专利名称：具有旋偏修正的无人机航摄系统、无人机和航摄方法
技术领域：
本发明涉及航摄技术，特别是具有旋偏修正的无人机航摄系统、无人机和航摄方法。
背景技术：
传统中高空飞机航摄过程中，主要利用稳定座架手动修正飞机旋角，因而需要人员参与，自动化程度较低，而且稳定座架功耗大、体积大，重量近100公斤，这都使飞机的载荷增大，而且手动修正操作也难以及时和准确。近年来，总重量20-25公斤、载荷5公斤左右的轻型测绘无人机已成为一种重要的航摄装备，特别是用于低空航摄，其获取影像辨率高，机动灵活性强、经济实用，然而，轻型测绘无人机由于重量轻、体积小而受风和气流影响较大，航空摄影过程中姿态变化幅度比较大，即，会产生较大的飞机偏差旋角，严重影响影像质量。大飞机航摄过程中，图I根据现有技术的航摄系统的示意图，其中显示出航摄影像旋角的产生。如图 I所示，航摄飞机在飞行时的实际航向(在图I中以虚线箭头所示)会在预定的设计航向 X附近波动，受侧风等原因的影响，由相机拍摄的航片总是与设计航向产生一个角度差(例如Kl)，特别是无人机由于轻小而在实际飞行中可能出现较大偏差(例如K2)。这种偏差旋角在不进行修正技术处理的情况下(例如对于无人机航摄而言)可达10-30度。然而，传统的采用稳定座架手动修正飞机旋角的方式无法应用于轻型无人机航摄，这是因为轻型无人机载荷小，因而无法装载旋角修正人员以及笨重的稳定座架。在这种情况下，无人机航摄影像的旋角常常超出容许范围，使航摄成果质量和测图效率均较低。
发明内容
本发明的各实施例提供具有旋偏修正的无人机航摄系统、无人机和航摄方法，能够提高航摄的质量和效率。根据本发明的一个方面，提供一种具有旋偏修正的无人机航摄系统，用于无人驾驶的航摄飞机，包括旋角确定单元，包括用于测量所述航摄飞机的机头指向的全球导航卫星系统 (GNSS)接收机；和计算模块，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；云台，其能够根据所述机头旋角而朝向所述预定航向旋转；相机，其安装在所述云台上，并能够随所述云台旋转而转向所述预定航向进行航摄。较佳地，在本发明的各实施例中，所述旋角确定单元包括用于测量所述航摄飞机的角度变化的陀螺，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述角度变化而实时确定所述机头旋角。较佳地，在本发明的各实施例中，
所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线沿从所述航摄飞机的机头到机尾的方向分开布置，或沿从所述航摄飞机的左翼到右翼的方向分开布置；和/或所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线具有相同的竖直高度；和/或所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线沿水平方向分开80cm以上。较佳地，在本发明的各实施例中，所述云台具有水平方向旋转自由度和/或竖直方向旋转自由度。和/ 或所述云台通过单级或多级齿轮传动系统而旋转；和/ 或所述云台由所述航摄飞机的舵机驱动旋转，其中所述舵机根据由所述旋角确定单元确定的所述机头旋角而驱动所述云台朝向所述预定航向旋转。根据本发明的另一方面，提供一种无人机，包括如前所述的无人机航摄系统。根据本发明的又一方面，提供一种航摄方法，包括以下步骤根据无人驾驶的航摄飞机的预定航向、机头指向而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；根据所述机头旋角而使相机转向所述预定航向进行航摄。较佳地，在本发明的各实施例中，根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述航摄飞机的角度变化而实时确定所述机头旋角。较佳地，在本发明的各实施例中，在以下至少一种情况下确定所述航摄飞机的角度变化并且根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述航摄飞机的角度变化而实时确定所述机头旋角所述航摄飞机处于转弯操作过程中；用于确定所述机头指向的天线信号的强度超出预定范围；电磁干扰强度高于预定值。较佳地，在本发明的各实施例中，当所述机头旋角在0-30度时，根据所述机头旋角而使相机转向所述预定航向进行航摄。较佳地，在本发明的各实施例中，所述实时确定所述航摄飞机的机头旋角以IOHz 以上的操作频率进行。通过本发明的各实施例提供的具有旋偏修正的无人机航摄系统、无人机和航摄方法，能够提高航摄的质量和效率。