一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法與流程

本發明涉及無人機技術領域，更具體地說，涉及一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法。

背景技術：

近年來，國際地理信息領域將傳統航空攝影技術和數字地面采集技術結合起來，發展了一種稱為機載多角度傾斜攝影的高新技術，簡稱傾斜攝影技術。傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器，同時從多個角度采集地面影像，從而克服了傳統航空攝影技術只能從垂直角度進行拍攝的局限性，能夠更加真實地反映地物的實際情況，彌補了正射影像的不足，通過整合pos,dsm及矢量等數據，實現基于影像密集匹配的三維建模技術。

現有的傾斜拍攝裝置多為五相機拍攝，將相機固定在無人機上，無人機起飛后，相機能穩定獲取地面數據。這種相機能夠獲取多角度的拍攝數據，但是這種裝置由于要搭載5個相機，整體重量較大，導致無人機續航能力受到嚴重制約，其次，由于相機角度不能調整，拍攝范圍有限，飛行路徑較密，整體工作效率較低。

中國專利(cn104880177a)公開了一種多角度無人航測系統，所述多角度無人航測系統設置有六旋翼無人機，所述六旋翼無人機上面搭載有五個鏡頭組成的多視角傾斜相機；所述多視角傾斜相機包括：攝影單元、控制單元和掛載單元；所述六旋翼無人機包括：無人機飛行平臺系統、gps導航系統、飛行控制系統、遙感攝影系統、地面控制系統、信號傳輸系統。該裝置利用5個相機分別進行拍攝，存在上述的較多缺點。

經過進一步檢索，發現兩相機傾斜攝影相關專利(cn105292509a)，該專利公開了一種無人機雙相機多角度拍攝支撐裝置，包括框架、控制裝置、電機、舵機、支撐軸、轉架、限位件、插銷，所述轉架的兩端分別與框架的兩個短邊件鉸鏈，舵機固定在轉架的一端，且舵機下部通過支撐軸與框架固定連接，插銷穿過框架、支撐軸，使支撐軸在框架上定位，雙相機固定在框架內，轉架頂部固定在無人機底部，所述控制裝置連接電機，電機連接舵機，所述限位件固定在框架的一個短邊件上，且位于舵機的兩側，所述控制裝置控制電機，電機驅動舵機，使舵機帶動轉架旋轉，從而使雙相機在框架上實現多角度拍攝；當轉架旋轉時，通過限位件能確定轉架的旋轉角度。

該支架采用兩相機進行拍攝，通過控制裝置控制相機之間的角度，實現拍攝角度的改變，但是其單方向轉動的拍攝范圍有限，重復率較低，數據采集不全，后期三維建模時難以獲得完整三維圖像。

技術實現要素：

1.發明要解決的技術問題

本發明的目的在于克服現有技術中五相機攝影裝置重量大、續航時間短不足，提供了一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法。本發明采用雙相機大大減輕了攝影裝置重量，提高了續航能力，而且能夠實現較高的拍攝重復率，保證了三維建模的準確性。

2.技術方案

為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

本發明的一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法，包括無人機體、設置在無人機體底部的增穩云臺，以及航拍云臺和航測單元，所述航測單元中心對稱設置有支撐板和相機，所述相機安裝在支撐板外端，兩個相機之間的拍攝夾角為35～70°；所述航拍云臺安裝在增穩云臺上，該航拍云臺用于驅動航測單元在豎直面和水平面內轉動。

