可以使能L1自適應(yīng)算法[22],以獲得更好的航線控制精度,但需要在基本參數(shù)調(diào)整結(jié)束后開啟,并繼續(xù)手動(dòng)調(diào)整L1相關(guān)參數(shù)來使整體效果達(dá)到可用狀態(tài)。

控制部分負(fù)責(zé)機(jī)身各單元的實(shí)際控制,如:機(jī)身主翼上的副翼、水平尾翼上的升降舵、垂直尾翼上的方向舵、無刷電機(jī)電子調(diào)速器等;并且管理各個(gè)功能單元的狀態(tài),如是否使導(dǎo)航模塊進(jìn)入起飛模式或自動(dòng)模式,并獲取其他功能單元更新的數(shù)據(jù),如:姿態(tài)、航向角及速度結(jié)果,以此決定對(duì)機(jī)身的操作舵面以及油門動(dòng)力控制,并在極限狀態(tài)下糾正操作、確保飛行安全,如:在速度過低時(shí),根據(jù)配置參數(shù)比率采取壓低機(jī)頭及提升油門的策略來維持速度,避免失速;在電池傳感器測(cè)量后報(bào)警電量過低時(shí),強(qiáng)行將自動(dòng)模式切換為返航模式。

控制部分在開機(jī)后即開始對(duì)各個(gè)受控組件發(fā)送零信號(hào),阻止機(jī)體執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行任何動(dòng)作,確保地面的人員及設(shè)備安全,之后進(jìn)行狀態(tài)檢查,在所有功能如姿態(tài)解算、導(dǎo)航等程序及相關(guān)傳感器的檢查標(biāo)識(shí)位進(jìn)入正常值后解除安全鎖定,進(jìn)入普通狀態(tài);飛控系統(tǒng)的狀態(tài)管理也直接反映在控制部分上,在自動(dòng)駕駛模式時(shí),控制系統(tǒng)接管整個(gè)無人機(jī)的控制,地面站無法操作舵面及油門,飛控系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)航程序當(dāng)前指向的路徑點(diǎn)執(zhí)行作業(yè),并在航點(diǎn)列表執(zhí)行完畢或電池傳感器電量過低時(shí)自動(dòng)切回返航模式,在輔助駕駛模式時(shí),根據(jù)設(shè)置,地面站能夠獲取限定條件下的機(jī)身操作,如限定的俯仰與側(cè)傾角度,限定的最大升降速度以及預(yù)設(shè)的最低平飛速度以上的油門控制;飛控系統(tǒng)軟件在默認(rèn)配置下采用PID控制機(jī)身姿態(tài);成像載荷控制在作業(yè)過程中每次傳感器數(shù)據(jù)融合后查詢導(dǎo)航部分反饋的位置及姿態(tài)信息,在達(dá)到成像要求位置與姿態(tài)情況下驅(qū)動(dòng)成像載荷的相機(jī)的開關(guān)機(jī)與快門控制,并對(duì)拍攝位置、高度及AHRS參數(shù)記錄;通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)、控制局域網(wǎng)(CAN)等信號(hào)/總線實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)設(shè)備通信控制,監(jiān)測(cè)飛行電量在電壓過低時(shí)進(jìn)入返航狀態(tài)。

對(duì)地?cái)?shù)據(jù)通信采用開源的MAVLink協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包校驗(yàn)以及各種標(biāo)準(zhǔn)功能通訊:反饋飛行器當(dāng)前飛行狀態(tài)、參數(shù)調(diào)整、路徑航點(diǎn)列表更新及飛行狀態(tài)變更。MAVLink兼容不同的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì),如串口及網(wǎng)絡(luò)套接字等,在本套系統(tǒng)中我們采用無線串口模塊實(shí)現(xiàn),MAVLink數(shù)據(jù)包校驗(yàn)方式為CRC16,在數(shù)據(jù)包末尾兩個(gè)字節(jié)存放校驗(yàn)信息。

