簡(jiǎn)易無人機(jī)測(cè)繪攝像架模型設(shè)計(jì)

張楨宇 王曉東 陳宏鑫

摘要：基于五攝像頭式傾斜攝影技術(shù)設(shè)計(jì)了一款新型低成本的無人機(jī)測(cè)繪攝像架模型。模型由通用PLA塑料通過3D打印技術(shù)制作，包括了與無人機(jī)連接的固定支架、放置設(shè)備的設(shè)備層和保護(hù)攝像頭的外殼，整個(gè)設(shè)計(jì)低廉簡(jiǎn)便，穩(wěn)固實(shí)用性也較好。

關(guān)鍵詞：3D打印;傾斜攝影;無人機(jī)測(cè)繪;支架設(shè)計(jì)

0.引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用無人機(jī)進(jìn)行各種航拍應(yīng)用廣泛。其中，無人機(jī)測(cè)繪是一種利用傾斜攝影技術(shù)可快速實(shí)現(xiàn)景象還原建立三維模型的無人航拍方式，對(duì)地形地貌的勘測(cè)、城市園林模型的建設(shè)乃至軍事上都有巨大的作用[1-2]。但是，由于無人機(jī)測(cè)繪攝像專業(yè)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且技術(shù)門檻較高，市場(chǎng)上可利用的廉價(jià)無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)資源較少，這限制無人機(jī)測(cè)繪的推廣。針對(duì)這一問題，本文以低成本為核心設(shè)計(jì)一種新型的無人機(jī)測(cè)繪攝像架模型。

1.設(shè)備選型

在攝像設(shè)備選型上，目前市面上存在的傾斜攝像頭有三目，五目，以及五目以上幾個(gè)大類，其中，五目攝像頭即一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜布置格局的攝像頭為主流。綜合考慮了成本以及實(shí)現(xiàn)難度，本文最終選擇了五目攝像頭作為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。經(jīng)比較，選擇了OV2710攝像頭來進(jìn)行圖像的采集。該款設(shè)備專門用于1080P視頻記錄的高端CMOS，能提供1920x1080像素的高質(zhì)量圖像，并擁有145°的視場(chǎng)角。可將選取的五個(gè)攝像頭中的四個(gè)做傾斜放置，傾斜角為45度，一個(gè)做垂直放置于中央，即可達(dá)成測(cè)繪圖像采集基本需求。

2.支架設(shè)計(jì)

2.1 整體外形設(shè)計(jì)

為了降低設(shè)備成本，將十分成熟的FDM熔融層積成型3D打印技術(shù)引入到支架構(gòu)建中。在外形上參考了一些市場(chǎng)主流產(chǎn)品的構(gòu)型方案后，本設(shè)計(jì)使用Fusion360軟件來進(jìn)行3D建模與模擬裝配。在3D打印的耗材上選擇了PLA塑料。這主要是基于PLA是最為常見的打印材料之一，具有價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、輕便可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以降解，更加環(huán)保。

所設(shè)計(jì)的整體支架外結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 支架分體設(shè)計(jì)

本攝像頭支架可拆解為三個(gè)分體，自上而下分別為：對(duì)接層、設(shè)備層以及保護(hù)外殼，如圖2所示（1-保護(hù)外殼;2-OV2710攝像頭組件;3-設(shè)備層;4-樹莓派hub;5-樹莓派板;6-對(duì)接層）。

1）支架對(duì)接層的作用是提供一個(gè)平臺(tái)，便于與無人機(jī)上的對(duì)接裝置進(jìn)行對(duì)接，使整個(gè)設(shè)備能夠固定在無人機(jī)的下部，同時(shí)在另一面提供一個(gè)放置開發(fā)板以及轉(zhuǎn)接設(shè)備的空間，其長(zhǎng)寬均為136mm。其上設(shè)有三個(gè)長(zhǎng)58mm，寬2.7mm，一個(gè)長(zhǎng)51.5mm，寬7.5mm的開口，長(zhǎng)度與樹莓派USB轉(zhuǎn)接設(shè)備尺寸相當(dāng)，用于將二者固定。

2）設(shè)備層為攝像頭提供了放置的空間，其上設(shè)有4個(gè)梯形支架，用于放置4個(gè)OV2710攝像頭。四個(gè)支架均采用鏤空設(shè)計(jì)，縮減了打印用料，在減少制造成本的同時(shí)，減輕了整體的重量。在每個(gè)支架下方，攝像頭接口對(duì)應(yīng)處，設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)24.8mm的開口，用于走線。

3）最下方的保護(hù)外殼起到對(duì)攝像頭的保護(hù)與固定的作用，其整體厚度為3mm。外殼上設(shè)有5個(gè)鏡頭開口，所有鏡頭開口都高于鏡頭本身，能在受到撞擊時(shí)保護(hù)鏡頭不會(huì)受損。

最終打印件成品重量?jī)H為271±10g左右。

2.3 設(shè)備層線路設(shè)計(jì)