其數據采集過程為：

步驟1、根據無人機類型、飛行高度規劃飛行路徑；

步驟2、通過飛控裝置控制無人機飛行至指定高度，然后啟動無人機按照規劃路徑自主飛行；

步驟3、航測單元從第一種姿態開始拍攝采集數據，第一舵機控制航測單元完成4個角度的拍攝數據采集；

步驟4、控制第二舵機垂直方向轉動，其中一相機拍攝豎直方向，通過第一舵機控制航測單元完成5個角度的拍攝數據采集；

步驟5、在無人機飛行過程中，重復步驟三、步驟四的拍攝過程至完成目標對象的數據采集，降落無人機。

作為本發明更進一步的改進，所述的無人機體下方設置有起落架，用于支撐無人機體并防止航測單元觸地。

作為本發明更進一步的改進，所述增穩云臺的支架通過螺栓固定在無人機體上，第一舵機外部套裝有支撐座，通過該支撐座把第一舵機與增穩云臺相連接。

作為本發明更進一步的改進，所述增穩云臺為三軸增穩云臺。

作為本發明更進一步的改進，所述航拍云臺包括通過中間載體相連的第一舵機和第二舵機，所述第二舵機轉動軸與航測單元相連。

作為本發明更進一步的改進，所述第一舵機用于驅動中間載體和第二舵機在水平面內360°轉動；第二舵機用于控制航測單元在豎直面內轉動。

作為本發明更進一步的改進，所述第二舵機控制航測單元有兩種拍攝姿態，第一種姿態時，兩個相機的傾斜角度相同；第二舵機的轉軸轉動后呈現第二種姿態，其中一個相機位于豎直拍攝位置。

作為本發明更進一步的改進，所述航測單元中兩個相機之間的拍攝夾角為60°。

作為本發明更進一步的改進，所述航測單元中支撐板之間的夾角為120°，相機拍攝方向與支撐板垂直。

3.有益效果

采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下有益效果：

(1)本發明的一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法，航測單元上中心對稱設置有兩個相機，兩個相機之間形成一定夾角，并利用航拍云臺控制航測單元在豎直平面和水平面內轉動，可實現多角度傾斜攝影，相對于傳統裝置拍攝范圍更廣，并達到較高的重復率，有助于后續建模準確性的提高；

(2)本發明的一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法，在無人機本體上安裝了三軸增穩云臺，并將航拍云臺安裝在三軸增穩云臺上，當無人機飛行時，航拍云臺可以保持自身狀態而不受無人機姿態的影響，保證其在飛行路徑上保持正常拍攝狀態；

(3)本發明的一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法，第二舵機控制航測單元有兩種拍攝姿態，配合使第一舵機每次轉軸每次旋轉90°，則第一種姿態時，兩個相機的傾斜角度相同，可拍攝4個角度影像；第二舵機的轉軸轉動后呈現第二種姿態，其中一個相機位于豎直拍攝位置，在4個方位可拍攝5個角度影像，因此可實現9角度拍攝，拍攝信息更完善。

附圖說明

圖1為本發明的多角度傾斜攝影裝置的結構示意圖；

圖2為本發明中航拍云臺和航測單元的結構示意圖；

圖3為第一種姿態下相機位置示意圖；

圖4為第二種姿態下相機位置示意圖；

圖5為三維建模數據采集方法流程示意圖。

示意圖中的標號說明：1、無人機；11、無人機體；12、增穩云臺；2、第一舵機；31、中間載體；32、第二舵機；4、航測單元；41、支撐板；42、相機。

具體實施方式

為進一步了解本發明的內容，結合附圖和實施例對本發明作詳細描述。

實施例1

結合圖1，本實施例的一種多角度傾斜攝影裝置，包括無人機體11和設置在無人機體11底部的增穩云臺12，還包括航拍云臺和航測單元，所述航測單元4中心對稱設置有支撐板41和相機42，所述相機42安裝在支撐板41外端，兩個相機42之間的拍攝夾角為35～70°；所述航拍云臺安裝在增穩云臺12上，該航拍云臺用于驅動航測單元4在豎直面和水平面內轉動。

