本發(fā)明涉及一種基于多旋翼無人機的多角度地表光譜自動測量系統(tǒng)及方法，用于遙感器場地定標及真實性檢驗等的野外地物光譜自動化快速測量。

背景技術：

長期以來，進行衛(wèi)星傳感器野外星地同步定標時，定標場的地物光譜測量都是采用人工背負光譜測量儀器跑場測量的方式，這種方式不僅測量時間較長，而且勞動強度較大。而衛(wèi)星過境時間極短，只有在盡可能短的時間內完成整個場地的測量，才能真正實現“星地同步”。為提高場地光譜測量效率，本發(fā)明將光譜測量儀搭載在旋翼無人機上進行場地反射特性的測量。

近年來，隨著無人機技術飛速發(fā)展，多旋翼無人機廣泛應用于航空攝影、測繪遙感、電力巡檢、空中檢測、石油管道巡檢、空中護林、空中安防、噴灑農藥等領域。多旋翼無人機具有航線和航點規(guī)劃和自主飛行、航點自動懸停、航點自動拍照等功能，將這些技術有效應用于地物光譜測量，可以實現地物光譜的全自動化的測量，極大地提高了光譜測量效率。

同時，根據光譜測量自身特點要求，設計了光譜測量云臺，主要實現兩種功能：一是保證光譜儀光纖探頭在測量過程中始終垂直向下；二是將小型測量參考板集成到云臺上，使參考板始終保持水平，并根據需要隨時控制參考板移動到光譜儀光纖探頭下，進行參考板測量。

技術實現要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于多旋翼無人機的多角度地表光譜自動測量系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術解決方案是：

一種基于無人機的多角度地表光譜自動測量系統(tǒng)，包括：無人機、光譜云臺、光譜儀、gps和觸發(fā)裝置；無人機又包括飛控系統(tǒng)；

光譜儀固定安裝在無人機底部，光譜云臺安裝在光譜儀側面，用于保證無人機飛行過程中光纖探頭始終豎直向下或者與豎直方向保持固定夾角；觸發(fā)裝置安裝在光譜儀的測量開關上，根據飛控系統(tǒng)的指令，觸發(fā)裝置對測量開關進行觸發(fā)，令光譜儀工作；gps裝在無人機上，用于無人機的定位和導航。

所述光譜云臺包括翻滾控制舵機、俯仰控制舵機、白板控制舵機、姿態(tài)傳感器、白板、光纖插孔、安裝架、第一連接件、第二連接件和第三連接件；

安裝架的頂部固定在光譜儀側面上，安裝架的底部懸空，翻滾控制舵機安裝在安裝架的底部，俯仰控制舵機通過第一連接件與翻滾控制舵機連接，白板控制舵機安裝在第二連接件的一端，姿態(tài)傳感器和光纖插孔安裝在第二連接件的另一端，第二連接件的中間部位與俯仰控制舵機連接在一起，白板控制舵機通過第三連接件與白板連接；光譜儀上引出的光纖探頭固定在光纖插孔上，用于測量地表光譜；光纖插孔可在第二連接件上進行測量角度調整。

翻滾控制舵機用于控制光纖探頭在垂直于無人機飛行方向的平面上的姿態(tài)；俯仰控制舵機用于控制光纖探頭在無人機飛行方向上的俯仰姿態(tài)；白板控制舵機用于控制白板位于光纖探頭下方或者與光纖探頭位置錯開；姿態(tài)傳感器用于測量實時姿態(tài)。

所述光纖探頭實現0-360度方位角和0-60度觀測角的方向性測量。

所述光纖探頭實現0-360度方位角和0-60度觀測角的方向性測量，具體為：

(a)計算飛行懸停航點：將方位角0-360按預設角度間隔進行均勻劃分，將觀測角度0-60度按預設角度間隔進行均勻劃分，給定測量原點的經緯度坐標，根據飛行高度、測量角度，計算圍繞測量原點360度方位角的各測量點的經緯度坐標；

(b)規(guī)劃無人機的飛行路線并進行測量：無人機在設定高度從測量原點飛到方位角的某測量點的坐標位置進行懸停測量，然后返回測量原點，接著飛向下一個方位角的測量點進行測量，然后返回測量原點，依此類推，直到測量完方位角上的所有測量點；

