無人機(jī)航攝拍照瞬間精確空間位置的確定

曹鳳海，宋占武，李　燕，劉　瀟，喬永杰，黃興琪

(東方地球物理公司，河北 涿州 072750)

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無人機(jī)航攝拍照瞬間精確空間位置的確定

曹鳳海，宋占武，李燕，劉瀟，喬永杰，黃興琪

(東方地球物理公司，河北 涿州 072750)

近年來，隨著無人機(jī)與數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)航測(cè)以其高效、精確、作業(yè)成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)，在地表復(fù)雜地區(qū)高分辨率影像的獲取方面優(yōu)勢(shì)明顯。無人機(jī)像片后續(xù)處理需要布設(shè)大量像控點(diǎn)，工作量大，耗時(shí)耗力，特別是在地表復(fù)雜地區(qū)。如果通過衛(wèi)星定位的手段計(jì)算出拍照瞬間照片中心的精確位置和姿態(tài)，則可以節(jié)省大量施工投入，有效提高生產(chǎn)效率。本文即利用PPK作業(yè)方式進(jìn)行航攝拍照瞬間空間位置的確定以進(jìn)行研究。

一、硬件配置

利用ARM板配GNSSOEM板組成簡(jiǎn)單的GNSS接收機(jī)。通過綜合測(cè)試并考慮體積方面的要求，建議GNSSOEM板采用Trimble公司的BD930板卡；為了適應(yīng)控制過程中的多線程操作，ARM板配WinCE操作系統(tǒng)，要用兩個(gè)串口與GNSS差分板連接，其中一個(gè)記錄原始數(shù)據(jù)，另一個(gè)輸出NMEA數(shù)據(jù)。

二、整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路為：在地面控制點(diǎn)架設(shè)基站持續(xù)接收GNSS定位數(shù)據(jù)；空中(機(jī)載)ARM板持續(xù)記錄GNSS定位數(shù)據(jù)，接收飛控拍照指令，收到飛控指令后控制相機(jī)拍照并記錄拍照的精確時(shí)刻；施工完成后，地面基站和空中GNSS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，計(jì)算出每個(gè)歷元(根據(jù)設(shè)置參數(shù)記錄，如果設(shè)置成5Hz，則每200ms一個(gè)歷元)的精確坐標(biāo)，根據(jù)記錄的拍照精確時(shí)間內(nèi)插出每個(gè)拍照點(diǎn)的坐標(biāo)。本文只討論空中數(shù)據(jù)記錄和控制部分的幾個(gè)關(guān)鍵問題的解決思路。

三、空中數(shù)據(jù)記錄和控制部分的幾個(gè)關(guān)鍵問題解決思路

1. 精確時(shí)刻的確定

GNSS差分板在鎖定衛(wèi)星后會(huì)通過一個(gè)針腳發(fā)送PPS信號(hào)，將該針腳引到ARM板的“中斷”接口，通過監(jiān)控該脈沖的到來確定每秒開始的精確時(shí)刻。

為了應(yīng)用方便，在WinCE底層驅(qū)動(dòng)中，將“PPS到達(dá)”寫成事件驅(qū)動(dòng)，具體過程如下：

1) 將與GNSS的PPS連接的針腳配置成“中斷模式”。

2) 建立通知用戶事件，命名為“GPS1PPS”：

g_hUserEvent=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,_T("GPS1PPS"));

其中，“g_hUserEvent”為用戶事件句柄。

3) 建立中斷事件：

g_hEINT3Event=CreateEvent(NULL,FALSE,FALSE,NULL);

4) 初始化中斷事件：

KernelIoControl(IOCTL_HAL_REQUEST_SYSINTR, &g_IRQ,sizeof(UINT32), &g_SYSINTR,sizeof(UINT32),NULL)；

其中，“g_IRQ”是采用的中斷號(hào)，在筆者的實(shí)際設(shè)計(jì)中，該針腳接到了“中斷3”，即“g_IRQ=IRQ_EINT3”。

5) 建立中斷服務(wù)線程：

hPPS=CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadForEINT3,0,0,NULL);

6) 服務(wù)線程函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

DWORDWINAPIThreadForEINT3(void){

DWORDdwResult;

while(TRUE)

{

dwResult=WaitForSingleObject(g_hEINT3Event,INFINITE);

SetEvent(g_hUserEvent);

InterruptDone(g_SYSINTR);

}

return0;

}

該線程函數(shù)一直接收PPS信號(hào)，當(dāng)PPS信號(hào)到達(dá)“中斷3”，該函數(shù)從驅(qū)動(dòng)層向應(yīng)用層產(chǎn)生事件報(bào)告。

7) 應(yīng)用層捕獲PPS到達(dá)事件。建立線程，接收驅(qū)動(dòng)層發(fā)上來的“GPS1PPS”事件，該事件發(fā)生后，記錄該時(shí)刻：

DWORDWINAPIGPS1PPSThread(LPVOIDlpParameter){

HANDLEhGPS1PPSEvent=NULL;

hGPS1PPSEvent=OpenEvent(EVENT_ALL_ACCESS,FALSE,TEXT("GPS1PPS"));

while(1)

{

WaitForSingleObject(hGPS1PPSEvent,INFINITE);

m_dPPSTick=GetTickCount64();

