防止無人機起落架影響視場的可翻轉支架研究*

王 敏，周樹道，嚴 衛，施偉來，賈 赟

(1.解放軍理工大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，江蘇 南京 210044)

防止無人機起落架影響視場的可翻轉支架研究*

王 敏1,2，周樹道1,2，嚴 衛1，施偉來1，賈 赟1

(1.解放軍理工大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，江蘇 南京 210044)

針對折反射式全景相機獲取全方位圖像時，由于無人機起落架的遮擋，造成圖像獲取要素不完整的問題，設計了一種防止無人機起落架影響全景相機視場的可翻轉支架系統。通過采集無人機離地距離和飛行狀態調節全景相機鏡頭的位置，可以防止無人機起落架落入圖像內，使得采集要素的完整性達到了100%，提高了采集的圖像質量；同時可以根據無人機的起落距離，對全景相機進行翻轉收放，避免鏡頭與地面相接觸，有效保護了鏡頭。

無人機；起落架；折反射式全景相機；可翻轉支架

0 引言

全景成像利用特殊的成像裝置能從一個視點獲取水平方向一周360°、垂直方向達到半球以上視場的多方向圖像，由于成像范圍大、成像快等特點，可為軍事偵查、機器人導航、虛擬現實、計算機視覺等領域提供大視場場景的立體感知和重現功能，近年來發展快速，成為光電子學、計算機視覺和計算機圖形學的研究熱點。

目前為止，主要有三種實現全景成像的方法：圖像拼接法、魚眼鏡頭法和折反射全景成像法[1]。基于圖像拼接的全景成像方法之一是使相機繞通過其光心的垂直軸線旋轉對多個方向的場景成像，再將這些不同方向的場景圖像拼接成一幅全景圖。這種方法，雖然成像分辨力高，但成像速度慢，拼接算法復雜，一般只能拼接出柱面全景圖像，不能滿足單一視點要求，且成本高，系統復雜，不能滿足實時全景成像的需要。魚眼鏡頭在獲得大視場的同時又有其缺點，即會產生嚴重的桶形畸變，很難校正，且成像分辨率低。高質量的魚眼透鏡通常采用10片以上的結構和高質量的光學材料，因此系統復雜，造價成本昂貴。折反射式全景成像技術由于具有一次性大范圍成像特點，實時性能優，并且結構簡單、無掃描部件，無拼接，因而可以作為替代現有航空全景相機的重要技術。但由于無人機起落架的存在，使得折反射式全景相機在獲取全方位圖像時，總是存在由于起落架的遮擋而造成圖像獲取要素不完整、成像質量不高等問題。

本文設計了一種防止無人機起落架影響全景相機視場的可翻轉支架系統，通過超聲波傳感器測量機體離地安全距離后，微處理器控制全景相機及支架的上下翻轉，可以防止全景相機進行全景圖像采集時無人機起落架落入圖像內，提高圖像采集要素的完整性和圖像的質量，獲取全方位無起落架干擾的全景圖像。

1 無人機起落架對全景相機視場的成像影響

通常，無人機折反射全景成像系統由無人機、折反射全景相機和數據處理單元等組成，如圖1所示。折反射全景相機成像可以獲得水平方向360°、垂直方向210°的大視場場景圖像。折反射全景相機通常置放于無人機機身正下方，但由于無人機兩側起落架的位置低于全景相機，導致全景圖像始終出現該起落架，影響圖像的進一步解讀，如圖2所示。

圖1 無人機全景成像系統組成結構圖

圖2 無人機起落架對全景成像影響圖

2 可翻轉支架系統組成

防止無人機起落架影響全景相機視場的可翻轉支架系統由超聲波測距傳感器模塊、步進電機模塊、中央處理器模塊、全景相機及支架模塊和電源模塊組成[2-3]，如圖3所示。其中，超聲波測距傳感器模塊用來測量無人機機體底部距離地面的垂直距離[4-5]，步進電機[6]模塊用來驅動全景相機及支架模塊的垂直180°翻轉，中央處理器模塊[7]根據超聲波測距傳感器模塊測量的距離信息控制步進電機模塊的正反轉，電源模塊用來為系統供電。全景相機置放于起落架底部相交的回轉軸的中部，通過滾動軸承進行上下翻轉。

