基于無(wú)人機(jī)的傾斜攝影平臺(tái)開發(fā)

何中海，魏鴻輝，呂品，賴德軍

(1.四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都 610052； 2.四川省川核測(cè)繪地理信息有限公司，四川 成都 610036)

1 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，“人走步量”是測(cè)繪人的工作模式。為獲取精準(zhǔn)的地理信息，測(cè)繪人跋山涉水、常年野外奔波，然而這樣的外業(yè)勞動(dòng)存在強(qiáng)度大、工序復(fù)雜、成本高等問(wèn)題。而無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)憑借快速高效、機(jī)動(dòng)靈活、成本低等優(yōu)勢(shì)，正慢慢顛覆傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)方式，已經(jīng)成為新一代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量研究的核心主題[1]。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，就是在無(wú)人機(jī)上搭載多臺(tái)傳感器，從垂直、傾斜等不同角度采集影像[2]，通過(guò)對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)處理并整合其他地理信息，輸出正射影像、地形圖、三維模型等產(chǎn)品。傾斜影像能從多個(gè)角度觀察地物，進(jìn)行包括高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度的量測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)正射影像的不足。

從2010年來(lái)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)開始進(jìn)入國(guó)內(nèi)地理信息行業(yè)的視野，它為傳統(tǒng)測(cè)繪帶來(lái)了全新的視角。目前傾斜攝影一般采用的都是大型設(shè)備和大型飛機(jī)，不僅成本高，也具有作業(yè)不靈活，限制條件太多等方面的限制。近年來(lái)，利用小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)采集成為一種新的發(fā)展方向，它結(jié)合了無(wú)人機(jī)和傾斜攝影技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景極好。

本文旨在通過(guò)對(duì)攝影平臺(tái)結(jié)構(gòu)、相機(jī)拍照控制、相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)出適合小型無(wú)人機(jī)專用的傾斜攝影平臺(tái)，擺脫一直以來(lái)大型設(shè)備和大型飛機(jī)的約束，可以更加方便和精細(xì)地進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)的獲取，從而得到更加清晰和精確的三維模型，為城市規(guī)劃、應(yīng)急演練、旅游等途徑提供更加直觀的視覺感受。

2 傾斜攝影平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傾斜攝影平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括相機(jī)角度及其支架設(shè)計(jì)、相機(jī)外殼設(shè)計(jì)、相機(jī)減震及連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、所需材料優(yōu)化選擇幾個(gè)方面研究，主要遵循的原則是使平臺(tái)體積最小，重量最輕，以便于無(wú)人機(jī)掛載。

2.1 相機(jī)角度設(shè)置及支架設(shè)計(jì)

攝影系統(tǒng)包括1個(gè)正視相機(jī)和4個(gè)環(huán)視相機(jī)，構(gòu)建最佳合理的環(huán)視相機(jī)之間及環(huán)視相機(jī)與正視相機(jī)之間的位置角度關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)較好效果的關(guān)鍵。本平臺(tái)采用2 100萬(wàn)像素的半畫幅相機(jī)， 20 mm定焦鏡頭，相機(jī)機(jī)構(gòu)緊湊，重量較輕，適合無(wú)人機(jī)搭載。5個(gè)相機(jī)中，正視相機(jī)采用垂直90°放置，其余前視、后視、左視和右視相機(jī)采用45度傾斜方式放置。此種角度放置一方面考慮多旋翼或者電動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)飛行高度較低，只有較大的傾斜角度才能更好地獲取地物側(cè)面紋理，另一方面通過(guò)鏡頭視角和傾斜角度聯(lián)合計(jì)算，此種放置時(shí)，側(cè)傾相機(jī)和正射相機(jī)獲取的影像保證了15°夾角的重疊，有利于提高三維重建時(shí)的精度和效率。

相機(jī)內(nèi)部支架采用中心固定環(huán)加四側(cè)板的結(jié)構(gòu)，方便相機(jī)固定和安裝(如圖1所示)。相機(jī)中間固定環(huán)側(cè)面有一向下的豎板，用于固定正視相機(jī)，其余4個(gè)側(cè)板以90°夾角呈十字形固定在中間環(huán)上，用于放置前視、后視、左視和后視相機(jī)。4個(gè)側(cè)板整體呈L形，其頂部與中間固定環(huán)連接，其底部橫面與水平面呈向下的45°夾角，相機(jī)分別設(shè)置于側(cè)板的底部橫面上。正視相機(jī)和環(huán)視相機(jī)的底部均設(shè)置有螺紋孔，通過(guò)螺絲固定安裝于相應(yīng)的側(cè)板和豎板上。同時(shí)，中間固定環(huán)的頂部環(huán)繞其軸心均勻設(shè)置有多個(gè)支柱，以用來(lái)和外殼的上部主碳板連接，可防止在飛行和拍攝過(guò)程中相機(jī)抖動(dòng)影響拍攝，其整體安裝效果如圖2所示。

