一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法與流程
2024-01-23 03:49:15 1
本發明涉及一種採集高清路面圖像的航空攝影方法，尤其涉及一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法，屬於航空攝影領域。
背景技術：
隨著我國高速公路事業的蓬勃發展，道路運營裡程飛速增長，人們對於獲取道路信息的需求日益增加。以固定翼無人機為平臺的空基路面信息採集系統相比傳統車載路面信息採集系統成本低、採樣範圍大、效率高、使用方便且不影響交通，從而有較好的應用前景。近年來，固定翼無人機航攝已經應用在了包括地圖測繪、電力巡線和災害應急在內的多個領域。固定翼無人機航攝的基本方式是將數位相機搭載在無人機上，讓無人機沿著預設航跡自動飛行，通過控制系統來管理相機的拍攝任務。然而，針對無人機平臺的特點，採集路面圖像的實施過程中仍存在任務規劃困難、相機標定方法複雜、成像質量不高等問題，從而使空基航攝具體實施起來困難多、耗時長、成本高。
技術實現要素：
本發明公開的一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法，要解決的技術問題是提供一種採集高清路面圖像的航空攝影方法，具有實施簡便、效率高、成本低、成像質量高的優點。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
本發明公開的一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法，包括如下步驟：
步驟1：拍攝控制與補償。
基於拍攝保障系統實現拍攝控制與補償，所述的拍攝保障系統包括拍攝設備、航攝控制器、雲臺和自駕儀。
所述的步驟1具體實現方法為：
步驟1.1：通過航攝控制器給出拍攝設備拍攝信號，控制拍攝設備開拍、連拍和停拍，並記錄拍攝設備的執行情況以及相片信息。航攝控制器通過快門線發送形式為pwm波的快門釋放控制信號來控制拍攝設備連續拍攝，且控制信號的「開始/停止」由自駕儀控制。
步驟1.2：通過雲臺為拍攝設備提供較為穩定的拍攝條件，補償因固定翼無人機在飛行過程中姿態產生變化而引起的幹擾。為拍攝設備裝配合適的舵機雲臺，自駕儀根據自身的姿態信息控制舵機轉動，補償固定翼無人機飛行過程中姿態變化以消除對於拍攝設備拍攝角度的幹擾。
步驟2：計算圖像橫向視場長度，根據道路模型設定視場長度閾值，若長度滿足視場長度閾值則執行單航線航攝任務，否則執行多航線航攝任務。
所述的道路模型為dn+10，d為單條車道寬度，n為目標道路的車道數。
步驟2具體實現方法如下：
步驟2.1：計算圖像橫向視場長度；
根據圖像橫向解析度m，像素密度ρ(點/cm)和圖像橫縱比k，計算圖像橫向視場長度a(m)和圖像縱向視場長度b(m)，計算公式如下：
步驟2.2：根據道路模型設定視場長度閾值，若長度滿足視場長度閾值則執行單航線航攝任務，否則執行多航線航攝任務。
步驟2.2具體實現方法為：
步驟2.2.1：若a≥dn+10，d為單條車道寬度，n為目標道路的車道數。則採集單航線備選航跡點，即沿著目標道路中間車道採集位置點作為單條航線的備選航跡點。
步驟2.2.2：若a<dn+10，則採集多航線備選航跡點。選取適當的車道數s，使a≥3.75s+10成立，將每s條車道作為單條航線的目標道路。沿著每條航線目標道路的中間車道採集位置點作為每條航線的備選航跡點。
步驟3：規劃無人機飛行航線信息，預設航攝任務航線。
步驟3.1：採集目標道路的位置點，將位置點進行篩選後，作為固定翼無人機飛行的航跡點。
所述的採集目標道路的位置點優選gps或北鬥實現。
步驟3.2：計算固定翼無人機的飛行高度，並將計算的固定翼無人機的飛行高度與預設閾值進行比較判斷，若超出預設閾值範圍則調整鏡頭焦距並重新計算。
步驟3.2中計算固定翼無人機的飛行高度具體計算方法如下：
根據圖像橫向視場長度a(m)，拍攝設備攝像角θ1(deg)，雲臺精度θ2(deg)和無人機飛行高度誤差e(m)計算固定翼無人機的飛行高度h，計算公式如下:
步驟3.3：計算固定翼無人機的飛行速度，並將計算的固定翼無人機的飛行速度與預設閾值進行比較判斷，若超出預設閾值範圍則改變拍攝設備的拍攝頻率並重新計算。
步驟3.3中計算固定翼無人機的飛行速度具體計算公式如下：
