基于無人機的傾斜攝影平臺開發

何中海，魏鴻輝，呂品，賴德軍

(1.四川省核工業地質調查院，四川 成都 610052； 2.四川省川核測繪地理信息有限公司，四川 成都 610036)

1 引 言

長期以來，“人走步量”是測繪人的工作模式。為獲取精準的地理信息，測繪人跋山涉水、常年野外奔波，然而這樣的外業勞動存在強度大、工序復雜、成本高等問題。而無人機傾斜攝影技術憑借快速高效、機動靈活、成本低等優勢，正慢慢顛覆傳統測繪的作業方式，已經成為新一代數字攝影測量研究的核心主題[1]。

無人機傾斜攝影技術，就是在無人機上搭載多臺傳感器，從垂直、傾斜等不同角度采集影像[2]，通過對傾斜影像數據處理并整合其他地理信息，輸出正射影像、地形圖、三維模型等產品。傾斜影像能從多個角度觀察地物，進行包括高度、長度、面積、角度、坡度的量測，彌補了傳統正射影像的不足。

從2010年來，傾斜攝影測量技術開始進入國內地理信息行業的視野，它為傳統測繪帶來了全新的視角。目前傾斜攝影一般采用的都是大型設備和大型飛機，不僅成本高，也具有作業不靈活，限制條件太多等方面的限制。近年來，利用小型無人機進行傾斜攝影數據采集成為一種新的發展方向，它結合了無人機和傾斜攝影技術的優勢，發展前景極好。

本文旨在通過對攝影平臺結構、相機拍照控制、相機數據傳輸等多個關鍵技術的研究，開發出適合小型無人機專用的傾斜攝影平臺，擺脫一直以來大型設備和大型飛機的約束，可以更加方便和精細地進行傾斜攝影數據的獲取，從而得到更加清晰和精確的三維模型，為城市規劃、應急演練、旅游等途徑提供更加直觀的視覺感受。

2 傾斜攝影平臺結構設計

傾斜攝影平臺結構設計主要包括相機角度及其支架設計、相機外殼設計、相機減震及連接機構設計、所需材料優化選擇幾個方面研究，主要遵循的原則是使平臺體積最小，重量最輕，以便于無人機掛載。

2.1 相機角度設置及支架設計

攝影系統包括1個正視相機和4個環視相機，構建最佳合理的環視相機之間及環視相機與正視相機之間的位置角度關系，是實現較好效果的關鍵。本平臺采用2 100萬像素的半畫幅相機， 20 mm定焦鏡頭，相機機構緊湊，重量較輕，適合無人機搭載。5個相機中，正視相機采用垂直90°放置，其余前視、后視、左視和右視相機采用45度傾斜方式放置。此種角度放置一方面考慮多旋翼或者電動固定翼無人機飛行高度較低，只有較大的傾斜角度才能更好地獲取地物側面紋理，另一方面通過鏡頭視角和傾斜角度聯合計算，此種放置時，側傾相機和正射相機獲取的影像保證了15°夾角的重疊，有利于提高三維重建時的精度和效率。

相機內部支架采用中心固定環加四側板的結構，方便相機固定和安裝(如圖1所示)。相機中間固定環側面有一向下的豎板，用于固定正視相機，其余4個側板以90°夾角呈十字形固定在中間環上，用于放置前視、后視、左視和后視相機。4個側板整體呈L形，其頂部與中間固定環連接，其底部橫面與水平面呈向下的45°夾角，相機分別設置于側板的底部橫面上。正視相機和環視相機的底部均設置有螺紋孔，通過螺絲固定安裝于相應的側板和豎板上。同時，中間固定環的頂部環繞其軸心均勻設置有多個支柱，以用來和外殼的上部主碳板連接，可防止在飛行和拍攝過程中相機抖動影響拍攝，其整體安裝效果如圖2所示。

圖1 相機支架結構圖

圖2 相機安裝效果圖

2.2 相機外殼設計

相機外殼根據支架和相機鏡頭位置利用三維設計軟件PROE設計完成。外殼底部在鏡頭開口處使用凹面造型，一方面可以增加對鏡頭的保護，同時減小外殼對相機采光的影響，另一方面還利于減小平臺風阻，節約無人機能耗(如圖3所示)。

圖3 相機外殼設計圖

此外，為了與減震機構和內部支架連接和固定，云臺外殼上部采用圓形蓋板設計。蓋板一方面留有開關、電源以及相機控制按鈕等接口孔位，另一方面，蓋板中間有4個螺絲孔，與內部支架通過支柱連接固定，邊緣均勻分布4個減震裝置連接孔位。

2.3 相機減震及連接機構設計

相機減震組采用4組對稱掛件設計，掛件由兩塊小型碳板組成，兩側開孔安裝減震球，中間使用螺母螺桿連接飛機平臺(如圖4所示)。采用此種設計，一方面相機能夠方便地掛載到無人機上，另一方面減震機構能夠很好地吸收化解無人機的振動，優化成像效果。

圖4 減震機構設計圖

2.4 材料選擇

為了減輕設備重量，利于無人機掛載作業，各個機構的材料選擇十分重要。經過綜合考慮，此平臺內部支架采用鋁合金加工成型，既減輕了重量，又保證了結構強度；相機外殼底部采用璃纖維模具加工成型，在保護相機組的同時盡可能地減小了內部空余空間；相機上方圓形蓋板采用碳板切割，保證了支架和減震機構的連接強度；其中，減震結構也采用碳板組件，即保證了強度，也進一步減輕了平臺重量。最后，支架、圓形碳板、減震機構等連接固定都采用輕質鋁柱，最大程度保證平臺的重量最小化。

3 傾斜攝影平臺電路設計

本平臺實施的關鍵技術之一是控制電路的設計，包括相機拍攝控制、USB數據傳輸、電源供應。本文中采用跨平臺程序開發語言Java實現整個系統所涉及的程序功能，包括電源控制程序、五相機快門電聯程序、統一讀取USB模塊數據程序。結合光耦、繼電器、降壓電路等硬件設備，通過電路功能設計、排版、制版和調試，最終完成電路模塊的制作(如圖5所示)。

圖5 電路模塊圖

4 應用案例

在最終完成各項設計和組裝工作后，整個傾斜攝影平臺重量控制在1.8 kg，體積為23cm*23cm*12cm，適合小型無人機搭載(如圖6所示)。

圖6 傾斜攝影平臺外觀圖

圖7 傾斜攝影平臺作業圖

圖8 平臺飛行試驗數據三維建模成果

將此傾斜攝影平臺掛置到多旋翼無人機中進行試拍(如圖7所示)，總共飛行 30 min，獲取影像 3 000張。在此飛行期間，平臺工作正常，相機拍攝照片質量較好，數據傳輸速率較快，獲取的數據滿足三維建模要求(如圖8所示)。

5 結 語

本研究成果主要從結構設計方面實現了攝影系統的體積最小化，從材料優選方面實現了攝影系統的重量最輕化，從相機位置設計實現了較好效果的傾斜攝影，從掛載組件的設計實現了本攝影系統靈活的掛載方式，從控制電路設計上實現了電源控制器的電聯及數據的統一讀取方式。通過本項目的研究實現基于無人機應用的傾斜攝影測量系統，讓傾斜攝影擺脫一直以來的大型設備和大型飛機的約束，可以更加方便和精細地進行傾斜攝影數據的獲取，對傾斜攝影技術的推廣有著重要意義。