一种航空摄影测量系统的制作方法

本实用新型涉及计算机技术领域，特别是涉及一种航空摄影测量系统。

背景技术：

航空摄影测量是获取基本地理信息的主要技术手段，利用机载影像装置和其他传感器系统共同作业获取地面图像信息，并对影像信息进行记录、分析和表达的技术。进行航空摄影测量需要机载成像装置获取清晰图像资料，还需要知道每一张图像曝光时刻的位置信息和姿态信息。

POS(Position and orientation System，测地定位系统)，是在航空摄影中提供地理参考位置和方位的系统。通过多年的发展，航空摄影测量已经进入到数字摄影测量的时代。在航空摄影测量中，为了能在同一时刻可以获取到曝光时刻图像的位置信息和姿态信息，则GNSS(全球导航卫星系统，Global Navigation Satellite System)系统和POS系统之间的时间同步必须相同，否则所采集的图像与对应的位置信息和姿态信息存在偏差，导致在后处理时精度下降，无法满足实际工作需求。

目前市场上的POS系统主要方案为：较多的采用Linux系统对GNSS数据和POS系统数据进行时间同步.采用造价昂贵的FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片和Linux系统相互结合对两者进行时间同步。

因为Linux系统不是一个实时操作系统，Linux系统接收到触发信号并将该时间点写入到POS系统的过程需要耗费较多时间。且因为FPGA的实时性较高，使用其处理事件触发并将时间同步到POS系统中是最为有效的技术手段。但航POS系统中，使用FPGA不仅会浪费大量的硬件资源，而且因为其价格较高，会导致产品成本上升，经济利益下降。

此外，若无人机的关键器件传感器布局的比较散乱，不能保证传感器坐标轴的统一性，会增加臂杆长度量取误差，降低解算精度。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种航空摄影测量系统，将关键器件(如传感器)如传感器的布局在同一水平线上，保证了传感器坐标轴的统一性，减小了臂杆长度量取误差，提高了解算精度。

其技术方案如下：

一种航空摄影测量系统，包括：相机、处理器、定位模块、传感器数据模块；其中，所述相机分别与所述定位模块、所述传感器数据模块连接；所述处理器分别与所述定位模块连接、所述传感器数据模块连接；

其中，所述传感器数据模块包括微处理器及传感器；所述微处理器与所述传感器连接；所述传感器包括第一角速度传感器、第二角速度传感器、第三角速度传感器及加速度传感器；

所述第一角速度传感器、第二角速度传感器及第三角速度传感器形成的空间直角坐标系与所述加速度传感器的空间直角坐标系重合；

所述相机用于获取地面图像；所述定位模块用于提供位置信息并将所述位置信息发送至所述处理器；所述传感器数据模块用于生成所述相机在获取地面图像时的包含时间信息的传感器数据，并将所述传感器数据发送至所述处理器；所述处理器用于获取所述地面图像、位置信息及传感器数据。

在其中一个实施例中，所述第一角速度传感器、第二角速度传感器及第三角速度传感器设置于所述加速度传感器对应的板卡上，所述第一角速度传感器与第二角速度传感器设置于同一条直线上，所述第三角速度传感器设置于所述第一角速度传感器与第二角速度传感器之间，并与所述第一角速度传感器与第二角速度传感器垂直；所述第一角速度传感器、第二角速度传感器、第三角速度传感器与所述加速度传感器的中心位于同一水平线上；

所述第一角速度传感器、第二角速度传感器、第三角速度传感器及加速度传感器用于在相机获取地面图像时产生传感器数据；所述微处理器用于将时间信息同步到传感器数据。

在其中一个实施例中，所述相机还用于输出曝光信号至所述定位模块及传感器数据模块。

在其中一个实施例中，所述定位模块包括事件触发信号引脚，所述事件触发信号引脚用于接收所述相机输出的曝光信号并根据所述曝光信号生成事件触发信号；

所述定位模块用于当检测到事件触发信号引脚的事件触发信号时，将位置信息通过通讯接口传输至所述处理器。

在其中一个实施例中，所述定位模块还用于将秒脉冲信号确定为时间同步标尺，并将所述时间同步标尺发送至所述传感器数据模块。

在其中一个实施例中，所述传感器数据模块用于接收所述相机输出的曝光信号并根据所述曝光信号生成中断信号，以及根据所述中断信号及时间同步标尺将时间信息同步到传感器数据。