其中，α為圖像重合度(％)；a、b分別為圖像橫、縱視場長度(m)；h為無人機飛行高度(m)；e為無人機飛行高度誤差(m)；θ1為拍攝設備攝像角(deg)；θ2為拍攝設備雲臺精度(deg)；c為無人機偏航距離(m)；v2為拍攝設備連拍頻率(hz)，首次計算取拍攝設備的最大連拍頻率。
步驟3.4：上傳航跡點到自駕儀並設置相應的飛行高度和飛行速度，生成任務航跡。若有多條航跡，還需要為其添加若干「過渡航跡」連接相鄰兩條航跡，「過渡航跡」的轉彎半徑不小於預設的無人機最小轉彎半徑，且平滑地與兩條航跡相接。
步驟4：拍攝設備的設置，包括數位相機和配套鏡頭設置。
步驟4.1：設置數位相機。根據任務需求靈活設置數位相機，將相機的內部設定調整為適合航空攝影的狀態。將設置內容保存，每次任務前重新載入即能夠避免重複檢查。
步驟4.2：設置配套鏡頭。出於安全考慮，航空攝影固定翼無人機高度不宜過低，而且固定翼無人機的飛行高度也會存在波動，因此將普通數位相機鏡頭對焦在「無窮遠」處。
步驟5：固定翼無人機按照預設航跡飛行，自駕儀控制雲臺轉動為拍攝設備提供較為穩定的拍攝條件；自駕儀給航攝控制器發出拍攝開始信號，而後航攝控制器控制拍攝設備連續拍攝以採集路面圖像信息。
有益效果：
本發明公開的一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法，僅需要從任務要求、拍攝裝置、飛行平臺等方面出發，結合道路模型、圖像橫向視場長度計算方法、飛行高度計算方法和飛行速度計算方法，能夠規劃出獲得高質量航攝高清路面圖像的飛行航線，再加上飛行過程中的航攝控制，給出用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法。因此，本發明易於操作、效率高，充分滿足現下用固定翼無人機獲得高清路面圖像的需求，便於對路面情況進行分析，以此進行高效地管理和檢修。
附圖說明
圖1為拍攝保障系統示意圖；
圖2為本發明公開的一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法流程圖；
圖3為過渡航跡示意圖；
圖4為拍攝鏡頭定焦方法示意圖；
圖5為解析度標靶清晰度對比圖；其中：圖5(a)為鏡頭對焦嚴重偏離「無窮遠」處時所拍攝的解析度標靶，圖5(b)為鏡頭對焦輕微偏離「無窮遠」處時所拍攝的解析度標靶，圖5(c)為鏡頭對焦在「無窮遠」處時所拍攝的解析度標靶。
圖6為採用本方法拍攝出的高清實例圖。
具體實施方式
為驗證本發明公開的一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法的可行性和有益效果，下面在本發明實施例中將對技術方案進行清楚、完整地描述。
實施例1：
如圖2所示，本實施例公開的一種用於固定翼無人機採集高清路面圖像的航空攝影方法，包括如下步驟：
步驟1：基於拍攝保障系統實現拍攝控制與補償。
所述的拍攝保障系統為拍攝設備提供雲臺和控制手段，包括拍攝設備、航攝控制器、雲臺和自駕儀，如圖1所示。
步驟1.1：選用單片機開發板作為航攝控制器，通過快門線發送形式為pwm波的快門釋放信號來控制拍攝設備的拍攝。拍攝設備連拍的頻率可以修改，且航攝控制器信號「開始/停止」由自駕儀控制。航攝控制器在給拍攝設備連續發送拍攝指令的同時，記錄下拍攝時間、姿態信息等，並通過拍攝設備熱靴反饋拍攝設備是否拍攝成功。
步驟1.2：為拍攝設備裝配合適的舵機雲臺，自駕儀可根據自身的姿態信息控制舵機轉動，以此來控制雲臺補償固定翼無人機飛行過程中姿態變化對於拍攝設備拍攝角度的幹擾。
步驟1.3：用測角儀測量拍攝設備的姿態，通過修改自駕儀控制雲臺轉動角度與發出pwm信號之間的關係，提高雲臺對拍攝設備姿態補償的準確度。
步驟2：計算圖像橫向視場長度，根據道路模型設定視場長度閾值，若長度滿足視場長度閾值則執行單航線航攝任務，否則執行多航線航攝任務。
所述的道路模型為dn+10，根據任務選取d＝3.75，n＝2。
步驟2具體實現方法如下：
步驟2.1：計算圖像橫向視場長度；
根據圖像橫向解析度m＝7360，像素密度ρ＝2.9和圖像橫縱比k＝1.5，計算圖像橫向視場長度a和圖像縱向視場長度b，計算公式如下：
根據計算結果，選取a＝25.4，b＝10.5。
