一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法与流程

本发明涉及一种采集高清路面图像的航空摄影方法，尤其涉及一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法，属于航空摄影领域。

背景技术：

随着我国高速公路事业的蓬勃发展，道路运营里程飞速增长，人们对于获取道路信息的需求日益增加。以固定翼无人机为平台的空基路面信息采集系统相比传统车载路面信息采集系统成本低、采样范围大、效率高、使用方便且不影响交通，从而有较好的应用前景。近年来，固定翼无人机航摄已经应用在了包括地图测绘、电力巡线和灾害应急在内的多个领域。固定翼无人机航摄的基本方式是将数码相机搭载在无人机上，让无人机沿着预设航迹自动飞行，通过控制系统来管理相机的拍摄任务。然而，针对无人机平台的特点，采集路面图像的实施过程中仍存在任务规划困难、相机标定方法复杂、成像质量不高等问题，从而使空基航摄具体实施起来困难多、耗时长、成本高。

技术实现要素：

本发明公开的一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法，要解决的技术问题是提供一种采集高清路面图像的航空摄影方法，具有实施简便、效率高、成本低、成像质量高的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法，包括如下步骤：

步骤1：拍摄控制与补偿。

基于拍摄保障系统实现拍摄控制与补偿，所述的拍摄保障系统包括拍摄设备、航摄控制器、云台和自驾仪。

所述的步骤1具体实现方法为：

步骤1.1：通过航摄控制器给出拍摄设备拍摄信号，控制拍摄设备开拍、连拍和停拍，并记录拍摄设备的执行情况以及相片信息。航摄控制器通过快门线发送形式为pwm波的快门释放控制信号来控制拍摄设备连续拍摄，且控制信号的“开始/停止”由自驾仪控制。

步骤1.2：通过云台为拍摄设备提供较为稳定的拍摄条件，补偿因固定翼无人机在飞行过程中姿态产生变化而引起的干扰。为拍摄设备装配合适的舵机云台，自驾仪根据自身的姿态信息控制舵机转动，补偿固定翼无人机飞行过程中姿态变化以消除对于拍摄设备拍摄角度的干扰。

步骤2：计算图像横向视场长度，根据道路模型设定视场长度阈值，若长度满足视场长度阈值则执行单航线航摄任务，否则执行多航线航摄任务。

所述的道路模型为dn+10，d为单条车道宽度，n为目标道路的车道数。

步骤2具体实现方法如下：

步骤2.1：计算图像横向视场长度；

根据图像横向分辨率m，像素密度ρ(点/cm)和图像横纵比k，计算图像横向视场长度a(m)和图像纵向视场长度b(m)，计算公式如下：

步骤2.2：根据道路模型设定视场长度阈值，若长度满足视场长度阈值则执行单航线航摄任务，否则执行多航线航摄任务。

步骤2.2具体实现方法为：

步骤2.2.1：若a≥dn+10，d为单条车道宽度，n为目标道路的车道数。则采集单航线备选航迹点，即沿着目标道路中间车道采集位置点作为单条航线的备选航迹点。

步骤2.2.2：若a<dn+10，则采集多航线备选航迹点。选取适当的车道数s，使a≥3.75s+10成立，将每s条车道作为单条航线的目标道路。沿着每条航线目标道路的中间车道采集位置点作为每条航线的备选航迹点。

步骤3：规划无人机飞行航线信息，预设航摄任务航线。

步骤3.1：采集目标道路的位置点，将位置点进行筛选后，作为固定翼无人机飞行的航迹点。

所述的采集目标道路的位置点优选gps或北斗实现。

步骤3.2：计算固定翼无人机的飞行高度，并将计算的固定翼无人机的飞行高度与预设阈值进行比较判断，若超出预设阈值范围则调整镜头焦距并重新计算。

步骤3.2中计算固定翼无人机的飞行高度具体计算方法如下：

根据图像横向视场长度a(m)，拍摄设备摄像角θ1(deg)，云台精度θ2(deg)和无人机飞行高度误差e(m)计算固定翼无人机的飞行高度h，计算公式如下:

步骤3.3：计算固定翼无人机的飞行速度，并将计算的固定翼无人机的飞行速度与预设阈值进行比较判断，若超出预设阈值范围则改变拍摄设备的拍摄频率并重新计算。

步骤3.3中计算固定翼无人机的飞行速度具体计算公式如下：

其中，α为图像重合度(％)；a、b分别为图像横、纵视场长度(m)；h为无人机飞行高度(m)；e为无人机飞行高度误差(m)；θ1为拍摄设备摄像角(deg)；θ2为拍摄设备云台精度(deg)；c为无人机偏航距离(m)；v2为拍摄设备连拍频率(hz)，首次计算取拍摄设备的最大连拍频率。