在其中一个实施例中，所述航空摄影测量系统还包括储存模块；所述处理器还用于将所述地面图像、位置信息及传感器数据存储至所述储存模块。

在其中一个实施例中，所述传感器数据模块的安装位置设置于相机的中心线上。

在其中一个实施例中，所述航空摄影测量系统还包括计算机设备，所述计算机设备用于接收所述地面图像、位置信息及传感器数据。

在其中一个实施例中，所述计算机设备还用于根据所述位置信息及传感器数据解算出地面图像对应的定位信息和姿态信息。

上述航空摄影测量系统，包括：相机、处理器、定位模块、传感器数据模块；其中，所述相机分别与所述定位模块、所述传感器数据模块连接；所述处理器分别与所述定位模块连接、所述传感器数据模块连接；其中，所述传感器数据模块包括微处理器及传感器；所述微处理器与所述传感器连接；所述传感器包括第一角速度传感器、第二角速度传感器、第三角速度传感器及加速度传感器；所述第一角速度传感器、第二角速度传感器及第三角速度传感器形成的空间直角坐标系与所述加速度传感器的空间直角坐标系重合；所述相机用于获取地面图像；所述定位模块用于提供位置信息并将所述位置信息发送至所述处理器；所述传感器数据模块用于生成所述相机在获取地面图像时的包含时间信息的传感器数据，并将所述传感器数据发送至所述处理器；所述处理器用于获取所述地面图像、位置信息及传感器数据；将关键器件(如传感器)布局在同一水平线上，保证了传感器坐标轴的统一性，减小了臂杆长度量取误差，提高了解算精度。

附图说明

图1为本实用新型的一种航空摄影测量系统的示意图；

图2为本实用新型的一种传感器的布局示意图；

图3为本实用新型的另一种传感器的布局示意图。

附图标记说明：

相机100、处理器200、定位模块300、传感器数据模块400、事件触发信号引脚310、微处理器410、传感器420、第一角速度传感器421、第二角速度传感器422、第三角速度传感器423、加速度传感器424。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1所示，本实用新型的航空摄影测量系统可以包括相机100、处理器200、定位模块300、传感器数据模块400；

其中，相机100分别与定位模块300、传感器数据模块400连接；处理器200分别与定位模块300连接、传感器数据模块400连接；

在本实施例中的一种应用场景中，上述的模块可以搭载于无人机上，实现获取地面图像及相应的位置信息、传感器数据的效果；具体地，无人机可以包括固定翼无人机、多旋翼无人机、旋翼直升机等，其中，多旋翼无人机可以包括四旋翼无人机、六旋翼无人机及八旋翼无人机等，本实施例不作限制。

本实施例中，该相机100可以包括摄像头及DSP(数字信号处理器，Digital Signal Processor)等器件，其可以用于获取地面图像；即在无人机飞行时同时控制该相机100进行摄像，或控制该相机100进行视频的录制。

进一步地，定位模块300可以包括GNSS板卡，即GNSS接收机，其主要作用是接收地面基准站的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services，标准协议)数据，实现RTK(Real-time kinematic，实时动态)解算，得到相应的位置信息，并将位置信息发送至处理器200；该定位模块300还可以包括天线，即GNSS板卡可以包括GNSS天线，其主要用于接收卫星来的无线信号，并将其转化为电信号。

在一种优选的实施例中，传感器数据模块400包括微处理器410及传感器420；微处理器410与传感器420连接；传感器420包括第一角速度传感器421、第二角速度传感器422、第三角速度传感器423及加速度传感器424；

传感器数据模块400用于生成相机100在获取地面图像时的包含时间信息的传感器数据，并将传感器数据发送至处理器200。

该微处理器410可以包括STM32系列的微处理器，STM32系列的微处理器可以与第一角速度传感器421、第二角速度传感器422、第三角速度传感器423及加速度传感器424分别连接；

需要说明的是，第一角速度传感器421、第二角速度传感器422及第三角速度传感器423形成的空间直角坐标系与加速度传感器424的空间直角坐标系重合；该STM32系列的微处理器与上述的传感器420共同组成传感器数据模块400，可以根据传感器的轴系进行布局，使三个角速度传感器形成的空间直角坐标系与加速度传感器的空间直角坐标系相互重合，数据处理过程中不需要对角速度传感器的数据进行空间转换即可直接将数据和三轴加速度传感器数据融合，将关键器件(如传感器)布局在同一水平线上，保证了传感器坐标轴的统一性，减小了臂杆长度量取误差，提高了解算精度。

进一步地，该传感器420还可以包括其他种类的传感器，如电子罗盘、温度传感器、湿度传感器等，本实施例对此不作限制。

本实施例中，该处理器200可以包括Cortex-A8等不同系列的ARM处理器，本实施例对此不作限制；处理器200可以用于获取地面图像、位置信息及传感器数据；即处理器200可以接收来自相机100的地面图像、来自定位模块300的位置信息及来自传感器数据模块400的传感器数据。采用双处理器控制，实时系统和Linux系统分别工作，不仅保证了传感器数据与GNSS时间同步，而且数据通讯互不干扰。可以将传感器数据模块400作为单独的模块安装在航测无人机的相机100上，准确实时采集相机100姿态中，处理器200可放在无人机机身中，独立于传感器数据模块400单独采集定位模块300(GNSS板卡)的数据，提高产品的可复用性。

在一种实施例中，参照图2，提供了本实用新型的一种传感器420的布局示意图，如图2所示，该第一角速度传感器421的型号可以为SCR2100，第二角速度传感器422的型号可以为SCR2100，第三角速度传感器423的型号可以为SCR2100，该三轴加速度传感器424可以包括任一型号的三轴加速度传感器。