(c)當無人機飛行結束之后，完成0-360度方位角和0-60度觀測角的方向性測量。

一種基于地表光譜自動測量系統(tǒng)實現的場地地表光譜自動測量方法，步驟如下：

(1)安裝無人機：將無人機由折疊狀態(tài)變?yōu)樯煺範顟B(tài)，擰緊支腿螺絲和機臂螺絲，安裝槳片，對無人機進行磁力線校正；

(2)將光譜儀安裝在無人機上，并且將觸發(fā)裝置和光譜云臺固定在光譜儀上；

(3)將觸發(fā)裝置、姿態(tài)傳感器、翻滾控制舵機(1)、俯仰控制舵機(2)、白板控制舵機(3)與無人機飛控系統(tǒng)連接；

(4)規(guī)劃無人機的飛行路線、飛行懸停航點以及白板測量航點，上傳到飛控系統(tǒng)中；

(5)令無人機起飛，調整無人機姿態(tài)，令白板(5)被太陽照射，不被遮擋，之后令無人機按照設定飛行路線開始自主飛行；

(6)無人機飛行過程中，飛控系統(tǒng)根據姿態(tài)傳感器采集的實時姿態(tài)信息，控制翻滾控制舵機(1)和俯仰控制舵機(2)，使得光纖探頭始終豎直向下或者與豎直方向保持固定角度；

(7)在飛行懸停航點的位置，無人機懸停，飛控系統(tǒng)控制觸發(fā)裝置進行觸發(fā)，令光譜儀工作，采集和存儲地表光譜數據；

(8)在白板測量航點位置，無人機懸停，飛控系統(tǒng)通過白板控制舵機(3)對白板位置進行調整，令白板(5)移動到光纖探頭下方，光譜儀測量白板的反射光譜；

(9)當無人機飛行結束之后，完成地表光譜的自動測量。

本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是：

(1)極大提高了光譜測量精度。與手動測量相比，利用旋翼無人機光譜測量系統(tǒng)測量的光譜曲線一致性更好，變異系數在1％以內，而手動測量數據變異系數超過了2％。

(2)大大提高了光譜測量效率。測量400米*400米場地的光譜數據，人工測量需要約1.5個小時，而利用無人機測量僅需要20分鐘，測量效率大大提高。

(3)多角度光譜測量提高了衛(wèi)星輻射定標精度。通過該系統(tǒng)對場地不同方位角和天頂角的方向性光譜測量，構建了場地多角度光譜測量模型，全面闡述了方向性測量隨太陽高度角和方位角的變化規(guī)律。將該模型應用于衛(wèi)星觀測方位角和天頂角的校正，提高了衛(wèi)星輻射定標精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明云臺結構俯視示意圖。

圖3為本發(fā)明云臺結構側視示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行進一步的詳細描述。

為提高場地光譜測量效率和測量精度，本發(fā)明將光譜測量儀搭載在旋翼無人機上進行場地反射特性的測量，并設計了光譜測量云臺，使無人機在任何飛行姿態(tài)下都能保持測量光纖豎直向下或與豎直向下保持特定角度。本發(fā)明克服了以往采用人工背負光譜測量儀器跑場測量效率低、測量精度較差的缺點，實現了衛(wèi)星傳感器野外星地同步定標的場地光譜的高效測量。

如圖1所示，本發(fā)明提出的一種基于無人機的多角度地表光譜自動測量系統(tǒng)，包括：無人機、光譜云臺、光譜儀、gps和觸發(fā)裝置；無人機又包括飛控系統(tǒng)；

光譜儀固定安裝在無人機底部，光譜云臺安裝在光譜儀側面，用于保證無人機飛行過程中光纖探頭始終豎直向下或者與豎直方向保持固定夾角；觸發(fā)裝置安裝在光譜儀的測量開關上，根據飛控系統(tǒng)的指令，觸發(fā)裝置對測量開關進行觸發(fā)，令光譜儀工作；gps裝在無人機上，用于無人機的定位和導航。

如圖2、3所示，光譜云臺包括翻滾控制舵機1、俯仰控制舵機2、白板控制舵機3、姿態(tài)傳感器4、白板5、光纖插孔6、安裝架7、第一連接件8、第二連接件9和第三連接件10；