步骤3.4：上传航迹点到自驾仪并设置相应的飞行高度和飞行速度，生成任务航迹。若有多条航迹，还需要为其添加若干“过渡航迹”连接相邻两条航迹，“过渡航迹”的转弯半径不小于预设的无人机最小转弯半径，且平滑地与两条航迹相接。

步骤4：拍摄设备的设置，包括数码相机和配套镜头设置。

步骤4.1：设置数码相机。根据任务需求灵活设置数码相机，将相机的内部设定调整为适合航空摄影的状态。将设置内容保存，每次任务前重新载入即能够避免重复检查。

步骤4.2：设置配套镜头。出于安全考虑，航空摄影固定翼无人机高度不宜过低，而且固定翼无人机的飞行高度也会存在波动，因此将普通数码相机镜头对焦在“无穷远”处。

步骤5：固定翼无人机按照预设航迹飞行，自驾仪控制云台转动为拍摄设备提供较为稳定的拍摄条件；自驾仪给航摄控制器发出拍摄开始信号，而后航摄控制器控制拍摄设备连续拍摄以采集路面图像信息。

有益效果：

本发明公开的一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法，仅需要从任务要求、拍摄装置、飞行平台等方面出发，结合道路模型、图像横向视场长度计算方法、飞行高度计算方法和飞行速度计算方法，能够规划出获得高质量航摄高清路面图像的飞行航线，再加上飞行过程中的航摄控制，给出用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法。因此，本发明易于操作、效率高，充分满足现下用固定翼无人机获得高清路面图像的需求，便于对路面情况进行分析，以此进行高效地管理和检修。

附图说明

图1为拍摄保障系统示意图；

图2为本发明公开的一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法流程图；

图3为过渡航迹示意图；

图4为拍摄镜头定焦方法示意图；

图5为分辨率标靶清晰度对比图；其中：图5(a)为镜头对焦严重偏离“无穷远”处时所拍摄的分辨率标靶，图5(b)为镜头对焦轻微偏离“无穷远”处时所拍摄的分辨率标靶，图5(c)为镜头对焦在“无穷远”处时所拍摄的分辨率标靶。

图6为采用本方法拍摄出的高清实例图。

具体实施方式

为验证本发明公开的一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法的可行性和有益效果，下面在本发明实施例中将对技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

如图2所示，本实施例公开的一种用于固定翼无人机采集高清路面图像的航空摄影方法，包括如下步骤：

步骤1：基于拍摄保障系统实现拍摄控制与补偿。

所述的拍摄保障系统为拍摄设备提供云台和控制手段，包括拍摄设备、航摄控制器、云台和自驾仪，如图1所示。

步骤1.1：选用单片机开发板作为航摄控制器，通过快门线发送形式为pwm波的快门释放信号来控制拍摄设备的拍摄。拍摄设备连拍的频率可以修改，且航摄控制器信号“开始/停止”由自驾仪控制。航摄控制器在给拍摄设备连续发送拍摄指令的同时，记录下拍摄时间、姿态信息等，并通过拍摄设备热靴反馈拍摄设备是否拍摄成功。

步骤1.2：为拍摄设备装配合适的舵机云台，自驾仪可根据自身的姿态信息控制舵机转动，以此来控制云台补偿固定翼无人机飞行过程中姿态变化对于拍摄设备拍摄角度的干扰。

步骤1.3：用测角仪测量拍摄设备的姿态，通过修改自驾仪控制云台转动角度与发出pwm信号之间的关系，提高云台对拍摄设备姿态补偿的准确度。

步骤2：计算图像横向视场长度，根据道路模型设定视场长度阈值，若长度满足视场长度阈值则执行单航线航摄任务，否则执行多航线航摄任务。

所述的道路模型为dn+10，根据任务选取d＝3.75，n＝2。

步骤2具体实现方法如下：

步骤2.1：计算图像横向视场长度；

根据图像横向分辨率m＝7360，像素密度ρ＝2.9和图像横纵比k＝1.5，计算图像横向视场长度a和图像纵向视场长度b，计算公式如下：

根据计算结果，选取a＝25.4，b＝10.5。

步骤2.2：根据道路模型设定视场长度阈值为17.5m，若长度满足视场长度阈值则执行单航线航摄任务，否则执行多航线航摄任务。在本实施例中，a满足步骤2.2.1中条件，因此选用采集单航线备选航迹点的方案。