圖3 可翻轉支架系統組成圖

可翻轉支架系統的結構布局為：將全景相機的相機托盤放置于回轉軸正中位置，回轉軸通過滾動軸承和連接件連接于無人機起落架的兩側底端，步進電機、中央處理器、超聲波測距傳感器和電源等封裝于一殼體內，其中超聲波測距傳感器指向無人機正下方，該殼體放置于一側起落架外側底端，具體結構布局如圖4所示。

圖4 可翻轉支架系統結構圖

3 可翻轉支架系統工作過程

防止無人機起落架影響全景相機視場的可翻轉支架系統工作過程如下：

(1) 無人機停止飛行狀態下，全景相機鏡頭默認保持垂直向上初始位置，如圖5所示。

圖5 全景相機初始向上位置圖

(2)無人機飛離地面后，超聲波測距傳感器測量距地面間的垂直距離大于4 m時，中央處理器模塊發出信號控制步進電機模塊，使步進電機開始正轉工作，驅動全景相機及支架模塊開始向地面方向翻轉180°，如圖6所示。

圖6 全景相機翻轉向上工作位置圖

(3)無人機返回地面前，超聲波測距傳感器測量距地面間的垂直距離小于4 m時，中央處理器模塊發出信號控制步進電機模塊，使步進電機開始反轉動作，驅動全景相機及支架模塊開始向無人機方向轉動180°，相機回到初始位置，直到無人機降落至地面。

4 結論

本文設計的可翻轉支架系統，根據離地距離和無人機飛行狀態調節全景相機鏡頭進行翻轉，有效防止無人機起落架落入圖像，同時保護鏡頭避免損傷，大幅提高了圖像采集要素的完整性，為進一步的圖像釋讀奠定了基礎。

[1] 王敏,周樹道,張水平,等. 全景立體成像技術淺述[J].信息技術,2014(5):24-27.

[2] 王祁. 智能儀器設計基礎[M]. 北京：機械工業出版社, 2010.

[3] 姚錫凡.人工智能技術及應用[M].北京:中國電力出版社,2008.

[4] 李航，王可人. 基于STC89C52RC的超聲波測距系統設計[J]. 電子測試,2010(1):55-58.

[5] 張銀霞,魏振春,張儒瑞,等.基于超聲波定位的機車監控與導航系統[J].計算機技術與應用進展,2009(12):1057-1060.

[6] 曹承志.電機、拖動與控制[M].北京：機械工業出版社,2000.

[7] 樓然苗，李光飛，等.51系列單片機設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社,2003.

周樹道 (1964-)，男，碩士，教授，主要研究方向：成像技術。

The study of overturn bracket to prevent the UAV landing gears impaction on the panoramic camera

Wang Min1,2, Zhou Shudao1,2, Yan Wei1，Shi Weilai1, Jia Yun1

(1. Institute of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China；2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

Aiming at the problem that when the panoramic images are got by the panoramic camera, they are shield by UAV landing gears, and the image acquisition elements are incomplete, the overturn bracket system to prevent the UAV landing gears impaction on the panoramic camera is proposed. The distance between the ground and the u4v and flight state of UAV are used to adjust the position of the panoramic camera, and prevent the landing gears into the image. The integrity of the collected factors reached 100%, and the quality of the image is improved integrity. At the same time, the UAV landing distance is used to turn and fold the panoramic camera, and avoid contact with the ground, and the lens is protected effectively.

UAV; landing gears; catadioptric panoramic camera; overturn bracket

TN942.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.02.011

王敏，周樹道，嚴衛，等.防止無人機起落架影響視場的可翻轉支架研究[J].微型機與應用，2017,36(2)：32-33，40.

國家自然科學基金(41301370)

2016-07-27)

王敏(1983-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：成像技術、數字圖像處理。E-mail：yu0801@163.com。