設(shè)備層包含：樹莓派主控、USB HUB HAT、五塊OV2710攝像頭模塊、5條4Pin轉(zhuǎn)USB（A）數(shù)據(jù)線、一條USB（A）轉(zhuǎn)USB（Micro B）數(shù)據(jù)線、一條USB轉(zhuǎn)Type-C電源線。作為攝像機(jī)的核心部分，其大小直接影響到攝像機(jī)外殼的大小，考慮到飛行器掛載時(shí)的負(fù)重、空氣流動(dòng)，需要盡量縮小設(shè)備、線路所占用的空間，縮小攝像機(jī)的體積，設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段市面的傾斜攝影相機(jī)價(jià)格大約都在萬元以上，而本產(chǎn)品各模塊成本可以控制在1800元以內(nèi)，若OV2710驅(qū)動(dòng)模塊重新設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步降低成本。

2.4 通信機(jī)制設(shè)計(jì)

通信包括：樹莓派與上位機(jī)、樹莓派與OV2710攝像頭的雙向通信。

1. 樹莓派與上位機(jī)通信

該通信采用Secure Shell實(shí)現(xiàn)。SSH是基于應(yīng)用層的安全協(xié)議，提供可靠、安全的遠(yuǎn)程注冊(cè)和其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的協(xié)議。使用SSH協(xié)議，可以有效防止遠(yuǎn)程管理過程中的信息泄露問題。

2. 樹莓派與OV2710攝像頭模塊的通信。

該通信通過通用串行總線USB2.0實(shí)現(xiàn)。由于樹莓派僅提供了2個(gè)USB2.0接口，本文采用USB HUB HAT作為交換機(jī)提供了四個(gè)USB接口擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)多攝像頭接入。

3.模型建立

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

影響無人機(jī)航飛效果的主要因素有航線、相對(duì)航高、重疊度等，實(shí)施航空攝影前需充分考慮這些因素，數(shù)據(jù)采集前應(yīng)當(dāng)對(duì)無人機(jī)平臺(tái)設(shè)置合理的參數(shù)以保證影像質(zhì)量[3]。

參數(shù)設(shè)定后，分別從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)五個(gè)不同的方向和角度采集影像數(shù)據(jù)，以獲取全方位的地物紋理信息。導(dǎo)出5組鏡頭分別對(duì)應(yīng)5組影像和位置數(shù)據(jù)，對(duì)影像名稱和該影像所對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進(jìn)行預(yù)處理，保證數(shù)據(jù)格式的正確性以及資料的完整性。

3.2 定位算法

本模型支架攝像頭支持空中三角測(cè)量算法。

空中三角測(cè)量學(xué)是取得和實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段之一，也是國土資源管理、基礎(chǔ)測(cè)量等相關(guān)于數(shù)據(jù)的來源，在我國的基礎(chǔ)測(cè)量及其他領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用?？罩腥菧y(cè)量的目的是為測(cè)繪地形圖提供定向控制點(diǎn)和像片定向參數(shù)，需要以地面基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)，通過航空器（在最新的技術(shù)中還使用了GPS衛(wèi)星）、地面基準(zhǔn)站的方位坐標(biāo)，定義地面目標(biāo)的絕對(duì)定位參數(shù)。

空中三角測(cè)量常用的解析方法有三種：航帶法、獨(dú)立模型法、光束法。

3.3 建模軟件選取

測(cè)繪實(shí)現(xiàn)選用Context Capture作為建模軟件。該軟件集成有3.2算法，可以從簡(jiǎn)單的照片生成高分辨率的實(shí)際三維模型。Context Capture基本上沒有對(duì)攝影者的限制要求，數(shù)據(jù)處理的過程也有著高伸縮性和高效率性。整個(gè)處理過程也不需要人工干涉，通?？梢栽趲追昼姷綆讉€(gè)小時(shí)之間進(jìn)行。

為了進(jìn)一步提高精度，在重建項(xiàng)目選擇3D模型。進(jìn)入空間框架后，選擇切塊為規(guī)則平面網(wǎng)格切塊，將瓦片大小改為500米，新生產(chǎn)項(xiàng)目選擇3D網(wǎng)格，格式為：3MX、空間參考坐標(biāo)系統(tǒng)WGS 84/UTM zone 49（EPSG：32649），則得到較好的輸出結(jié)果。

4.結(jié)論

在智慧城市和數(shù)字城市建設(shè)中，需要基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)景三維模型生成。本文針對(duì)傾斜攝像設(shè)備價(jià)格昂貴、技術(shù)復(fù)雜的問題設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易無人機(jī)測(cè)繪攝像架模型。模型利用FDM 3D打印技術(shù)，結(jié)合了自主開發(fā)的傾斜攝像頭測(cè)繪系統(tǒng)，大大降低無人機(jī)測(cè)繪攝像硬件的成本。

參考文獻(xiàn)：

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廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（NO.262）。

作者簡(jiǎn)介：張楨宇（2001-），廣東深圳人，電子信息工程專業(yè)本科生;

王曉東（1974-），通信作者，陜西西安人，智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，副教授。

陳宏鑫（2001-），福建泉州人，電子信息工程專業(yè)本科生。

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 福建 漳州 363105