简易无人机测绘摄像架模型设计

张桢宇 王晓东 陈宏鑫

摘要：基于五摄像头式倾斜摄影技术设计了一款新型低成本的无人机测绘摄像架模型。模型由通用PLA塑料通过3D打印技术制作，包括了与无人机连接的固定支架、放置设备的设备层和保护摄像头的外壳，整个设计低廉简便，稳固实用性也较好。

关键词：3D打印;倾斜摄影;无人机测绘;支架设计

0.引言

随着无人机技术的发展，利用无人机进行各种航拍应用广泛。其中，无人机测绘是一种利用倾斜摄影技术可快速实现景象还原建立三维模型的无人航拍方式，对地形地貌的勘测、城市园林模型的建设乃至军事上都有巨大的作用[1-2]。但是，由于无人机测绘摄像专业系统价格昂贵，且技术门槛较高，市场上可利用的廉价无人机测绘系统资源较少，这限制无人机测绘的推广。针对这一问题，本文以低成本为核心设计一种新型的无人机测绘摄像架模型。

1.设备选型

在摄像设备选型上，目前市面上存在的倾斜摄像头有三目，五目，以及五目以上几个大类，其中，五目摄像头即一个垂直、四个倾斜布置格局的摄像头为主流。综合考虑了成本以及实现难度，本文最终选择了五目摄像头作为实现目标。经比较，选择了OV2710摄像头来进行图像的采集。该款设备专门用于1080P视频记录的高端CMOS，能提供1920x1080像素的高质量图像，并拥有145°的视场角。可将选取的五个摄像头中的四个做倾斜放置，倾斜角为45度，一个做垂直放置于中央，即可达成测绘图像采集基本需求。

2.支架设计

2.1 整体外形设计

为了降低设备成本，将十分成熟的FDM熔融层积成型3D打印技术引入到支架构建中。在外形上参考了一些市场主流产品的构型方案后，本设计使用Fusion360软件來进行3D建模与模拟装配。在3D打印的耗材上选择了PLA塑料。这主要是基于PLA是最为常见的打印材料之一，具有价格低廉、使用简单、轻便可靠的优点，同时可以降解，更加环保。

所设计的整体支架外结构如图1所示。

2.2 支架分体设计

本摄像头支架可拆解为三个分体，自上而下分别为：对接层、设备层以及保护外壳，如图2所示（1-保护外壳;2-OV2710摄像头组件;3-设备层;4-树莓派hub;5-树莓派板;6-对接层）。

1）支架对接层的作用是提供一个平台，便于与无人机上的对接装置进行对接，使整个设备能够固定在无人机的下部，同时在另一面提供一个放置开发板以及转接设备的空间，其长宽均为136mm。其上设有三个长58mm，宽2.7mm，一个长51.5mm，宽7.5mm的开口，长度与树莓派USB转接设备尺寸相当，用于将二者固定。

2）设备层为摄像头提供了放置的空间，其上设有4个梯形支架，用于放置4个OV2710摄像头。四个支架均采用镂空设计，缩减了打印用料，在减少制造成本的同时，减轻了整体的重量。在每个支架下方，摄像头接口对应处，设有一个长24.8mm的开口，用于走线。

3）最下方的保护外壳起到对摄像头的保护与固定的作用，其整体厚度为3mm。外壳上设有5个镜头开口，所有镜头开口都高于镜头本身，能在受到撞击时保护镜头不会受损。

最终打印件成品重量仅为271±10g左右。

2.3 设备层线路设计

设备层包含：树莓派主控、USB HUB HAT、五块OV2710摄像头模块、5条4Pin转USB（A）数据线、一条USB（A）转USB（Micro B）数据线、一条USB转Type-C电源线。作为摄像机的核心部分，其大小直接影响到摄像机外壳的大小，考虑到飞行器挂载时的负重、空气流动，需要尽量缩小设备、线路所占用的空间，缩小摄像机的体积，设计电路结构如图3所示。