支撐板41一端與舵機相連，另一端安裝相機42，即支撐板41外端與相機42相連。支撐板41主要是用于連接相機，不局限于板狀，可以為塊狀或桿狀，本實施優選為板狀。

所安裝相機42用于采集數據，所采集數據用于三維建模，因此，需要對拍攝對象進行連續拍攝，并有一定重復率，以便能夠完整展現拍攝信息。為了達到該目的，需要航測單元4具有較多的拍攝角度，本實施例限制兩個相機42之間的拍攝夾角為35～70°，根據使用時拍攝高度以及拍攝對象特點，可進行具體限制，本實施例限定為50°。

本實施例的航拍云臺連接航測單元4，并能夠驅動航測單元4在豎直面和水平面內轉動。由于在一個姿態能夠實現兩個角度的拍攝，當其水平旋轉90°后，能夠實現4個角度拍攝；如果控制其在豎直平面內轉動，則可實現更多的角度拍攝。

本實施例中的無人機可以采用固定翼無人機或者是多旋翼無人機，該無人機主要是用于提供飛行載體，在設定的路徑上飛行，對于其結構形式沒有具體限制，本實施例優選為旋翼無人機1。在無人機體11下方設置有起落架，該起落架用于支撐無人機體11并防止航測單元觸地。

傳統的五相機傾斜拍攝裝置，由于整體重量較大，拍攝裝置直接安裝在無人機機體上，不能安裝云臺進行調整，導致無人機的飛行姿態對拍攝的效果影響較大，而且這種缺陷很難克服。

本實施例采用雙相機的航測單元進行目標對象的拍攝，本裝置重量不到傳統裝置重量的1/2，雖然能夠通過航拍云臺實現拍攝角度的調整，但如果無人機1在飛行過程中顛簸或者是轉向，航拍云臺無法做出及時調整。本實施例通過設置的增穩云臺12來保證航測單元的穩定性，該增穩云臺12為三軸增穩云臺，使航測單元的拍攝姿態不受無人機影響，為后期三維建模提供了準確的數據支持。由于本方案重點在機械結構的改進，其控制系統可以根據需要設定，沒有太多要求。

具體使用時，根據飛行高度等因素設定好無人機的飛行路徑，控制拍攝間隔，并同時用航拍云臺控制航測單元4不斷的在豎直面和水平面內轉動，則可實現多角度的連續拍攝，合理設置飛行速度和飛行高度，一次飛行便能夠實現對整個區域的數據采集。由于該裝置只采用了兩個相機，其重量相對于傳統的五相機拍攝裝置重量大大減輕，重量不足其1/2，搭載在同樣的飛行裝置上時，工作時間超過其4倍以上，續航能力顯著增強。

實施例2

結合圖1和圖2，本實施例的多角度傾斜攝影裝置，其基本結構與實施例1相同，其不同之處在于：本實施例中增穩云臺12的支架通過螺栓固定在無人機體11上，第一舵機2外部套裝有支撐座，通過該支撐座把第一舵機2與增穩云臺12相連接。航拍云臺包括通過中間載體31相連的第一舵機2和第二舵機32，第二舵機32轉動軸與航測單元4相連。

第一舵機2可以豎直安裝，其轉動軸能夠在水平面內轉動，中間載體31的上端與第一舵機2的轉動軸連接，其下端安裝第二舵機32，用于控制第二舵機32在水平面內轉動。

第一舵機2的轉動只能使相機從不同的方位進行拍照，傾斜角度并沒有發生變化，第二舵機32可控制航測單元4在豎直面內轉動，使相機位于豎直方向拍攝，也可處于其他角度拍攝。第二舵機32轉動一個位置后，可實現兩個角度的拍攝。

實施例3

本實施例的多角度傾斜攝影裝置，其基本結構與實施例2相同，其不同之處在于：第一舵機2用于驅動中間載體31和第二舵機32在水平面內360°轉動，控制其每次轉動90°，則能夠從4個方位對目標對象進行拍攝數據采集。

第二舵機32控制航測單元4有兩種拍攝姿態，第一種姿態時，兩個相機42的傾斜角度相同，如圖3所示，限定航測單元4中兩個相機42之間的拍攝夾角為60°，則兩個相機42拍攝方向與豎直方向之間的夾角為30°。

