王 敏，周樹道，嚴(yán) 衛(wèi)，施偉來(lái)，賈 赟

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

防止無(wú)人機(jī)起落架影響視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架研究*

王 敏1,2，周樹道1,2，嚴(yán) 衛(wèi)1，施偉來(lái)1，賈 赟1

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044)

針對(duì)折反射式全景相機(jī)獲取全方位圖像時(shí)，由于無(wú)人機(jī)起落架的遮擋，造成圖像獲取要素不完整的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)。通過(guò)采集無(wú)人機(jī)離地距離和飛行狀態(tài)調(diào)節(jié)全景相機(jī)鏡頭的位置，可以防止無(wú)人機(jī)起落架落入圖像內(nèi)，使得采集要素的完整性達(dá)到了100%，提高了采集的圖像質(zhì)量；同時(shí)可以根據(jù)無(wú)人機(jī)的起落距離，對(duì)全景相機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)收放，避免鏡頭與地面相接觸，有效保護(hù)了鏡頭。

無(wú)人機(jī)；起落架；折反射式全景相機(jī)；可翻轉(zhuǎn)支架

0 引言

全景成像利用特殊的成像裝置能從一個(gè)視點(diǎn)獲取水平方向一周360°、垂直方向達(dá)到半球以上視場(chǎng)的多方向圖像，由于成像范圍大、成像快等特點(diǎn)，可為軍事偵查、機(jī)器人導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域提供大視場(chǎng)場(chǎng)景的立體感知和重現(xiàn)功能，近年來(lái)發(fā)展快速，成為光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)。

目前為止，主要有三種實(shí)現(xiàn)全景成像的方法：圖像拼接法、魚眼鏡頭法和折反射全景成像法[1]?；趫D像拼接的全景成像方法之一是使相機(jī)繞通過(guò)其光心的垂直軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)多個(gè)方向的場(chǎng)景成像，再將這些不同方向的場(chǎng)景圖像拼接成一幅全景圖。這種方法，雖然成像分辨力高，但成像速度慢，拼接算法復(fù)雜，一般只能拼接出柱面全景圖像，不能滿足單一視點(diǎn)要求，且成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，不能滿足實(shí)時(shí)全景成像的需要。魚眼鏡頭在獲得大視場(chǎng)的同時(shí)又有其缺點(diǎn)，即會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的桶形畸變，很難校正，且成像分辨率低。高質(zhì)量的魚眼透鏡通常采用10片以上的結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量的光學(xué)材料，因此系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)成本昂貴。折反射式全景成像技術(shù)由于具有一次性大范圍成像特點(diǎn)，實(shí)時(shí)性能優(yōu)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)掃描部件，無(wú)拼接，因而可以作為替代現(xiàn)有航空全景相機(jī)的重要技術(shù)。但由于無(wú)人機(jī)起落架的存在，使得折反射式全景相機(jī)在獲取全方位圖像時(shí)，總是存在由于起落架的遮擋而造成圖像獲取要素不完整、成像質(zhì)量不高等問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了一種防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)，通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量機(jī)體離地安全距離后，微處理器控制全景相機(jī)及支架的上下翻轉(zhuǎn)，可以防止全景相機(jī)進(jìn)行全景圖像采集時(shí)無(wú)人機(jī)起落架落入圖像內(nèi)，提高圖像采集要素的完整性和圖像的質(zhì)量，獲取全方位無(wú)起落架干擾的全景圖像。

1 無(wú)人機(jī)起落架對(duì)全景相機(jī)視場(chǎng)的成像影響

通常，無(wú)人機(jī)折反射全景成像系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、折反射全景相機(jī)和數(shù)據(jù)處理單元等組成，如圖1所示。折反射全景相機(jī)成像可以獲得水平方向360°、垂直方向210°的大視場(chǎng)場(chǎng)景圖像。折反射全景相機(jī)通常置放于無(wú)人機(jī)機(jī)身正下方，但由于無(wú)人機(jī)兩側(cè)起落架的位置低于全景相機(jī)，導(dǎo)致全景圖像始終出現(xiàn)該起落架，影響圖像的進(jìn)一步解讀，如圖2所示。

圖1 無(wú)人機(jī)全景成像系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 無(wú)人機(jī)起落架對(duì)全景成像影響圖

