一種基于無人機(jī)平臺(tái)的3相機(jī)航空三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及航空攝影技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化控制技術(shù)，具體屬于將電子信息和自動(dòng)化技術(shù)與數(shù)字傾斜航空攝影測(cè)量相結(jié)合，應(yīng)運(yùn)而生的全方位地表建筑物三維紋理信息采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著三維數(shù)字城市應(yīng)用需求的發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)作為目前一種主流的建筑物側(cè)面紋理信息數(shù)據(jù)采集方式，廣泛應(yīng)用于城市三維建模中。但目前的傾斜攝影方式主要還是依賴有人駕駛的飛機(jī)搭載高達(dá)數(shù)十公斤的載荷來完成空中三維數(shù)據(jù)采集，這樣龐大的系統(tǒng)造價(jià)動(dòng)輒上百萬元以上，每次數(shù)據(jù)獲取的飛行成本也非常昂貴，制約了數(shù)字三維城市實(shí)景建模的推廣應(yīng)用，主要用于大面積的城市三維建模和規(guī)劃。而高分辨率的小面積甚至單體建筑物的三維數(shù)據(jù)采集方面，這種龐大的系統(tǒng)顯然不太適合。近年來無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用曰趨成熟，用無人機(jī)平臺(tái)搭載傾斜攝影載荷來獲取三維數(shù)據(jù)成為可能，但目前的無人機(jī)特別是電動(dòng)旋翼無人機(jī)普遍載重較小，無法搭載質(zhì)量較重的5鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，本實(shí)用新型基于無人機(jī)平臺(tái)的3相機(jī)航空三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是為了解決平臺(tái)與載荷不匹配問題，而提出的一種低成本、高效快捷的航空三維數(shù)據(jù)采集解決方案。3相機(jī)加固定云臺(tái)能把載荷系統(tǒng)總重量控制在2kg以下，相機(jī)擺動(dòng)曝光模式能夠一次獲取地物五個(gè)視角的影像數(shù)據(jù)，從而全方位多個(gè)角度采集地物三維數(shù)據(jù)，更加真實(shí)地反映地物實(shí)際情況。
[0003]本實(shí)用新型采用的技術(shù)主要有以下幾種:
[0004]1、傾斜攝影技術(shù)
[0005]傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界。
[0006]2、無人機(jī)遙感技術(shù)
[0007]無人機(jī)遙感(UnmannedAerial Vehicle Remote Sensing)，既是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、專用化快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。無人機(jī)遙感系統(tǒng)由于具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題，現(xiàn)已逐步從研究開發(fā)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，成為未來的主要航空遙感技術(shù)之一。
[0008]3、單片機(jī)技術(shù)
[0009]MSP430系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗(WDT)、模擬比較器 A、定時(shí)器 A0(Timer_A0)、定時(shí)器 Al(Timer_Al)、定時(shí)器 B0(Timer_B0)、UART、SP1、12C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、1位/12位ADC、16位Σ - Δ ADC、DMA、I /0端口、基本定時(shí)器(Basic Timer)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。
[0010]本實(shí)用新型的控制單元采用TIMSP430H49單片機(jī)的上述部分片內(nèi)外設(shè)功能并編寫控制程序，為系統(tǒng)的舵機(jī)帶動(dòng)相機(jī)擺動(dòng)和相機(jī)快門的同步、異步觸發(fā)控制提供了良好的解決方案。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型涉及的一種基于無人機(jī)平臺(tái)的3相機(jī)航空三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決了目前市面上國(guó)內(nèi)外廠商生產(chǎn)的成熟傾斜攝影相機(jī)普遍存在的價(jià)格較貴、質(zhì)量較重，無法用于無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行低成本三維數(shù)據(jù)獲取的問題。同時(shí)設(shè)計(jì)的相機(jī)擺動(dòng)曝光方式可以通過3臺(tái)傳感器獲取5個(gè)視角的影像來采集三維數(shù)據(jù)，這種獨(dú)特設(shè)計(jì)既保留了有人駕駛飛機(jī)平臺(tái)的載荷(五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng))一次性多視角全方位觀察地物的優(yōu)勢(shì)，又?jǐn)[脫了其造價(jià)昂貴、笨重?zé)o法適應(yīng)無人機(jī)平臺(tái)的缺點(diǎn)。
[0012]本實(shí)用新型的特點(diǎn)是用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)中間下視相機(jī)前后擺動(dòng)延時(shí)曝光的方式，獲取前后視角的影像，代替了傳統(tǒng)傾斜攝影的前后視角相機(jī)或鏡頭，大大減輕了系統(tǒng)的重量和造價(jià)成本，使系統(tǒng)更適應(yīng)無人機(jī)平臺(tái)載荷輕便的特點(diǎn)。
[0013]本實(shí)用新型的技術(shù)方案為3臺(tái)相機(jī)充當(dāng)航空三維數(shù)據(jù)采集的5個(gè)視角，其中前視、后視、下視三個(gè)視角的數(shù)據(jù)采集由單片機(jī)和舵機(jī)以及數(shù)據(jù)通信連接線纜組成的控制單元控制中間下視相機(jī)前后方向35度的擺動(dòng)和曝光來完成。左右視角的數(shù)據(jù)由固定安裝在云臺(tái)兩側(cè)的左視相機(jī)和右視相機(jī)來采集，左視相機(jī)與右視相機(jī)分別以與垂直向下方向成35度角安裝在云臺(tái)兩側(cè)。本實(shí)用新型的系統(tǒng)組成有三大部分:3臺(tái)用于數(shù)據(jù)采集的相機(jī)、控制單元、固定云臺(tái)。其中數(shù)據(jù)采集裝置由3臺(tái)相機(jī)以工字型安裝在固定云臺(tái)上，中間下視相機(jī)可前后擺動(dòng)，默認(rèn)位置垂直向下；控制單元是本實(shí)用新型的中樞核心，由“電源模塊”、“處理器”、“多相機(jī)快門控制模塊”和“舵機(jī)”四部分組成，通過程序化的方式控制著采集裝置按預(yù)先設(shè)定的方法進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集;3臺(tái)相機(jī)都安裝有數(shù)據(jù)通信線纜，數(shù)據(jù)通信線纜與控制單元的單片機(jī)相連，由單片機(jī)通過數(shù)據(jù)通信線纜向相機(jī)發(fā)出曝光信號(hào)控制相機(jī)曝光；固定云臺(tái)是本實(shí)用新型的核心硬件載體，用于安裝固定采集裝置和控制單元，以及與飛機(jī)平臺(tái)進(jìn)行剛性固定連接。
[0014]優(yōu)選的是相機(jī)均采用質(zhì)量低于300g，單相機(jī)有效像素超過2400萬的高性能微單數(shù)碼相機(jī)，配備20mm焦距的定焦鏡頭，嚴(yán)格控制云臺(tái)和控制單元的重量，保證了整個(gè)系統(tǒng)總重量不超過2kg，更加適用于無人機(jī)平臺(tái)，特別是多旋翼無人機(jī)。
[0015]優(yōu)選的是固定在云臺(tái)兩側(cè)的相機(jī)均以與豎直向下方向35度的夾角安裝，這樣的安裝方式是根據(jù)相機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算出來的最佳數(shù)據(jù)采集方式，既考慮了三維數(shù)據(jù)采集的高效性，又保證了兩側(cè)相機(jī)與中間下視相機(jī)的重疊度，保證