1.4 地面站軟件

地面站軟件部分主要功能為三大塊,分別是飛行狀態(tài)顯示、航線規(guī)劃及飛控參數(shù)調(diào)整,如圖6所示。

圖6 地面站軟件組件圖

飛行狀態(tài)顯示包含了當(dāng)前無人機(jī)的姿態(tài)球,一個(gè)可配置顯示六個(gè)可選參數(shù)的面板,一個(gè)可選服務(wù)商的在線地圖,地圖上可以映射飛行航跡以及飛控中預(yù)路徑點(diǎn)軌跡;航線規(guī)劃可以設(shè)置作業(yè)區(qū)并自動(dòng)生成路徑點(diǎn)軌跡,并根據(jù)飛行高度與相機(jī)視場(chǎng)角、相機(jī)像素和目標(biāo)地物分辨率等參數(shù)設(shè)定航線間隔及拍照密度;飛控參數(shù)調(diào)整涵蓋了飛控的所有參數(shù),包括各種傳感器的功能使能及外設(shè)相關(guān)參數(shù)設(shè)置,其中GPS相關(guān)設(shè)置可以預(yù)設(shè)安裝的GPS協(xié)議類型、使用的衛(wèi)星系統(tǒng)以及波特率等參數(shù),并在初始化過程中對(duì)GPS模塊進(jìn)行配置,本系統(tǒng)目前采用的是u-blox LEA-M8P定位模塊,可以同時(shí)接收北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào),并且可以通過外部輸入u-blox、RTCM等格式的基準(zhǔn)站測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行差分定位,另外通過配置為存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù),可以使飛控保存接收機(jī)輸出的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)卡中,進(jìn)行后處理定位,獲得更精確的后處理航跡。

2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及準(zhǔn)備

正式的航測(cè)實(shí)驗(yàn)總共執(zhí)行兩次,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位分航測(cè)區(qū)與測(cè)試/起降區(qū),第一次實(shí)驗(yàn)的航測(cè)區(qū)為學(xué)校某幢樓為中心,在其周圍長8 000 m寬900 m的區(qū)域,如圖7所示,設(shè)計(jì)航程為61 km(長于預(yù)計(jì)航程極限,用于測(cè)試最大航程);第二次航測(cè)區(qū)為學(xué)校附近的人工湖岸邊以及附近的海岸,設(shè)計(jì)航程38 km,如圖8所示;測(cè)試/起降區(qū)為學(xué)校外的一片草地,整個(gè)草地尺寸為一個(gè)三邊為400 m、600 m、700 m的三角形,實(shí)驗(yàn)開始前在該處起飛,完成狀態(tài)檢查后進(jìn)入自動(dòng)航線模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表1示出了兩次實(shí)驗(yàn)的天氣情況。

圖7 第一次實(shí)驗(yàn)航跡

圖8 第二次實(shí)驗(yàn)航跡

表1 實(shí)驗(yàn)天氣參數(shù)

第一次實(shí)驗(yàn):由于在實(shí)驗(yàn)前僅進(jìn)行了草地上空的簡單自動(dòng)航線飛行,本次實(shí)驗(yàn)是第一次測(cè)試長距離航測(cè),因此自動(dòng)航線先在草地繞一圈用于檢查狀態(tài),之后以15 m/s速度穿過航測(cè)區(qū)域測(cè)試通信狀況,接下來繞航測(cè)區(qū)域某幢樓進(jìn)行繞圈飛行。之后返回起始點(diǎn)上空,切換到25 m/s速度,并開始航測(cè)路線與拍攝,由于拍攝航線密度較高,選用前后兩個(gè)往返航線間隔四個(gè)航線的規(guī)劃策略,因?yàn)槿绻粭l航線完成后迅速切入相鄰的往返航線(平行,方向轉(zhuǎn)向180°),會(huì)出現(xiàn)飛機(jī)不在預(yù)定航線上,由于無法對(duì)準(zhǔn)航線還處于轉(zhuǎn)彎或修正航向狀態(tài),導(dǎo)致航測(cè)成像受到影響,航線規(guī)劃時(shí)需要較大的回轉(zhuǎn)空間,增加了額外的回轉(zhuǎn)距離,造成額外動(dòng)力消耗,減少了航程。

