基于北斗的低成本無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、低成本、微小型無人機(jī)由于其可定制度高，容易實(shí)現(xiàn)拆卸折疊運(yùn)輸、容易實(shí)現(xiàn)彈射起飛加傘降或垂直起降，不依賴機(jī)場跑道或受場地局限等特點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于市政規(guī)劃、農(nóng)業(yè)用地測量等需要即時(shí)獲取地圖及地理信息的工作中。
　　傳統(tǒng)的航空攝影遙感通過垂直安裝在機(jī)身上的相機(jī)，進(jìn)行拍攝，攝影過程中相機(jī)拍攝的圖像基本控制在與地面垂直，該拍攝模式獲取的影像進(jìn)行幾何糾正可以獲取較高的幾何定位，從而能夠生成高精度的正攝影像。但與此同時(shí)，在對地物進(jìn)行三維重建時(shí)，

2、正射影像圖僅拍攝到了地物的頂面紋理信息，然而側(cè)面由于缺乏側(cè)面的紋理信息，難以建立完整的地物三維地表模型，特別是由于部分遮擋影響生成的三模模型存在空洞。
　　無人機(jī)傾斜攝影是一種通過在同一無人機(jī)平臺搭載兩個或多個不同傾角組合的攝影平臺，可以同時(shí)獲取地物的頂部紋理和側(cè)邊紋理信息，通過嚴(yán)格的多視幾何關(guān)系以及立體匹配算法，可以自動重建地物的三維地表模型，降低三維重建的外業(yè)工作量，提升作業(yè)速度，并且能在較大范圍區(qū)域推廣使用。但是低成本無人機(jī)

3、由于自身運(yùn)載能力、電池容量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等條件的限制，在進(jìn)行傾斜攝影時(shí)需要進(jìn)行取舍。問題主要?dú)w納為：
　　首先是GNSS定位精度方面，無人機(jī)上搭載的GNSS設(shè)備在一定間隔時(shí)間生成的POS數(shù)據(jù)包含了無人機(jī)的三維坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)對地物三維重建的精度具有重要的影響，但在復(fù)雜環(huán)境如山區(qū)中，無人機(jī)航拍作業(yè)的飛行高度上會有信號遮擋，單一 GNSS定位精度不足。因此，單一的GNSS信號源難以滿足無人機(jī)傾斜攝影在復(fù)雜環(huán)境下的適用性，通過組合北斗

4、、G P S等不同GNSS定位信號，可以提升無人機(jī)傾斜攝影的導(dǎo)航定位精度，并且更好的進(jìn)行航線規(guī)劃。
　　其次，傾斜攝影產(chǎn)生大量的影像，如何進(jìn)行快速準(zhǔn)確的地物三維重建需要構(gòu)建無地面控制條件下基于POS數(shù)據(jù)的無人機(jī)傾斜攝影的密集匹配方法。
　　最后是無人機(jī)續(xù)航能力方面，由于低成本無人機(jī)載重有限，在需要搭載成像載荷的條件下難以搭載很大的電池，因此其續(xù)航能力往往難以滿足無人機(jī)傾斜攝影需要的長航時(shí)需求。
　　針對上述問題，本文設(shè)

5、計(jì)并實(shí)現(xiàn)了了一種基于低成本材料、續(xù)航能力較強(qiáng)、三維重建精度較高的無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)。主要工作如下：
　　1)研究了無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定性問題，提出利用擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF)方法對兩組IM U單元和兩組地磁傳感獲取的慣性數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪并融合處理，通過航姿航向解算，提升了無人機(jī)的穩(wěn)定性，獲取了高精度的姿態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的定位精度提尚提供了保障。
　　2)研究了無人機(jī)在線北斗/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)，該方法通過優(yōu)選北斗與GPS的可視衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)

6、組合定位，該方法在信號不佳的情況下也能達(dá)到較高的定位精度。
　　3)研究了基于無人機(jī)傾斜攝影的地物三維重建技術(shù)，該方法首先通過SIFT特征提取方法生成大量特征點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上通過KD-TREE匹配方法對立體相對進(jìn)行匹配從而自動建立相對的連接點(diǎn)，自動獲取傾斜影像的連接點(diǎn)，利用多視幾何關(guān)系重建相機(jī)內(nèi)方位元素和外方參數(shù)。然后利用散列圖像聚簇CMVS(cluster multi-view stereo)對序列圖像組進(jìn)行聚簇，以減少重建過程的

7、數(shù)據(jù)量，提高運(yùn)算速度，最后通過基于貼片模型的密集匹配PMVS(patch-based multi-view stereo)通過匹配、膨脹、過濾三個主要步驟完成最終的密集匹配。
　　4)設(shè)計(jì)以及開發(fā)了一款低成本固定翼無人機(jī)，機(jī)身以泡沫為基底材料輔以碳纖維桿加強(qiáng)，動力采用電機(jī)驅(qū)動的單個螺旋槳。搭載了一個雙相機(jī)的傾斜攝影的載荷，以及用于控制曝光同步的單片機(jī)控制器。利用固定翼機(jī)型較高的飛行效率以獲取更長航時(shí)。
　　5)通過兩次試飛調(diào)

8、整飛控參數(shù)與機(jī)身重心，提升了無人機(jī)的穩(wěn)定性和續(xù)航能力。整機(jī)成本控制在一萬以內(nèi)，地面站部分的其它器材成本在五千以內(nèi)；根據(jù)試驗(yàn)航程時(shí)間及試驗(yàn)后電池剩余電量的估算，機(jī)體作業(yè)飛行時(shí)間約1小時(shí)30分鐘，作業(yè)航程約70公里。達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　本研究開發(fā)的無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對地物進(jìn)行傾斜攝影，并利用該攝影結(jié)果進(jìn)行三維重建，可以推廣應(yīng)用在土木建設(shè)監(jiān)管、市政規(guī)劃、農(nóng)業(yè)用地測量等需要即時(shí)獲取地圖及地理信息同時(shí)可以接受一