簡易無人機測繪攝像架模型設計

張楨宇 王曉東 陳宏鑫

摘要：基于五攝像頭式傾斜攝影技術設計了一款新型低成本的無人機測繪攝像架模型。模型由通用PLA塑料通過3D打印技術制作，包括了與無人機連接的固定支架、放置設備的設備層和保護攝像頭的外殼，整個設計低廉簡便，穩固實用性也較好。

關鍵詞：3D打印;傾斜攝影;無人機測繪;支架設計

0.引言

隨著無人機技術的發展，利用無人機進行各種航拍應用廣泛。其中，無人機測繪是一種利用傾斜攝影技術可快速實現景象還原建立三維模型的無人航拍方式，對地形地貌的勘測、城市園林模型的建設乃至軍事上都有巨大的作用[1-2]。但是，由于無人機測繪攝像專業系統價格昂貴，且技術門檻較高，市場上可利用的廉價無人機測繪系統資源較少，這限制無人機測繪的推廣。針對這一問題，本文以低成本為核心設計一種新型的無人機測繪攝像架模型。

1.設備選型

在攝像設備選型上，目前市面上存在的傾斜攝像頭有三目，五目，以及五目以上幾個大類，其中，五目攝像頭即一個垂直、四個傾斜布置格局的攝像頭為主流。綜合考慮了成本以及實現難度，本文最終選擇了五目攝像頭作為實現目標。經比較，選擇了OV2710攝像頭來進行圖像的采集。該款設備專門用于1080P視頻記錄的高端CMOS，能提供1920x1080像素的高質量圖像，并擁有145°的視場角。可將選取的五個攝像頭中的四個做傾斜放置，傾斜角為45度，一個做垂直放置于中央，即可達成測繪圖像采集基本需求。

2.支架設計

2.1 整體外形設計

為了降低設備成本，將十分成熟的FDM熔融層積成型3D打印技術引入到支架構建中。在外形上參考了一些市場主流產品的構型方案后，本設計使用Fusion360軟件來進行3D建模與模擬裝配。在3D打印的耗材上選擇了PLA塑料。這主要是基于PLA是最為常見的打印材料之一，具有價格低廉、使用簡單、輕便可靠的優點，同時可以降解，更加環保。

所設計的整體支架外結構如圖1所示。

2.2 支架分體設計

本攝像頭支架可拆解為三個分體，自上而下分別為：對接層、設備層以及保護外殼，如圖2所示（1-保護外殼;2-OV2710攝像頭組件;3-設備層;4-樹莓派hub;5-樹莓派板;6-對接層）。

1）支架對接層的作用是提供一個平臺，便于與無人機上的對接裝置進行對接，使整個設備能夠固定在無人機的下部，同時在另一面提供一個放置開發板以及轉接設備的空間，其長寬均為136mm。其上設有三個長58mm，寬2.7mm，一個長51.5mm，寬7.5mm的開口，長度與樹莓派USB轉接設備尺寸相當，用于將二者固定。

2）設備層為攝像頭提供了放置的空間，其上設有4個梯形支架，用于放置4個OV2710攝像頭。四個支架均采用鏤空設計，縮減了打印用料，在減少制造成本的同時，減輕了整體的重量。在每個支架下方，攝像頭接口對應處，設有一個長24.8mm的開口，用于走線。

3）最下方的保護外殼起到對攝像頭的保護與固定的作用，其整體厚度為3mm。外殼上設有5個鏡頭開口，所有鏡頭開口都高于鏡頭本身，能在受到撞擊時保護鏡頭不會受損。

最終打印件成品重量僅為271±10g左右。

2.3 設備層線路設計

設備層包含：樹莓派主控、USB HUB HAT、五塊OV2710攝像頭模塊、5條4Pin轉USB（A）數據線、一條USB（A）轉USB（Micro B）數據線、一條USB轉Type-C電源線。作為攝像機的核心部分，其大小直接影響到攝像機外殼的大小，考慮到飛行器掛載時的負重、空氣流動，需要盡量縮小設備、線路所占用的空間，縮小攝像機的體積，設計電路結構如圖3所示。

