基于同步控制技术的无人机采集系统

熊彪

摘要：随着城市建设的飞速发展，建设环境日益恶化，地质灾害频繁发生，电力施工项目不仅需要完成工程的设计监理数据采集分析，还需要有施工环境、运行环境的地理信息数据进行采集、处理、分析。采用传统的测量方式对输电线路资源进行调查，工作量大、效率低、成本高，难以满足电网建设需求。未来，电力施工需要完成以下几方面的进步：

关键词：同步控制技术；无人机采集系统；研究

引言

随着工业4.0时代的到来，大数据、物联网、人工智能、云计算、区块链、三维数字化、5G等新技术手段喷涌而出，必将促进各行业产生新的变革。这些新技术手段的持续发展，也为电网工程设计技术创新变革提供了强有力的技术支撑，对于推进智能电网建设，全面提升电网数字化、智能化有着显著意义。

1技术方案的发明点概述

本发明基于同步控制技术的无人机通用挂载型真实三维数据采集设备发明项目是通过研究多头可见光相机同步曝光控制技术、多头相机同步姿态记录技术、无人机通用挂载技术，开发的一款低成本，高效率真三维数据采集设备。该设备由五头可见光相机、GPS定位装置获取设备组成，在曝光瞬间获得微秒级同步的五个角度的数字影像数据以及与该数字影像曝光时姿态定位对应的三个线元素x，y，z和三个角元素φ、ω、κ。通过特殊计算后形成具备cm级高精度位置和高程坐标的高分辨率影像。这些数据通过具备空三运算处理的软件，可以获得位置精度高于5cm，高程精度高于7cm的具有真实色域纹理的空间三维模型。

2无人机采集系统

一种基于无人机平台的3相机航空三维数据采集系统。主要由3相机组成的采集单元、单片机和舵机组成的控制单元、安装固定采集单元和控制单元的云台这三大部分组成。三台相机以工字型安装在云台上,左右视角相机斜向下35度角固定安装,下视相机可前后摆动。独特的3相机云台设计方式配合微电脑控制单元的精准控制,使得中间相机能够一次获取3个视角的影像数据,整个系统能够一次性采集地物左视、右视、下视、前视、后视5个视角的影像数据,从而全方位地获取地物三维信息。本发明的优势是:该系统的制作成本和使用成本都非常低,轻便的系统结构更加适合无人机平台,结合无人机的机动性和灵活性,该发明成为一种超经济型和实用型的无人机三维数据采集解决方案,填补了无人机平台三维数据采集系统中质量轻便、价格低廉载荷的空白。

3现有技术的技术问题

传统电力工程设计和施工过程监控，效率低、精准度低、安全风险高。施工中缺乏自动化智能化设备，几乎全部依靠人工地面作业，数据量有限，时常出现测量人员与电气定位人员，对彼此的工作互不了解，导致勘测资料中，各队图纸拼接不上，甚至出现计算错误等问题。

4技术方案的详细阐述

基于同步控制技术的无人机通用挂载型真实三维数据采集设备发明项目是通过研究多头可见光相机同步曝光控制技术、多头相机同步姿态记录技术、无人机通用挂载技术，开发的一款低成本，高效率真三维数据采集设备。该设备由五头可见光相机、GPS定位装置获取设备组成，在曝光瞬间获得微秒级同步的五个角度的数字影像数据以及与该数字影像曝光时姿态定位对应的三个线元素x，y，z和三个角元素φ、ω、κ。通过特殊计算后形成具备cm级高精度位置和高程坐标的高分辨率影像。这些数据通过具备空三运算处理的软件，可以获得位置精度高于5cm，高程精度高于7cm的具有真实色域纹理的空间三维模型。

4.1真实三维采集设备产品实物开发

由于双镜头和三镜头相机存在一系列缺陷，亟需一款具备五镜头的真实三维采集设备（1）镜头的光学特性：五镜头三维摄影相机，不是简单五个相机进行物理连接就可以满足技术指标的，带有测量任务要求的相机对镜头要求很高。为了满足后期的高精度要求，必须对三维摄影相机镜头做一些特殊的光学处理，比如镜片材料、镜头光学校正技术和镜片的加工工艺类型。从光学特性来讲，五镜头三维摄影型相机对入射光线的色散率、畸变程度有着很高要求，而普通材料镜片无法满足这样的使用需求。优秀的镜片材料可以纠正原始像差，但像差作为镜片固有属性，不可能完全消除，只能不断改善，进一步改善像差的技术就叫复消色差技术。它可以减少因镜头色散带来的累积误差，降低空三分层概率，大幅提高镜头的锐度值，利于空三建模特征点提取与匹配。而畸变校正技术则可以降低原始航片的畸变值，增加软件对航片特征点的识别度。相机镜头使用的镜片类型也相当重要，非球面能够在保证像差尽可能小的情况下，得到高水准的画面质量，相比球面镜片它分辨率和色彩还原度都更高。

4.2同步反馈

五镜头三维摄影相机在作业时，理论上是同一时间进行拍照的，但由于不同镜头拍摄物体的复杂程度不同，航片大小也就不一致，所以相机写入、存储照片的时间也就不同。这些细微的时间差经作业时间累积放大后，很可能导致相机曝光不同步，局部或整体少曝光，丢失必要的影像资料（丢片）。丢片是指相机在空中时，由于某种原因导致五个相机中的某一个或者几个并没有按照程序指定，完成拍照动作。少量丢片，我们可以花费大量时间找到丢片点，然后采取补救措施，大量丢片会直接导致本架次数据作废。所以，我们需要密切监控相机的工作状态，同步性反馈就变得尤为重要。

5预期技术要求：

5.1双路数据导出

5.2双通信接口，实现多平台兼容

5.3 5路实时热靴反馈，实时监控图传

5.4RTK微秒级时间同步，获取高精度坐标

5.5固件在线自动升级，优化用户体验

5.6标配图像处理工作室软件，智能管理飞行架次

5.7IP54级防护；

图像处理工作室软件主要功能有数据预览、架次管理，照片下载、转换POS文件、POS坐标写入照片、数据清空、初始化等功能。

提出一种通用性数据与挂载接口方法，实现与公司现有多种无人机平台等设备实现可快速拆装与施工作业。有利于利用公司现有储备的技术和资产资源。达到科研开发的经济与效益的统一和优化。兼容性强：可兼容市面上不同型号无人机平台，预留了DJISDK接口和航空插头接口，支持高低电平信号，PWM信号，以及PSDKk通信。操作便捷：高集成化的结构和接口设计，安装方便，使用简单，配合专门开发配套的架次数据管理软件，数据一键处理，大幅减少人工处理环节。应用范围广：施工勘测、电力工程设计、工程验收、工程项目过程管理等不同环节，可快速高效的采集地理信息数据，降低劳动强度、安全风险和作业成本。

结束语

无人机在系统组成、操作方式、起降方式、任务模式等方面与有人机存在很大差异，使得无人机飞行品质内涵较有人驾驶飞机飞行品质发生了很大变化，完全照搬使用有人机飞行品质标准，无法满足真实需求。本文从无人机的组成、飞行特点、控制方式等方面出发，首次将无人机飞行品质分为自主控制模式下无人机飞行品质和人工控制模式下飞行品质进行分析，具有较高的研究和实用价值。

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