经过市场调查发现，现阶段市面的倾斜摄影相机价格大约都在万元以上，而本产品各模块成本可以控制在1800元以内，若OV2710驱动模块重新设计，可进一步降低成本。

2.4 通信机制设计

通信包括：树莓派与上位机、树莓派与OV2710摄像头的双向通信。

1. 树莓派与上位机通信

该通信采用Secure Shell实现。SSH是基于应用层的安全协议，提供可靠、安全的远程注册和其他网络服务的协议。使用SSH协议，可以有效防止远程管理过程中的信息泄露问题。

2. 树莓派与OV2710摄像头模块的通信。

该通信通过通用串行总线USB2.0实现。由于树莓派仅提供了2个USB2.0接口，本文采用USB HUB HAT作为交换机提供了四个USB接口扩展实现多摄像头接入。

3.模型建立

3.1 数据预处理

影响无人机航飞效果的主要因素有航线、相对航高、重叠度等，实施航空摄影前需充分考虑这些因素，数据采集前应当对无人机平台设置合理的参数以保证影像质量[3]。

参数设定后，分别从垂直、前方、后方、左侧、右侧五个不同的方向和角度采集影像数据，以获取全方位的地物纹理信息。导出5组镜头分别对应5组影像和位置数据，对影像名称和该影像所对应的位置数据按照规定的格式进行预处理，保证数据格式的正确性以及资料的完整性。

3.2 定位算法

本模型支架摄像头支持空中三角测量算法。

空中三角测量学是取得和实现数字地球数据的重要技术手段之一，也是国土资源管理、基础测量等相关于数据的来源，在我国的基础测量及其他领域发挥着巨大的作用。空中三角测量的目的是为测绘地形图提供定向控制点和像片定向参数，需要以地面基准站为基准，通过航空器（在最新的技术中还使用了GPS卫星）、地面基准站的方位坐标，定义地面目标的绝对定位参数。

空中三角测量常用的解析方法有三种：航带法、独立模型法、光束法。

3.3 建模软件选取

测绘实现选用Context Capture作为建模软件。该软件集成有3.2算法，可以从简单的照片生成高分辨率的实际三维模型。Context Capture基本上没有对摄影者的限制要求，数据处理的过程也有着高伸缩性和高效率性。整个处理过程也不需要人工干涉，通常可以在几分钟到几个小时之间进行。

为了进一步提高精度，在重建项目选择3D模型。进入空间框架后，选择切块为规则平面网格切块，将瓦片大小改为500米，新生产项目选择3D网格，格式为：3MX、空间参考坐标系统WGS 84/UTM zone 49（EPSG：32649），则得到较好的输出结果。

4.结论

在智慧城市和数字城市建设中，需要基于倾斜摄影测量技术的自动化生产实景三维模型生成。本文针对倾斜摄像设备价格昂贵、技术复杂的问题设计了一种简易无人机测绘摄像架模型。模型利用FDM 3D打印技术，结合了自主开发的倾斜摄像头测绘系统，大大降低无人机测绘摄像硬件的成本。

参考文献：

[1]李安福，吴晓明，路玲玲.SWDC-5倾斜摄影技术及其在国内的应用分析[J].现代测绘，2014，37（6）：12-14.

[2]董友强.倾斜航空影像提取建筑物关键技术研究[D].北京：中国矿业大学，2019.

[3]蔡亮，王蒙蒙.基于Context Capture的无人机倾斜摄影三维建模及精度分析[J].建筑，2020（03）：74-76.

厦门大学嘉庚学院大学生创新创业训练计划资助项目（NO.262）。

作者简介：张桢宇（2001-），广东深圳人，电子信息工程专业本科生;

王晓东（1974-），通信作者，陕西西安人，智能科学与技术专业，副教授。

陈宏鑫（2001-），福建泉州人，电子信息工程专业本科生。

厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院 福建 漳州 363105