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行论述，显然，在结合附图进行描述的技术方案仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。图I是根据现有技术的航摄系统的示意图。图2是根据本发明的实施例的具有旋偏修正的无人机航摄系统的示意图。图3是根据本发明的实施例的无人机航摄系统中的云台的示意图。图4是根据本发明的实施例的航摄方法的流程图。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中所述的实施例，本领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都在本发明所保护的范围内。根据本发明的一个方面，提供一种具有旋偏修正的无人机航摄系统(简称为航摄系统)，用于无人驾驶航摄飞机(可简称为无人机)，包括旋角确定单元，包括用于测量所述航摄飞机的机头指向的全球导航卫星系统 (GNSS)接收机；和计算模块，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；云台，其能够根据所述机头旋角而朝向所述预定航向旋转；相机，其安装在所述云台上，并能够随所述云台旋转而转向所述预定航向进行航摄。这样，通过GNSS接收机的天线系统可确定航摄飞机的当前机头指向，并可通过与预定航向进行比较而实时确定当前机头指向相对于预定航向偏离的机头旋角，云台可根据机头旋角进行补偿性旋转，即，与机头旋角反向地朝向预定航向旋转，使得安装在云台上的相机能够相应地转向预定航向进行航摄，从而使相机航摄角度与预定航向基本一致以获得理想的航摄照片。由此，通过旋角确定单元对机头旋角进行实时解算并相应地通过驱动相机进行旋转修正操作以补偿航摄飞机机头指向与预定航向的偏差(即，所称的旋偏修正)， 以提闻航摄质量和效率。较佳地，在本发明的各实施例中，所述旋角确定单元包括用于测量所述航摄飞机的角度变化的陀螺，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述角度变化而实时确定所述机头旋角。在航摄环境不佳的情况下(例如，所述航摄飞机处于转弯操作过程中；用于确定所述机头指向的天线信号的强度超出预定范围；电磁干扰强度高于预定值，等等)，由GNSS接收机的天线系统得到的信号可能失真，此时可通过由所述陀螺进一步提供的角度变化值对通过GNSS接收机得到的机头指向进行校正，从而得到更接近于真实值的机头旋角。由此可见，通过所述陀螺提供的角度变化值对由GNSS接收机输出的测向值(即， 所述机头指向的初始值)进行平滑和补偿(例如进行粗差滤波和丢失时补偿)，以防止 GNSS接收机输出的测向值出现突变或者出现失锁情况。这一方面减少GNSS接收机失锁后会丢失机头指向值的情况发生；另一方面减少小型陀螺所测得的角度变化值的随时间积累
6误差，从而可获取稳定、精确测量的机头指向信息。较佳地，在本发明的各实施例中，所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线沿从所述航摄飞机的机头到机尾的方向分开布置，或沿从所述航摄飞机的左翼到右翼的方向分开布置。这样，仅通过设置两个天线即可获得机头指向信息，这两个天线的连线方向可与航摄飞机的航向大致相同或者垂直。 较佳地，在本发明的各实施例中，所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线具有相同的竖直高度。较佳地，在本发明的各实施例中，所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线沿水平方向分开80cm以上。应理解，所述第一天线和第二天线可分开更大的水平距离以适用于更大型的航摄飞机，但这样可能会造成GNSS接收机体积变大，因此，出于紧凑结构的考虑，所述第一天线和第二天线的水平分开距离可为 80_100cm。虽然在以上实施例中GNSS接收机包括分开的两个天线，不过，应理解，根据需要， 还可以设置更多的天线，例如第三天线，以作为故障备用或者冗余保障用途，从而可确保获取到机头指向信息。应理解，在所述的旋角确定单元中，GNSS接收机的第一天线和第二天线以及所述陀螺之间相对固定，即，没有相对移动，且优选地均刚性连接到航摄飞机的主体上。应理解，GNSS接收机中的各天线提供稳定定位和速度方向，从而可得到机头指向信息(例如初始机头指向)，因而多个天线的布置和相互位置关系可根据需要调整，而不必沿从所述航摄飞机的机头到机尾的方向布置或沿从所述航摄飞机的左翼到右翼的方向布置。较佳地，在本发明的各实施例中，所述云台具有水平方向旋转自由度和/或竖直方向旋转自由度。