第二舵機32的轉軸轉動后呈現第二種姿態，如圖4所示，其中一個相機42位于豎直拍攝位置，則另一個相機與豎直方向間的夾角為60°。

在第一種姿態時，第一舵機2轉軸每次旋轉90°，則能夠實現4個角度的拍攝；在第二種姿態時，第一舵機2轉軸每次旋轉0°，4個方位共有8個拍攝角度，由于由4個拍攝角度都處于豎直狀態，相重合，可記為1個拍攝角度，能夠實現5個角度的拍攝，因此，本裝置能夠實現9個角度的傾斜拍攝。

由于拍攝角度度的增加，其信息采集更加全面、準確，相對于五相機拍攝裝置具有更廣的拍攝范圍，便于后期處理加工。

實施例4

本實施例的多角度傾斜攝影裝置，其基本結構與實施例3相同，其不同之處在于：航測單元4中支撐板41之間的夾角為120°，相機42拍攝方向與支撐板41垂直。

支撐板41結構輕巧，在該結構狀態下，更易于調整舵機轉軸的轉動角度，能夠清晰的觀測到裝置的拍攝狀態。支撐板41能夠使相機與舵機之間有足夠的距離，避免兩個相機之間相互影響。本實施例中相機42上安裝有廣角鏡頭，其拍攝視野大，有助于工作效率的提高。

實施例5

本發明的一種基于多角度傾斜攝影裝置的三維建模數據采集方法，采用多角度傾斜攝影裝置進行數據采集，結合圖5，其過程為：

步驟1、根據無人機類型、飛行高度規劃飛行路徑，調整增穩云臺12平衡。

步驟2、通過飛控裝置控制無人機飛行至指定高度，然后啟動無人機按照規劃路徑自主飛行。一般可設定飛行高度可控制在150～220m范圍，相鄰飛行路徑間寬度在80～120m左右。

步驟3、航測單元4從第一種姿態開始拍攝采集數據，拍攝一次后，完成第一傾斜角度和第二傾斜角度拍攝數據；第一舵機2控制航測單元4水平轉動90°，再次拍攝，獲得第三傾斜角度和第四傾斜角度拍攝數據。

步驟4、控制第二舵機32轉動30°，其中一相機42拍攝豎直方向，另一相機42的支撐板與水平面夾角60°，拍攝后，獲得目標對象的第五豎直角度和第六傾斜角度拍攝數據，第一舵機2控制航測單元4保持間隔性90°轉動，再次拍攝，由于其中一相機仍保持豎直方向拍攝，拍攝角度沒有變化，只考慮第七傾斜角度拍攝數據，航測單元4繼續轉動，傾斜相機可獲得第八、九傾斜角度拍攝的數據。

步驟5、在無人機飛行過程中，重復步驟三、步驟四的拍攝過程至完成目標對象的數據采集，降落無人機。

后期可利用電腦客戶端對采集數據進行處理，并進行三維建模，由于能夠實現九角度的數據采集，大大提高了建模信息的準確性。本方案中所涉及的飛控裝置、導航及存儲模塊不是本方案的重點，該技術在現有技術中可以通過公開技術獲得，本方案不再贅述。

本發明在無人機本體上安裝了三軸增穩云臺，并將航拍云臺安裝在三軸增穩云臺上，當無人機飛行時，航拍云臺可以保持自身狀態而不受無人機姿態的影響，保證其在飛行路徑上保持正常拍攝狀態；此外，航測單元上中心對稱設置有兩個相機，兩個相機之間形成一定夾角，并利用航拍云臺控制航測單元在豎直平面和水平面內轉動，可實現多角度傾斜攝影，相對于傳統裝置拍攝范圍更廣，并達到較高的重復率，有助于后續建模準確性的提高。

以上示意性的對本發明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構并不局限于此。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬于本發明的保護范圍。