2 可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)組成

防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)由超聲波測(cè)距傳感器模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、中央處理器模塊、全景相機(jī)及支架模塊和電源模塊組成[2-3]，如圖3所示。其中，超聲波測(cè)距傳感器模塊用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)機(jī)體底部距離地面的垂直距離[4-5]，步進(jìn)電機(jī)[6]模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)全景相機(jī)及支架模塊的垂直180°翻轉(zhuǎn)，中央處理器模塊[7]根據(jù)超聲波測(cè)距傳感器模塊測(cè)量的距離信息控制步進(jìn)電機(jī)模塊的正反轉(zhuǎn)，電源模塊用來(lái)為系統(tǒng)供電。全景相機(jī)置放于起落架底部相交的回轉(zhuǎn)軸的中部，通過(guò)滾動(dòng)軸承進(jìn)行上下翻轉(zhuǎn)。

圖3 可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)組成圖

可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局為：將全景相機(jī)的相機(jī)托盤放置于回轉(zhuǎn)軸正中位置，回轉(zhuǎn)軸通過(guò)滾動(dòng)軸承和連接件連接于無(wú)人機(jī)起落架的兩側(cè)底端，步進(jìn)電機(jī)、中央處理器、超聲波測(cè)距傳感器和電源等封裝于一殼體內(nèi)，其中超聲波測(cè)距傳感器指向無(wú)人機(jī)正下方，該殼體放置于一側(cè)起落架外側(cè)底端，具體結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

圖4 可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)工作過(guò)程

防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)工作過(guò)程如下：

(1) 無(wú)人機(jī)停止飛行狀態(tài)下，全景相機(jī)鏡頭默認(rèn)保持垂直向上初始位置，如圖5所示。

圖5 全景相機(jī)初始向上位置圖

(2)無(wú)人機(jī)飛離地面后，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量距地面間的垂直距離大于4 m時(shí)，中央處理器模塊發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)模塊，使步進(jìn)電機(jī)開始正轉(zhuǎn)工作，驅(qū)動(dòng)全景相機(jī)及支架模塊開始向地面方向翻轉(zhuǎn)180°，如圖6所示。

圖6 全景相機(jī)翻轉(zhuǎn)向上工作位置圖

(3)無(wú)人機(jī)返回地面前，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量距地面間的垂直距離小于4 m時(shí)，中央處理器模塊發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)模塊，使步進(jìn)電機(jī)開始反轉(zhuǎn)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)全景相機(jī)及支架模塊開始向無(wú)人機(jī)方向轉(zhuǎn)動(dòng)180°，相機(jī)回到初始位置，直到無(wú)人機(jī)降落至地面。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)，根據(jù)離地距離和無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)調(diào)節(jié)全景相機(jī)鏡頭進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，有效防止無(wú)人機(jī)起落架落入圖像，同時(shí)保護(hù)鏡頭避免損傷，大幅提高了圖像采集要素的完整性，為進(jìn)一步的圖像釋讀奠定了基礎(chǔ)。

[1] 王敏,周樹道,張水平,等. 全景立體成像技術(shù)淺述[J].信息技術(shù),2014(5):24-27.

[2] 王祁. 智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[3] 姚錫凡.人工智能技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[4] 李航，王可人. 基于STC89C52RC的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)試,2010(1):55-58.

[5] 張銀霞,魏振春,張儒瑞,等.基于超聲波定位的機(jī)車監(jiān)控與導(dǎo)航系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展,2009(12):1057-1060.

[6] 曹承志.電機(jī)、拖動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[7] 樓然苗，李光飛，等.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

周樹道 (1964-)，男，碩士，教授，主要研究方向：成像技術(shù)。

The study of overturn bracket to prevent the UAV landing gears impaction on the panoramic camera

Wang Min1,2, Zhou Shudao1,2, Yan Wei1，Shi Weilai1, Jia Yun1

(1. Institute of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China；2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

Aiming at the problem that when the panoramic images are got by the panoramic camera, they are shield by UAV landing gears, and the image acquisition elements are incomplete, the overturn bracket system to prevent the UAV landing gears impaction on the panoramic camera is proposed. The distance between the ground and the u4v and flight state of UAV are used to adjust the position of the panoramic camera, and prevent the landing gears into the image. The integrity of the collected factors reached 100%, and the quality of the image is improved integrity. At the same time, the UAV landing distance is used to turn and fold the panoramic camera, and avoid contact with the ground, and the lens is protected effectively.

UAV; landing gears; catadioptric panoramic camera; overturn bracket

TN942.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.02.011

王敏，周樹道，嚴(yán)衛(wèi)，等.防止無(wú)人機(jī)起落架影響視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(2)：32-33，40.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41301370)

2016-07-27)

王敏(1983-)，通信作者，女，博士，副教授，主要研究方向：成像技術(shù)、數(shù)字圖像處理。E-mail：yu0801@163.com。