在优选实施例中，所述云台仅具有单一的水平方向的旋转自由度，即，只能相对于航摄飞机的机头指向而水平旋转摆动；不过，在其它实施例中，所述云台不仅能够相对于航摄飞机机头指向而水平旋转摆动(例如，左右摆动)，而且还能够相对于航摄飞机机头指向而竖直旋转(例如，上下摆动)。较佳地，在本发明的各实施例中，所述云台通过单级或多级齿轮传动系统而旋转。 其中，齿轮可采用轻质材料(例如耐磨工程塑料)制成，以减小载重量。较佳地，在本发明的各实施例中，所述云台由所述航摄飞机的舵机驱动旋转，其中所述舵机根据由所述旋角确定单元确定的所述机头旋角而驱动所述云台朝向所述预定航向旋转。在一个实施例中，舵机可通过所述齿轮传动系统而驱动云台旋转。在优选实施例中，所述云台是通过舵机驱动而旋转的单轴旋转云台，其仅具有单一的水平方向的旋转自由度，即，其只能相对于航摄飞机的机头指向而水平旋转摆动；且更优选地舵机直接通过齿轮传动系统驱动云台旋转。在一个优选实施例中，具有旋偏修正的无人机航摄系统包括旋角确定单元,包括用于测量所述航摄飞机的机头指向的GNSS接收机,包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线沿从所述航摄飞机的机头到机尾的方向分开布置并具有相同的竖直高度和80cm以上的水平分开距离；用于测量所述航摄飞机的角度变化的陀螺；和计算模块，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述角度变化而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；云台；相机，其安装在所述云台上；所述航摄飞机的舵机，其根据所述机头旋角而通过齿轮传动系统驱动所述云台朝向所述预定航向旋转，从而使所述相机随所述云台旋转而转向所述预定航向进行航摄。优选地，所述舵机连接到所述航摄飞机的飞控系统，其中，飞控系统能够计算出航摄飞机机头旋角的旋转方向和旋转值，并向舵机发出驱动指令以驱动云台以及安装于其上的相机进行旋转修正操作。在一个实施例中，飞控系统是用于轻型无人机(航摄飞机)的单板机。通过本发明各实施例提供的具有旋偏修正的无人机航摄系统，通过双天线GNSS 接收机和陀螺的组合使用，确定机头指向与预计航向的偏角(即，机头旋角)，据此以舵机驱动云台旋转而使得相机根据机头旋角朝向预计航向补偿性旋转，能够使航摄影像数据旋角控制在4°以内，满足航摄(特别是无人机低空航摄)影像的质量并提高航空摄影(航摄)测量效率。其中I)通过双天线GNSS接收机和陀螺(例如微小型陀螺)的组合使用进行联合解算而实现确定瞬时机头指向的目的，而且确定值稳定可靠。2)通过实时确定出的瞬时机头指向，实时计算(例如由包括控制程序的计算模块计算)该瞬时机头指向与预计航向之差，得到机头旋角的偏差值。3)根据实时计算的机头旋角偏差值，向装有相机的云台发出指令(例如通过舵机驱动云台)，沿与机头旋角偏差方向相反的方向快速旋转云台及相机(即，调整相机拍摄姿态)，实现对机头旋角偏差值的实时补偿修正。由此，能够将航摄(例如无人机低空航摄)的旋角偏差从30°以内提高到4°以内，显著提高了无人机航摄飞行质量和测图效率。图2是根据本发明的实施例的具有旋偏修正的无人机航摄系统的示意图。在图2 所示的实施例中，具有旋偏修正的无人机航摄系统包括旋角确定单元100，包括用于测量所述航摄飞机的机头指向的GNSS接收机110， 包括分开的第一天线和第二天线(未示出)，所述第一天线和第二天线沿从所述航摄飞机的机头到机尾的方向分开布置并具有相同的竖直高度和80cm以上的水平分开距离；用于测量所述航摄飞机的角度变化的陀螺120 ;和计算模块130，所述计算模块130根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述角度变化而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；云台300 ;相机400，其安装在所述云台300上。所述航摄飞机的舵机200，其根据所述机头旋角而通过齿轮传动系统驱动所述云台300朝向所述预定航向旋转,从而使所述相机400随所述云台300旋转而转向所述预定航向进行航摄。图3是根据本发明的实施例的航摄系统中的云台的示意图。在图3所示的实施例中，根据所述机头旋角，由航摄飞机的舵机200通过齿轮传动系统(其例如包括相互啮合的第一齿轮501和第二齿轮502)驱动云台300旋转以执行修正操作，如图3中所示，当第一齿轮501沿由箭头A所示方向旋转时，与其啮合的第二齿轮502反向旋转，从而使与第二齿轮502固定的云台300也相应旋转(如图中的箭头B所示)，由此使安装在云台300上的相机(未示出)可沿由箭头B所示方向旋转而执行修正操作。