第二次實(shí)驗(yàn):航線設(shè)置為從起飛點(diǎn)飛往人工湖沿岸飛行一圈并拍攝,再前往附近海岸進(jìn)行海岸拍攝,機(jī)身設(shè)置參考第一次實(shí)驗(yàn)及后續(xù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整機(jī)身重心與并且調(diào)整飛控的姿態(tài)控制以及巡航速度等參數(shù),增加穩(wěn)定性,并提升飛行效率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

主要分析航跡與預(yù)設(shè)航線重合度精度、機(jī)身姿態(tài)穩(wěn)定情況以及航程。

第一次實(shí)驗(yàn)在自動(dòng)航線上的飛行距離為21.5 km,在原本的預(yù)設(shè)航線61.2 km完成前電壓低于預(yù)設(shè)保護(hù)值觸發(fā)了返航,測(cè)量落地后的剩余電量約為55%[23],以此推算最大航程約45 km.

圖9 第一次實(shí)驗(yàn)截取分析航線

圖10 第一次實(shí)驗(yàn)機(jī)身姿態(tài)角

第一次實(shí)驗(yàn)的其中一段航跡如圖9所示,圖中紅色條帶為實(shí)際航跡到地面的延長線組成航跡為從圖中右側(cè)向左側(cè)飛行,綠色直線為預(yù)設(shè)航線,可以看到航跡的高程和水平坐標(biāo)上都與航線有偏差,在轉(zhuǎn)彎進(jìn)入航線時(shí),轉(zhuǎn)彎不足,越過了航線后修正回到航線上,但過沖后繼續(xù)小幅度震蕩,同時(shí)也導(dǎo)致了機(jī)體產(chǎn)生較大幅度的姿態(tài)變化,如圖10所示,去除起始位置開始轉(zhuǎn)向不足因而處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)導(dǎo)致的大傾角,之后的近似直線航線中,俯仰角變化范圍從-10°至9°;橫滾角范圍從-11°至1°;偏航角范圍從320°至340°.從當(dāng)天風(fēng)向估計(jì),該段航線實(shí)際上是逆風(fēng)飛行,基本不受側(cè)風(fēng)干擾,在側(cè)風(fēng)干擾時(shí)的震蕩將更劇烈,從以上機(jī)體航跡以及姿態(tài)記錄顯示機(jī)身姿態(tài)不穩(wěn),在此狀態(tài)下進(jìn)行航空拍攝,需要提升拍照頻率以確保圖像重疊度。

第二次實(shí)驗(yàn)完成整個(gè)自動(dòng)航線38 km,測(cè)量落地后的剩余電量約為45%[23],以此推算最大航程約為70 km.

在第二次實(shí)驗(yàn)中某段航跡如圖11所示,圖中紅色條帶為實(shí)際航跡到地面的延長線組成航跡為從圖中右側(cè)向左側(cè)飛行,綠色直線為預(yù)設(shè)航線,可以看到航跡的高程和水平坐標(biāo)上都與航線基本重疊,進(jìn)在部分區(qū)域有小幅度波動(dòng)。機(jī)體軌跡的小幅度波動(dòng)也反映在機(jī)身姿態(tài)上,如圖12所示,轉(zhuǎn)向完成后航跡最之后的近似直線航線中,俯仰角變化范圍從2°至5°;橫滾角范圍從-3°至-1°;偏航角范圍從161°至163°.從當(dāng)天的天氣記錄看,該段航線為逆風(fēng)飛行,并且有側(cè)風(fēng)分量,但側(cè)風(fēng)擾動(dòng)導(dǎo)致的姿態(tài)震蕩得到了有效抑制,并且航跡偏移也得到了有效控制。