安裝架7的頂部固定在光譜儀側面上，安裝架7的底部懸空，翻滾控制舵機1安裝在安裝架7的底部，俯仰控制舵機2通過第一連接件8與翻滾控制舵機1連接，白板控制舵機3安裝在第二連接件9的一端，姿態(tài)傳感器4和光纖插孔6安裝在第二連接件9的另一端，第二連接件9的中間部位與俯仰控制舵機2連接在一起，白板控制舵機3通過第三連接件10與白板5連接；光譜儀上引出的光纖探頭固定在光纖插孔6上，用于測量地表光譜；

翻滾控制舵機1用于控制光纖探頭在垂直于無人機飛行方向的平面上的姿態(tài)；俯仰控制舵機2用于控制光纖探頭在無人機飛行方向上的俯仰姿態(tài)；白板控制舵機3用于控制白板5位于光纖探頭下方或者與光纖探頭位置錯開；姿態(tài)傳感器4用于測量實時姿態(tài)。

所述光纖探頭實現0-360度方位角和0-60度觀測角的方向性測量。具體為：

(1)安裝無人機：將無人機由折疊狀態(tài)變?yōu)樯煺範顟B(tài)，擰緊支腿螺絲和機臂螺絲，安裝槳片，對無人機進行磁力線校正；

(2)將光譜儀安裝在無人機上，并且將觸發(fā)裝置和光譜云臺固定在光譜儀上，連接好光譜探頭；

(3)將觸發(fā)裝置、姿態(tài)傳感器、翻滾控制舵機1、俯仰控制舵機2、白板控制舵機3與無人機飛控系統(tǒng)連接；

(4)計算飛行懸停航點。將方位角0-360按一定角度間隔(如30度)進行劃分，將觀測角度0-60度按一定角度間隔(如10度)進行劃分。給定測量原點的經緯度坐標，根據飛行高度、測量角度，計算圍繞測量原點360度方位角的各測量點的經緯度坐標。

(5)規(guī)劃無人機的飛行路線并進行測量。無人機在設定高度從測量原點飛到方位角的某測量點的坐標位置進行懸停測量，然后返回測量原點，接著飛向下一個方位角的測量點進行測量，然后返回測量原點，依此類推，直到測量完方位角上的所有測量點。這樣通過無人機飛行方向的指向實現了方位角的精確定位，而觀測角度通過手動調整光纖插孔6與豎直向下的角度實現。

(6)當無人機飛行結束之后，完成了通過光纖探頭實現的0-360度方位角和0-60度觀測角的方向性測量。

基于上述測量系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種場地地表光譜自動測量方法和一種定點多角度光譜測量方法。

一種場地地表光譜自動測量方法，步驟如下：

(1)安裝無人機：將無人機由折疊狀態(tài)變?yōu)樯煺範顟B(tài)，擰緊支腿螺絲和機臂螺絲，安裝槳片，對無人機進行磁力線校正；

(2)將光譜儀安裝在無人機上，并且將觸發(fā)裝置和光譜云臺固定在光譜儀上。將光譜儀安裝在無人機底部，通過四個螺釘將光譜儀固定到無人機上。安裝無人機電池組。將光譜儀云臺安裝到光譜儀側面。

(3)將觸發(fā)裝置、姿態(tài)傳感器、翻滾控制舵機(1)、俯仰控制舵機(2)、白板控制舵機(3)與無人機飛控系統(tǒng)連接；

(4)規(guī)劃無人機的飛行路線、飛行懸停航點以及白板測量航點，上傳到飛控系統(tǒng)中。

(5)令無人機起飛，調整無人機姿態(tài)，令白板(5)被太陽照射，不被遮擋，之后令無人機按照設定飛行路線開始自主飛行；

(6)無人機飛行過程中，飛控系統(tǒng)根據姿態(tài)傳感器采集的實時姿態(tài)信息，控制翻滾控制舵機(1)和俯仰控制舵機(2)，使得光纖探頭始終豎直向下或者與豎直方向保持固定角度；

(7)在飛行懸停航點的位置，無人機懸停，飛控系統(tǒng)控制觸發(fā)裝置進行觸發(fā)，令光譜儀工作，采集和存儲地表光譜數據；

(8)在白板測量航點位置，無人機懸停，飛控系統(tǒng)通過白板控制舵機(3)對白板位置進行調整，令白板(5)移動到光纖探頭下方，光譜儀測量白板的反射光譜；

(9)當無人機飛行結束之后，完成地表光譜的自動測量。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員的公知技術。