其中，构成齿轮传动系统的第一齿轮501和第二齿轮502例如可以是刚性塑料齿轮(例如由工程塑料制成)，云台300例如可由铝合金和镀锌板制成。云台300可具有以下至少一种优点1)可由舵机200直接驱动，转动灵活，实测或修正频率达10Hz，能快速响应执行旋转指令，补偿性修正相机姿态；2)连接牢固，与飞行平台刚性固连避免因飞机振动影响修正量；3)可为单旋转轴(即仅具有单一的旋转自由度)的稳定平台，只修正旋角。根据本发明的另一方面，提供一种无人驾驶航摄飞机(无人机)，包括如前所述的无人机航摄系统。在一个实施例中，在所述的旋角确定单元中，GNSS接收机的第一天线和第二天线以及所述陀螺之间相对固定，即，没有相对移动，而且优选地均刚性连接到航摄飞机的主体上。根据本发明的又一方面，提供一种航摄方法。图4是根据本发明的实施例的航摄方法的流程图，所述航摄方法包括以下步骤根据无人驾驶的航摄飞机的预定航向、机头指向而实时确定所述航摄飞机的机头旋角(见步骤410)；根据所述机头旋角而使相机转向所述预定航向进行航摄(见步骤420)。这样，可确定(例如通过GNSS接收机的天线系统确定)航摄飞机的当前机头指向，并可通过与预定航向进行比较而实时确定当前机头指向相对于预定航向偏离的机头旋角，然后航摄相机可根据机头旋角进行补偿性旋转，即，与机头旋角反向地朝向预定航向旋转而转向预定航向进行航摄，从而使相机航摄角度与预定航向基本一致以获得理想的航摄照片。较佳地，在本发明的各实施例中，根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述航摄飞机的角度变化而实时确定所述机头旋角。在航摄环境不佳的情况下，例如由 GNSS接收机的天线系统得到的信号可能会失真(例如超出允许范围)，此时，可通过航摄飞机的角度变化值(例如由陀螺提供)对机头指向(例如由GNSS接收机天线系统获得)进行校正，从而得到更接近于真实值的机头旋角。较佳地，在本发明的各实施例中，在以下至少一种情况下确定所述航摄飞机的角度变化并且根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述航摄飞机的角度变化而实时确定所述机头旋角所述航摄飞机处于转弯操作过程中；用于确定所述机头指向的天线信号的强度超出预定范围；电磁干扰强度高于预定值。在用于确定所述机头指向的天线信号的强度超出预定范围之外的情况下，在一个实施例中，天线信号强度过小，则可能无法检测到或者不可信；在另一实施例中，天线信号强度过大，则可能是非所需的干扰信号或者不可信。较佳地，在本发明的各实施例中，当所述机头旋角在0-30度时，根据所述机头旋角而使相机转向所述预定航向进行航摄。当机头旋角超过30度时，航摄飞机通常处于转弯过程中，此时实际上不需要进行航摄，此时得到的机头旋角并非需要进行修正的偏差旋角，因而不必进行修正操作(即，使相机转向所述预定航向的旋转操作)，而仅需要在所述机头旋角在0-30度时进行修正操作。应理解，虽然在以上实施例中以30度作为例示机头旋角阈值描述是否为转弯情况和是否进行修正操作，不过，根据不同的飞机型号、不同的航摄环境和路线、或不同的航摄任务，这种机头旋角阈值也可设置为其他的值，例如为20度、25度或者35度或40度。较佳地，在本发明的各实施例中，所述实时确定所述航摄飞机的机头旋角以IOHz 以上的操作频率进行。这种实时确定的操作可以在I秒内进行多次，如果需要修正，则进行所述修正操作；否则，不进行操作。在一个实施例中，所述实时确定所述航摄飞机的机头旋角以IOHz的操作频率进行，此时，实时确定的操作可在I秒内进行10次，并在需要进行修正操作时执行修正操作。优选地，所述GNSS接收机包括以下至少一种美国全球定位系统(GPS)标准的接收机、俄国格洛纳斯(GL0NASS)标准的接收机、欧洲伽利略(Galileo)标准的接收机、中国北斗(Compass)标准的接收机。通过本发明的各实施例提供的具有旋偏修正的无人机航摄系统、航摄飞机和航摄方法，能够提高航摄的质量和效率。通过本发明的各实施例提供的航摄系统可有利地用于轻型无人机，特别是在利用轻型无人机进行低空航摄的情况下，并具有以下至少一种优点I)体积小，重量轻，可以装入载重5公斤级的无人机中。2)功耗小，通过锂电池供电可供无人机飞行2. 5小时以上。3)可直接连接和受控于飞控系统，结构简单，运行稳定可靠。4)能够满足我国无人机测绘采用的低空数字航空摄影规范的规定。我国无人机测绘采用的低空数字航空摄影规范(CH/Z 3005-2010)中规定要求“像片旋角一般不大于 15°，在确保像片航向和旁向重叠度满足要求的前提下，个别最大旋角不超过30°，在同一条航线上旋角超过20°像片数不应超过3片。