圖1 相機(jī)支架結(jié)構(gòu)圖

圖2 相機(jī)安裝效果圖

2.2 相機(jī)外殼設(shè)計(jì)

相機(jī)外殼根據(jù)支架和相機(jī)鏡頭位置利用三維設(shè)計(jì)軟件PROE設(shè)計(jì)完成。外殼底部在鏡頭開口處使用凹面造型，一方面可以增加對(duì)鏡頭的保護(hù)，同時(shí)減小外殼對(duì)相機(jī)采光的影響，另一方面還利于減小平臺(tái)風(fēng)阻，節(jié)約無(wú)人機(jī)能耗(如圖3所示)。

圖3 相機(jī)外殼設(shè)計(jì)圖

此外，為了與減震機(jī)構(gòu)和內(nèi)部支架連接和固定，云臺(tái)外殼上部采用圓形蓋板設(shè)計(jì)。蓋板一方面留有開關(guān)、電源以及相機(jī)控制按鈕等接口孔位，另一方面，蓋板中間有4個(gè)螺絲孔，與內(nèi)部支架通過(guò)支柱連接固定，邊緣均勻分布4個(gè)減震裝置連接孔位。

2.3 相機(jī)減震及連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

相機(jī)減震組采用4組對(duì)稱掛件設(shè)計(jì)，掛件由兩塊小型碳板組成，兩側(cè)開孔安裝減震球，中間使用螺母螺桿連接飛機(jī)平臺(tái)(如圖4所示)。采用此種設(shè)計(jì)，一方面相機(jī)能夠方便地掛載到無(wú)人機(jī)上，另一方面減震機(jī)構(gòu)能夠很好地吸收化解無(wú)人機(jī)的振動(dòng)，優(yōu)化成像效果。

圖4 減震機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.4 材料選擇

為了減輕設(shè)備重量，利于無(wú)人機(jī)掛載作業(yè)，各個(gè)機(jī)構(gòu)的材料選擇十分重要。經(jīng)過(guò)綜合考慮，此平臺(tái)內(nèi)部支架采用鋁合金加工成型，既減輕了重量，又保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；相機(jī)外殼底部采用璃纖維模具加工成型，在保護(hù)相機(jī)組的同時(shí)盡可能地減小了內(nèi)部空余空間；相機(jī)上方圓形蓋板采用碳板切割，保證了支架和減震機(jī)構(gòu)的連接強(qiáng)度；其中，減震結(jié)構(gòu)也采用碳板組件，即保證了強(qiáng)度，也進(jìn)一步減輕了平臺(tái)重量。最后，支架、圓形碳板、減震機(jī)構(gòu)等連接固定都采用輕質(zhì)鋁柱，最大程度保證平臺(tái)的重量最小化。

3 傾斜攝影平臺(tái)電路設(shè)計(jì)

本平臺(tái)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)之一是控制電路的設(shè)計(jì)，包括相機(jī)拍攝控制、USB數(shù)據(jù)傳輸、電源供應(yīng)。本文中采用跨平臺(tái)程序開發(fā)語(yǔ)言Java實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)所涉及的程序功能，包括電源控制程序、五相機(jī)快門電聯(lián)程序、統(tǒng)一讀取USB模塊數(shù)據(jù)程序。結(jié)合光耦、繼電器、降壓電路等硬件設(shè)備，通過(guò)電路功能設(shè)計(jì)、排版、制版和調(diào)試，最終完成電路模塊的制作(如圖5所示)。

圖5 電路模塊圖

4 應(yīng)用案例

在最終完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)和組裝工作后，整個(gè)傾斜攝影平臺(tái)重量控制在1.8 kg，體積為23cm*23cm*12cm，適合小型無(wú)人機(jī)搭載(如圖6所示)。

圖6 傾斜攝影平臺(tái)外觀圖

圖7 傾斜攝影平臺(tái)作業(yè)圖

圖8 平臺(tái)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)三維建模成果

將此傾斜攝影平臺(tái)掛置到多旋翼無(wú)人機(jī)中進(jìn)行試拍(如圖7所示)，總共飛行 30 min，獲取影像 3 000張。在此飛行期間，平臺(tái)工作正常，相機(jī)拍攝照片質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)傳輸速率較快，獲取的數(shù)據(jù)滿足三維建模要求(如圖8所示)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究成果主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了攝影系統(tǒng)的體積最小化，從材料優(yōu)選方面實(shí)現(xiàn)了攝影系統(tǒng)的重量最輕化，從相機(jī)位置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了較好效果的傾斜攝影，從掛載組件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了本攝影系統(tǒng)靈活的掛載方式，從控制電路設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了電源控制器的電聯(lián)及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一讀取方式。通過(guò)本項(xiàng)目的研究實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)應(yīng)用的傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)，讓傾斜攝影擺脫一直以來(lái)的大型設(shè)備和大型飛機(jī)的約束，可以更加方便和精細(xì)地進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)傾斜攝影技術(shù)的推廣有著重要意義。