步骤2.2具体实现方法为：

步骤2.2.1：若a≥17.5。则采集单航线备选航迹点，即沿着目标道路中间车道采集位置点作为单条航线的备选航迹点。

步骤2.2.2：若a<17.5，则采集多航线备选航迹点。选取适当的车道数s，使a≥3.75s+10成立。将每s条车道作为单条航线的目标道路，沿着每条航线目标道路的中间车道采集位置点作为每条航线的备选航迹点。

步骤3：规划无人机飞行航线信息，预设航摄任务航线。

步骤3.1：采集目标道路的位置点，从航线的备选航迹点中筛选出航迹点作为固定翼无人机飞行的航迹点，使两个航迹点之间保持合理距离，且确保转弯半径不小于无人机的最小转弯半径。

所述的采集目标道路的位置点选gps实现。

步骤3.2：计算固定翼无人机的飞行高度，并将计算的固定翼无人机的飞行高度与预设阈值进行比较判断，若超出预设阈值范围则调整镜头焦距并重新计算。

步骤3.2中计算固定翼无人机的飞行高度具体计算方法如下：

根据图像横向视场长度a，拍摄设备摄像角θ1＝28.5，云台精度θ2＝5和无人机飞行高度误差e＝10，计算固定翼无人机的飞行高度h，计算公式如下：

根据计算结果，选取h＝50，满足本实施例中无人机的飞行高度条件。

步骤3.2.1：若由于各种原因，无人机飞行高度无法达到h，则可增大拍摄设备摄像角，即减小焦距。

步骤3.2.2：若由于h过低而使无人机无法飞行，则可减小拍摄设备摄像角，即增大焦距。

步骤3.3：计算固定翼无人机的飞行速度，并将计算的固定翼无人机的飞行速度与预设阈值进行比较判断，若超出预设阈值范围则改变拍摄设备的拍摄频率并重新计算。

步骤3.3中计算固定翼无人机的飞行速度具体计算方法如下：

根据图像重合度α＝40；图像横、纵视场长度a、b；无人机飞行高度h；无人机飞行高度误差e；拍摄设备摄像角θ1；拍摄设备云台精度θ2；无人机偏航距离c＝5；拍摄设备连拍频率v2＝3，计算固定翼无人机的飞行速度v1，计算公式如下：

根据计算结果，选取v1＝27.7，满足本实施例中无人机的飞行速度条件。

步骤3.3.1：若无人机飞行速度无法达到v1，则可减小拍摄设备的拍摄频率并返回步骤3.3。

步骤3.3.2：若由于v1过低而使无人机无法飞行，则可增大拍摄设备的拍摄频率并返回步骤3.3。如果拍摄频率已达拍摄设备极限，则考虑更换拍摄设备。

步骤3.4：上传航迹点到自驾仪并设置相应的飞行高度和飞行速度，生成任务航迹。若有多条航迹，还需要为其添加若干“过渡航迹”连接相邻两条航迹，“过渡航迹”的转弯半径不小于1.6倍的无人机最小转弯半径，且平滑地与两条航迹相接，如图3所示。

步骤4：拍摄设备的设置，包括数码相机和配套镜头设置。

步骤4.1：设置数码相机。为使相机可在固定翼无人机航摄上应用，需要对相机进行特别的设置。主要设置内容包括图像查看、存储文件夹、主插槽选择、图像品质、影像区域和文件命名等。此外，设置显示屏在工作过程中保持熄灭状态以节省电量；设置全部空间用于存储；设置编号便于处理；设置单张图像大小和格式保证图像质量等。其他相关的拍摄设置要根据任务需求和具体条件合理设置。将设置内容保存，每次任务前重新载入即可避免重复检查。

步骤4.2：设置配套镜头。将相机镜头对准平行光管内的分辨率标靶，调整拍摄镜头直至拍摄图像内标靶内容清晰。图4为拍摄设备定焦方法示意图，光源照射在分辨率标靶上，光线透过标靶通过平行光管形成平行光在相机内成像，调节相机对焦环使拍摄出的相片里标靶内容清晰后固定对焦环，图5为分辨率标靶清晰度对比图。

步骤5：固定翼无人机执行采集任务。

步骤5.1：固定翼无人机起飞，调整航向和飞行高度，为进入航线做准备。自驾仪控制云台转动为拍摄设备提供较稳定的拍摄条件。

步骤5.2：无人机进入任务航线后沿着航线按预设高度与速度飞行，自驾仪给航摄控制器发出“开始”信号，航摄控制器控制拍摄设备连续拍摄，采集路面图像。

步骤5.3：固定翼无人机完成任务航线后返航，自驾仪给拍摄控制器发出“停止”信号。

步骤5.4：无人机降落，取出拍摄设备和拍摄控制器的存储卡，即可从存储卡中得到高清路面图像及其相关数据。图6为通过本实施例所述方法实际得到的高清路面实例。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。