圖11 第二次實(shí)驗(yàn)截取分析航線

圖12 第二次實(shí)驗(yàn)機(jī)身姿態(tài)角

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng),利用北斗/GPS定位獲取更可靠的定位星座,減少了由于機(jī)身動(dòng)作產(chǎn)生頻繁姿變化引起低仰角衛(wèi)星信號(hào)增益降低,失去有效衛(wèi)星,進(jìn)而導(dǎo)致的定位精度下降;并利用如今消費(fèi)級(jí)無人機(jī)/航模器相關(guān)材普及后的廉價(jià)優(yōu)勢(shì)將航模改造為航測(cè)用飛行平臺(tái),降低了航測(cè)成本;并且通過測(cè)試調(diào)整,提升了平臺(tái)的穩(wěn)定性與續(xù)航能力,使得飛行平臺(tái)能夠滿足基本的航測(cè)需求,在較大范圍采集航拍圖像的情況下,相比于直接使用商品化的多旋翼飛行器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,有效減少野外作業(yè)架次,降低外業(yè)人員工作量。

在未來的工作中,將進(jìn)一步利用現(xiàn)有的接收機(jī)模塊,將北斗/GPS的RTK算法移植到單片機(jī)/嵌入式運(yùn)算平臺(tái)進(jìn)行機(jī)載測(cè)試。同時(shí),利用傾斜攝影序列圖像的處理后能反推得到圖像的外參(相對(duì)地物位置),對(duì)比RTK定位結(jié)果以及飛機(jī)當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)后,在無控制點(diǎn)狀況下,能夠獲取地物的較精確位置/高程數(shù)據(jù),同時(shí)有助于提升對(duì)地物進(jìn)行三維重建的運(yùn)算速度。以及考慮利用視覺—慣性里程計(jì)獲得更好的低空飛行定位精度以及相對(duì)地速,提升航線精度[24-25],并且研究在不同地形狀態(tài)及BD/GPS接收機(jī)定位狀態(tài)下,下切換采用視覺—慣性里程計(jì)或者GPS定位,達(dá)到更高的定位可靠性。

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Design and Realization of Low Cost UAV Oblique Photography System Based on BeiDou

XU Shenyuan,ZHANG Yun,HONG Zhonghua,YANG Shuhu,HAN Yanling

(CollegeofInformationTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai200136,China)

Micro low-cost unmanned aerial vehicle (UAV) has the advantages of less restrictions for landing and takeoff, convenient transportation and relatively low cost. It is widely used in small-scale and decentralized regional photogrammetry, but the design of low-cost UAV have to trade-offs and compromise between positioning accuracy, voyage, payload and many other aspects. Therefore, it is necessary to improve the efficiency of the low-cost UAV photography, build a low-cost fixed-wing unmanned aerial vehicle, using Beidou/GPS combination positioning to increase the number of high-elevation satellites to avoid the reduce of the positioning accuracy caused by the attitude changes; Two synchronized sport camera as the photography payload; the entire system cost control in less than ten thousand. According to the test flight time and the remaining power of the battery, this UAV have an operating time of about 1 hour and 30 minutes, and operating range about 70 km.

Low cost UAV; BeiDou positioning; aerial imaging; oblique photography

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.011

2017-04-26

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41376178;41401489;41506213)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0054-07

徐申遠(yuǎn) (1992-),男,碩士研究生,主要從事無人機(jī)遙感技術(shù)研究。

張?jiān)?(1974-),男,教授,主要從事GNSS定位導(dǎo)航、GNSS-R技術(shù)研究。

聯(lián)系人: 徐申遠(yuǎn)E-mail: 740954119@qq.com