}

return1;

}

由于PPS只提供每秒開始的精確時(shí)刻，要得到任意一時(shí)刻的精確時(shí)間，需要以PPS時(shí)刻為基礎(chǔ)加上到需要確定時(shí)刻的偏移值，該偏移值的確定需要用其他方式定時(shí)。為了應(yīng)用方便，筆者利用CPU距開機(jī)以來的時(shí)間進(jìn)行相對(duì)定時(shí)，即需要確定時(shí)刻的時(shí)間=PPS時(shí)刻+(需要確定時(shí)刻的CPU定時(shí)-PPS時(shí)刻的CPU定時(shí))。

為了得到精確的CPU開機(jī)以來的時(shí)間，重寫“GetTickCount64()”函數(shù)：

doubleGetTickCount64(){

staticLARGE_INTEGERTicksPerSecond= {0};

LARGE_INTEGERTick;

if(!TicksPerSecond.QuadPart)

{

QueryPerformanceFrequency(&TicksPerSecond);

}

QueryPerformanceCounter(&Tick);

doubleRet= (double)Tick.QuadPart*1000.0/TicksPerSecond.QuadPart;

returnRet;

}

該方法的實(shí)現(xiàn)思路為：首先獲得CPU時(shí)鐘到該時(shí)刻的震動(dòng)次數(shù)，然后獲取CPU時(shí)鐘每秒鐘的震動(dòng)次數(shù)(震動(dòng)頻率)，其比值即為開機(jī)以來的秒數(shù)，該方法定時(shí)精度很高。

2. 捕獲飛控拍照指令信號(hào)

飛控發(fā)送的拍照指令是一個(gè)閉合信號(hào)(短路信號(hào))，如果要捕捉到該信號(hào)并產(chǎn)生中斷事件，需要通過邏輯電路將閉合信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)，邏輯實(shí)現(xiàn)思路如下：

如圖1所示，一般情況下DI_A與DI_B不閉合，Q1截止，XEINT2為高電平；當(dāng)DI_A與DI_B閉合時(shí)Q1導(dǎo)通，XEINT2由高電平變成低電平，即產(chǎn)生下降沿，發(fā)生中斷。當(dāng)DI_A與DI_B由閉合到斷開后，Q1則從導(dǎo)通變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，XEINT2由低電平變成高電平，即上升沿，不產(chǎn)生中斷。

閉合信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)中斷的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層事件的捕獲思路與處理PPS事件的道理相同，在筆者的實(shí)際設(shè)計(jì)中，該針腳接到了“中斷2”， 中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。應(yīng)用層接收到拍照信號(hào)后，由ARM板產(chǎn)生觸發(fā)相機(jī)拍照指令，并記錄拍照瞬間的精確時(shí)刻。

圖1　實(shí)現(xiàn)原理

3. GNSS原始數(shù)據(jù)記錄

本文采用“雙緩沖”的方式接收和記錄GNSS原始數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)思路如下：

1) 定義兩個(gè)byte類數(shù)組，根據(jù)實(shí)現(xiàn)情況定義大小，可以是64KB或更大。

2) 用一個(gè)變量記錄當(dāng)前工作于哪個(gè)數(shù)組，另外用兩個(gè)變量記錄兩個(gè)byte數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

3) 當(dāng)接收到GNSS原始數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)到當(dāng)前工作byte數(shù)組，如果當(dāng)前數(shù)組已保存部分?jǐn)?shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)連接到原有數(shù)據(jù)后面，為了提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存效率，用“memcpy”內(nèi)存拷貝的方法。

4) 當(dāng)當(dāng)前工作byte數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到指定的長(zhǎng)度，則將當(dāng)前工作byte數(shù)組指定為另一個(gè)byte數(shù)組，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)新的線程將達(dá)到指定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)寫到Flash。

5) 兩個(gè)數(shù)組交替進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，配合多線程寫Flash方式，接收GNSS原始數(shù)據(jù)和記錄兩不耽誤，達(dá)到“雙緩沖”的效果。

4. 各線程的優(yōu)先級(jí)

根據(jù)實(shí)際工作要求，對(duì)各線程優(yōu)先級(jí)作以下設(shè)計(jì)：

1)PPS線程優(yōu)先線設(shè)為“高”。

2) 捕獲飛控拍照指令信號(hào)線程優(yōu)先級(jí)設(shè)為“一般”。

3)GNSS原始數(shù)據(jù)記錄線程優(yōu)先級(jí)設(shè)置為“一般”。

四、結(jié)束語

在無人機(jī)低空航拍技術(shù)迅速發(fā)展的今天，如何提高作業(yè)效率、精度和質(zhì)量是行業(yè)內(nèi)一直追求的目標(biāo)，本文從實(shí)用的角度闡述了利用PPK技術(shù)解決確定相機(jī)在空中拍照瞬間空間位置的思路。

本文只對(duì)該方法實(shí)現(xiàn)思路的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了描述，且只涉及了原始數(shù)據(jù)采集部分，如果要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的應(yīng)用，還需要諸多的輔助技術(shù)、空中姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取及后處理應(yīng)用相關(guān)的開發(fā)。

(本專欄由天寶測(cè)量部和本刊編輯部共同主辦)

天寶測(cè)繪解決方案專欄