步驟2.2：根據道路模型設定視場長度閾值為17.5m，若長度滿足視場長度閾值則執行單航線航攝任務，否則執行多航線航攝任務。在本實施例中，a滿足步驟2.2.1中條件，因此選用採集單航線備選航跡點的方案。
步驟2.2具體實現方法為：
步驟2.2.1：若a≥17.5。則採集單航線備選航跡點，即沿著目標道路中間車道採集位置點作為單條航線的備選航跡點。
步驟2.2.2：若a<17.5，則採集多航線備選航跡點。選取適當的車道數s，使a≥3.75s+10成立。將每s條車道作為單條航線的目標道路，沿著每條航線目標道路的中間車道採集位置點作為每條航線的備選航跡點。
步驟3：規劃無人機飛行航線信息，預設航攝任務航線。
步驟3.1：採集目標道路的位置點，從航線的備選航跡點中篩選出航跡點作為固定翼無人機飛行的航跡點，使兩個航跡點之間保持合理距離，且確保轉彎半徑不小於無人機的最小轉彎半徑。
所述的採集目標道路的位置點選gps實現。
步驟3.2：計算固定翼無人機的飛行高度，並將計算的固定翼無人機的飛行高度與預設閾值進行比較判斷，若超出預設閾值範圍則調整鏡頭焦距並重新計算。
步驟3.2中計算固定翼無人機的飛行高度具體計算方法如下：
根據圖像橫向視場長度a，拍攝設備攝像角θ1＝28.5，雲臺精度θ2＝5和無人機飛行高度誤差e＝10，計算固定翼無人機的飛行高度h，計算公式如下：
根據計算結果，選取h＝50，滿足本實施例中無人機的飛行高度條件。
步驟3.2.1：若由於各種原因，無人機飛行高度無法達到h，則可增大拍攝設備攝像角，即減小焦距。
步驟3.2.2：若由於h過低而使無人機無法飛行，則可減小拍攝設備攝像角，即增大焦距。
步驟3.3：計算固定翼無人機的飛行速度，並將計算的固定翼無人機的飛行速度與預設閾值進行比較判斷，若超出預設閾值範圍則改變拍攝設備的拍攝頻率並重新計算。
步驟3.3中計算固定翼無人機的飛行速度具體計算方法如下：
根據圖像重合度α＝40；圖像橫、縱視場長度a、b；無人機飛行高度h；無人機飛行高度誤差e；拍攝設備攝像角θ1；拍攝設備雲臺精度θ2；無人機偏航距離c＝5；拍攝設備連拍頻率v2＝3，計算固定翼無人機的飛行速度v1，計算公式如下：
根據計算結果，選取v1＝27.7，滿足本實施例中無人機的飛行速度條件。
步驟3.3.1：若無人機飛行速度無法達到v1，則可減小拍攝設備的拍攝頻率並返回步驟3.3。
步驟3.3.2：若由於v1過低而使無人機無法飛行，則可增大拍攝設備的拍攝頻率並返回步驟3.3。如果拍攝頻率已達拍攝設備極限，則考慮更換拍攝設備。
步驟3.4：上傳航跡點到自駕儀並設置相應的飛行高度和飛行速度，生成任務航跡。若有多條航跡，還需要為其添加若干「過渡航跡」連接相鄰兩條航跡，「過渡航跡」的轉彎半徑不小於1.6倍的無人機最小轉彎半徑，且平滑地與兩條航跡相接，如圖3所示。
步驟4：拍攝設備的設置，包括數位相機和配套鏡頭設置。
步驟4.1：設置數位相機。為使相機可在固定翼無人機航攝上應用，需要對相機進行特別的設置。主要設置內容包括圖像查看、存儲文件夾、主插槽選擇、圖像品質、影像區域和文件命名等。此外，設置顯示屏在工作過程中保持熄滅狀態以節省電量；設置全部空間用於存儲；設置編號便於處理；設置單張圖像大小和格式保證圖像質量等。其他相關的拍攝設置要根據任務需求和具體條件合理設置。將設置內容保存，每次任務前重新載入即可避免重複檢查。
步驟4.2：設置配套鏡頭。將相機鏡頭對準平行光管內的解析度標靶，調整拍攝鏡頭直至拍攝圖像內標靶內容清晰。圖4為拍攝設備定焦方法示意圖，光源照射在解析度標靶上，光線透過標靶通過平行光管形成平行光在相機內成像，調節相機對焦環使拍攝出的相片裡標靶內容清晰後固定對焦環，圖5為解析度標靶清晰度對比圖。
步驟5：固定翼無人機執行採集任務。
步驟5.1：固定翼無人機起飛，調整航向和飛行高度，為進入航線做準備。自駕儀控制雲臺轉動為拍攝設備提供較穩定的拍攝條件。
步驟5.2：無人機進入任務航線後沿著航線按預設高度與速度飛行，自駕儀給航攝控制器發出「開始」信號，航攝控制器控制拍攝設備連續拍攝，採集路面圖像。
步驟5.3：固定翼無人機完成任務航線後返航，自駕儀給拍攝控制器發出「停止」信號。
步驟5.4：無人機降落，取出拍攝設備和拍攝控制器的存儲卡，即可從存儲卡中得到高清路面圖像及其相關數據。圖6為通過本實施例所述方法實際得到的高清路面實例。
以上所述的具體描述，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。