基于北斗的低成本無人機傾斜攝影系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、低成本、微小型無人機由于其可定制度高，容易實現(xiàn)拆卸折疊運輸、容易實現(xiàn)彈射起飛加傘降或垂直起降，不依賴機場跑道或受場地局限等特點，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身上的相機，進行拍攝，攝影過程中相機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，在對地物進行三維重建時，

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。
　　無人機傾斜攝影是一種通過在同一無人機平臺搭載兩個或多個不同傾角組合的攝影平臺，可以同時獲取地物的頂部紋理和側(cè)邊紋理信息，通過嚴格的多視幾何關(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

3、由于自身運載能力、電池容量、結(jié)構(gòu)強度等條件的限制，在進行傾斜攝影時需要進行取舍。問題主要歸納為：
　　首先是GNSS定位精度方面，無人機上搭載的GNSS設(shè)備在一定間隔時間生成的POS數(shù)據(jù)包含了無人機的三維坐標和姿態(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，可以提升無人機傾斜攝影的導(dǎo)航定位精度，并且更好的進行航線規(guī)劃。
　　其次，傾斜攝影產(chǎn)生大量的影像，如何進行快速準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)的無人機傾斜攝影的密集匹配方法。
　　最后是無人機續(xù)航能力方面，由于低成本無人機載重有限，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傾斜攝影需要的長航時需求。
　　針對上述問題，本文設(shè)

5、計并實現(xiàn)了了一種基于低成本材料、續(xù)航能力較強、三維重建精度較高的無人機傾斜攝影系統(tǒng)。主要工作如下：
　　1)研究了無人機姿態(tài)穩(wěn)定性問題，提出利用擴展卡爾曼濾波（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)進行降噪并融合處理，通過航姿航向解算，提升了無人機的穩(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)星來實現(xiàn)

6、組合定位，該方法在信號不佳的情況下也能達到較高的定位精度。
　　3)研究了基于無人機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，在此基礎(chǔ)上通過KD-TREE匹配方法對立體相對進行匹配從而自動建立相對的連接點，自動獲取傾斜影像的連接點，利用多視幾何關(guān)系重建相機內(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)對序列圖像組進行聚簇，以減少重建過程的

7、數(shù)據(jù)量，提高運算速度，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)計以及開發(fā)了一款低成本固定翼無人機，機身以泡沫為基底材料輔以碳纖維桿加強，動力采用電機驅(qū)動的單個螺旋槳。搭載了一個雙相機的傾斜攝影的載荷，以及用于控制曝光同步的單片機控制器。利用固定翼機型較高的飛行效率以獲取更長航時。
　　5)通過兩次試飛調(diào)

8、整飛控參數(shù)與機身重心，提升了無人機的穩(wěn)定性和續(xù)航能力。整機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)試驗航程時間及試驗后電池剩余電量的估算，機體作業(yè)飛行時間約1小時30分鐘，作業(yè)航程約70公里。達到了預(yù)期的設(shè)計目標。
　　本研究開發(fā)的無人機傾斜攝影系統(tǒng)，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)對地物進行傾斜攝影，并利用該攝影結(jié)果進行三維重建，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獲取地圖及地理信息同時可以接受一