具体地，第一角速度传感器421、第二角速度传感器422及第三角速度传感器423设置于加速度传感器424对应的板卡上，第一角速度传感器421与第二角速度传感器422设置于同一条直线上，第三角速度传感器423设置于第一角速度传感器421与第二角速度传感器422之间，并与第一角速度传感器421与第二角速度传感器422垂直；第一角速度传感器421、第二角速度传感器422、第三角速度传感器423与加速度传感器424的中心位于同一水平线上；

第一角速度传感器421、第二角速度传感器422、第三角速度传感器423及加速度传感器424用于在相机100获取地面图像时产生传感器数据；微处理器410用于将时间信息同步到传感器数据。

在另一种实施例中，参照图3，提供了本实用新型的另一种传感器420的布局示意图，还可以由型号为SCC2230的器件(相当于一个三轴加速度传感器434及一个角速度传感器423)及两个型号为SCR2100的角速度传感器(标号为421与422)组成三个角速度传感器及一个三轴加速度传感器的结构。

具体而言，如图3所示，X1表示角速度传感器421与422的朝向，则两个型号为SCR2100的角速度传感器421与422互相垂直放置，形成X1Y1平面坐标，再加上型号为SCC2230的Z1轴中的角速度传感器423，则形成了X1Y1Z1空间直角坐标系；该空间直角坐标系与型号为SCC2230的器件中的三轴加速度传感器424的X2Y2Z2的空间直角坐标系相互重合，三个角速度传感器与三轴加速度传感器的中心在同一水平线上，保证了坐标系在同一空间位置上。

在航测作业过程中，需要量取天线到该传感器数据模块400中心点U1的距离、相机100中心点到传感器数据板模块的中心点U1的XYZ三个方向上的距离，该距离称为臂杆长度，根据该臂杆长度和传感器420的数据解算出相机100的实时姿态信息及其位置信息。该传感器数据模块400对应的板卡布局结构在中心点U1上且板卡面积小，用户在安装传感器数据模块400对应的板卡，可放置于相机100的中心线上，传感器数据模块400的安装位置设置于相机100的中心线上，使用时只要量取天线到中心点U1的XYZ距离即可，减少了用户的工作量。

进一步应用到本实施例中，相机100的作用还包括输出曝光信号至定位模块300及传感器数据模块400。

在相机100拍摄地面图像时，相机100同时会生成一个曝光信号，并将该曝光信号发送至定位模块300及传感器数据模块400；

进一步地，定位模块300包括事件触发信号引脚310，事件触发信号引脚310用于接收相机100输出的曝光信号并根据曝光信号生成事件触发信号；定位模块300用于当检测到事件触发信号引脚310的事件触发信号时，将位置信息通过通讯接口传输至处理器200。

以定位模块300为GNSS板卡、微处理器200为STM32系列微处理器为例进行说明，在实际航空摄影测量过程中，相机100会以一定的周期性进行图像的采集，由于在飞行过程中受无人机和其他环境因素影响，相机100的姿态并不是时钟一致的。这时，需要传感器420实时记录相机100的传感器数据并结合定位模块的位置信息，发送给处理器200进行存储。

若传感器420的数据输出频率越高，测量相机100的姿态准确度越高。当相机100进行图像的采集时，会生成曝光信号，曝光信号直接触发GNSS板卡的事件触发信号和STM32系列微处理器的中断信号。此时，GNSS板卡记录下图像采集的时间信息，STM32系列微处理器也获得了相应的时间信息，并插入到传感器数据中。最后共同发送给处理器，即实现了GNSS板卡和STM32系列微处理器之间的时间同步。采用的STM32系列的微处理器较FPGA芯片的成本更低，且开发难度低，缩短了开发周期。

具体而言，定位模块300还用于将秒脉冲信号(PPS)确定为时间同步标尺，并将时间同步标尺发送至传感器数据模块400。传感器数据模块400用于接收相机100输出的曝光信号并根据曝光信号生成中断信号，以及根据中断信号及时间同步标尺将时间信息同步到传感器数据。STM32系列微处理器专门负责传感器数据采集，传感器数据输出频率可达200Hz，同时其实时性保证了GNSS板卡、相机曝光触发的时间同步可靠性。利用STM32系列微处理器的实时性的特点，对相机和GNSS板卡的秒脉冲信号进行时间同步，稳定可靠，不存在时延情况。

进一步应用到本实施例中，该航空摄影测量系统还包括储存模块，该储存模块可以包括eMMC(Embedded Multi Media Card，嵌入式多媒体卡)存储器或其他种类的存储器；本实施例对此不作限制。处理器200还用于将地面图像、位置信息及传感器数据存储至储存模块，即Cortex-A8等处理器可以将地面图像、位置信息及传感器数据存储至eMMC存储器。

具体应用到本实施例中，航空摄影测量系统还包括计算机设备，计算机设备用于接收地面图像、位置信息及传感器数据。计算机设备还用于根据位置信息及传感器数据解算出地面图像对应的定位信息和姿态信息。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。