經過市場調查發現，現階段市面的傾斜攝影相機價格大約都在萬元以上，而本產品各模塊成本可以控制在1800元以內，若OV2710驅動模塊重新設計，可進一步降低成本。

2.4 通信機制設計

通信包括：樹莓派與上位機、樹莓派與OV2710攝像頭的雙向通信。

1. 樹莓派與上位機通信

該通信采用Secure Shell實現。SSH是基于應用層的安全協議，提供可靠、安全的遠程注冊和其他網絡服務的協議。使用SSH協議，可以有效防止遠程管理過程中的信息泄露問題。

2. 樹莓派與OV2710攝像頭模塊的通信。

該通信通過通用串行總線USB2.0實現。由于樹莓派僅提供了2個USB2.0接口，本文采用USB HUB HAT作為交換機提供了四個USB接口擴展實現多攝像頭接入。

3.模型建立

3.1 數據預處理

影響無人機航飛效果的主要因素有航線、相對航高、重疊度等，實施航空攝影前需充分考慮這些因素，數據采集前應當對無人機平臺設置合理的參數以保證影像質量[3]。

參數設定后，分別從垂直、前方、后方、左側、右側五個不同的方向和角度采集影像數據，以獲取全方位的地物紋理信息。導出5組鏡頭分別對應5組影像和位置數據，對影像名稱和該影像所對應的位置數據按照規定的格式進行預處理，保證數據格式的正確性以及資料的完整性。

3.2 定位算法

本模型支架攝像頭支持空中三角測量算法。

空中三角測量學是取得和實現數字地球數據的重要技術手段之一，也是國土資源管理、基礎測量等相關于數據的來源，在我國的基礎測量及其他領域發揮著巨大的作用。空中三角測量的目的是為測繪地形圖提供定向控制點和像片定向參數，需要以地面基準站為基準，通過航空器（在最新的技術中還使用了GPS衛星）、地面基準站的方位坐標，定義地面目標的絕對定位參數。

空中三角測量常用的解析方法有三種：航帶法、獨立模型法、光束法。

3.3 建模軟件選取

測繪實現選用Context Capture作為建模軟件。該軟件集成有3.2算法，可以從簡單的照片生成高分辨率的實際三維模型。Context Capture基本上沒有對攝影者的限制要求，數據處理的過程也有著高伸縮性和高效率性。整個處理過程也不需要人工干涉，通常可以在幾分鐘到幾個小時之間進行。

為了進一步提高精度，在重建項目選擇3D模型。進入空間框架后，選擇切塊為規則平面網格切塊，將瓦片大小改為500米，新生產項目選擇3D網格，格式為：3MX、空間參考坐標系統WGS 84/UTM zone 49（EPSG：32649），則得到較好的輸出結果。

4.結論

在智慧城市和數字城市建設中，需要基于傾斜攝影測量技術的自動化生產實景三維模型生成。本文針對傾斜攝像設備價格昂貴、技術復雜的問題設計了一種簡易無人機測繪攝像架模型。模型利用FDM 3D打印技術，結合了自主開發的傾斜攝像頭測繪系統，大大降低無人機測繪攝像硬件的成本。

參考文獻：

[1]李安福，吳曉明，路玲玲.SWDC-5傾斜攝影技術及其在國內的應用分析[J].現代測繪，2014，37（6）：12-14.

[2]董友強.傾斜航空影像提取建筑物關鍵技術研究[D].北京：中國礦業大學，2019.

[3]蔡亮，王蒙蒙.基于Context Capture的無人機傾斜攝影三維建模及精度分析[J].建筑，2020（03）：74-76.

廈門大學嘉庚學院大學生創新創業訓練計劃資助項目（NO.262）。

作者簡介：張楨宇（2001-），廣東深圳人，電子信息工程專業本科生;

王曉東（1974-），通信作者，陜西西安人，智能科學與技術專業，副教授。

陳宏鑫（2001-），福建泉州人，電子信息工程專業本科生。

廈門大學嘉庚學院信息科學與技術學院 福建 漳州 363105