超过15°旋角的像片数不得超过分区像片总数的10%”。采用本发明各实施例提供的航摄系统获得的无人机航摄成果，旋角精度能够达到4度以内，显著优于传统方式中的10-30度，完全可满足无人机航摄成果精度要求。本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内。显然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型。这样，如果对本发明的这些改的和变型属于本发明权利要求及其等同方案的范围之内，则本发明也将包含这些改动和变型。
权利要求
1.一种具有旋偏修正的无人机航摄系统，用于无人驾驶的航摄飞机，其特征在于，包括旋角确定单元，包括用于测量所述航摄飞机的机头指向的全球导航卫星系统GNSS接收机；和计算模块，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；云台，其能够根据所述机头旋角而朝向所述预定航向旋转；相机，其安装在所述云台上，并能够随所述云台旋转而转向所述预定航向进行航摄。
2.如权利要求I所述的无人机航摄系统，其特征在于，所述旋角确定单元包括用于测量所述航摄飞机的角度变化的陀螺，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述角度变化而实时确定所述机头旋角。
3.如权利要求I或2所述的无人机航摄系统，其特征在于，所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线沿从所述航摄飞机的机头到机尾的方向分开布置，或沿从所述航摄飞机的左翼到右翼的方向分开布置;和/或所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线具有相同的竖直高度；和/或所述GNSS接收机包括分开的第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线沿水平方向分开80cm以上。
4.如权利要求I至3中任一项所述的无人机航摄系统，其特征在于，所述云台具有水平方向旋转自由度和/或竖直方向旋转自由度。和/或所述云台通过单级或多级齿轮传动系统而旋转；和/或所述云台由所述航摄飞机的舵机驱动旋转，其中所述舵机根据由所述旋角确定单元确定的所述机头旋角而驱动所述云台朝向所述预定航向旋转。
5.一种无人机，其特征在于，包括如权利要求I至4中任一项所述的无人机航摄系统。
6.一种航摄方法，其特征在于，包括以下步骤根据无人驾驶的航摄飞机的预定航向、机头指向而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；根据所述机头旋角而使相机转向所述预定航向进行航摄。
7.如权利要求6所述的航摄方法，其特征在于，根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述航摄飞机的角度变化而实时确定所述机头旋角。
8.如权利要求6或7所述的航摄方法，其特征在于，在以下至少一种情况下确定所述航摄飞机的角度变化并且根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向和所述航摄飞机的角度变化而实时确定所述机头旋角所述航摄飞机处于转弯操作过程中；用于确定所述机头指向的天线信号的强度超出预定范围；电磁干扰强度高于预定值。
9.如权利要求6至8中任一项所述的航摄方法，其特征在于，当所述机头旋角在0-30度时，根据所述机头旋角而使相机转向所述预定航向进行航
10.如权利要求6至9中任一项所述的航摄方法，其特征在于，所述实时确定所述航摄飞机的机头旋角以IOHz以上的操作频率进行。
全文摘要
本发明涉及航摄技术，特别是具有旋偏修正的无人机航摄系统、无人机和航摄方法，能够提高航摄的质量和效率。所述无人机航摄系统包括旋角确定单元，包括用于测量所述航摄飞机的机头指向的全球导航卫星系统(GNSS)接收机；和计算模块，所述计算模块根据所述航摄飞机的预定航向、所述机头指向而实时确定所述航摄飞机的机头旋角；云台，其能够根据所述机头旋角而朝向所述预定航向旋转；相机，其安装在所述云台上，并能够随所述云台旋转而转向所述预定航向进行航摄。
文档编号G01C11/00GK102589527SQ20121001487
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者丁晓波, 李英成, 杨江江, 毕凯, 罗祥勇 申请人:中测新图(北京)遥感技术有限责任公司