无人机数字摄影测量系统的设计和应用

无人机数字摄影测量系统的设计和应用122郑团结王小平唐剑（总参测绘信息技术总站，陕西，西安，710054；西安大地测绘有限公司，陕西，西安，710054）摘要：无人机数字摄影测量系统为适应城市规模化测绘生产需要而设计开发，项目从机体设计、航线设计、通讯设计、监控设计、数据处理等各个层面，对航空摄影的原理、方法及相关参数进行了深入探讨和简要总结。

项目进行了自动驾驶实验、超视距飞行实验、控制飞行实验、发动机空中停车紧急处理实验、干扰实验等常规实验，完成了数百平方公里摄影任务，实现了无人机摄影测量一体化的整合集成。

应用结果表明，该系统具有“三高一低”的重要特性（高机动性、高分辨率、高度集成、低成本），而且更加适应城市规模化测绘生产需要。

关键词：无人机IMU DGPS数字摄影测量系统研制分类号：TP965Headquater作者简介：郑团结（1975­）男，博士生,主要从事摄影测量和3S集成方向的研究.作者简介：王小平（1959­）男，高级工程师，主要从事航测无人机研制应用研究.The Design and Application of Digital Photographic System Based On TheUnmanned AircraftZheng Tuanjie Wang Xiaoping Tang Jian（the General Staff Surveying and Mapping Master Station,xi’an,710054;Xi’an Dadi Surveying and Mapping Company，xi’an,710054）Abstract：Digital photographic systems based on the unmanned aircraft was designed and manufacture for performing the cyber surveying and mapping,the project consists of airframe design,course line design, communication system design,control system design,data processing system design,this paper made a deeper research into the theory and the method of photography,and draw some conclusions of it.the project conduct a a whole set of test such as automatic guide,transcend sight flying,control flying,motor deadman's emergency handle,constructive interference,be successful in fulfilling the aerial photography over large areas,achieved integration photographic based on the unmanned aircraft.The application declared,the system has three merits, it’s mobile activity is higher,it’s resolution is better,it’s integration is better;and it is performing the cyber surveying and mapping.Keywords：Unmanned Aircraft;IMU;DGPS;Digital Photographic System引言3S技术、计算机技术、自动控制技术、数字通信技术的不断发展促使摄影测量的手段和方法推陈出新，数字摄影测量的技术成熟之后，其发展方向必然是高度集成、高度机动而面向大众，无人机摄影测量系统]2,1[的开发和应用不但丰富着“数字地球”的资源空间，而且改善着测绘科学的装备结构。

一、系统概述无人机摄影测量系统是具有GPS导航、自动测姿测速、远程数控及监测的无人机低空定时摄影系统，系统以无人驾驶飞行器为飞行平台，以高分辨率数字遥感设备为机载传感器，以获取低空高分辨率遥感数据为应用目标，主要用于地理数据的快速获取和处理。

该系统利用单反数码相机、GPS、自动测姿测速设备、数传电台获取“数字城市”必需的影像数据、摄站坐标、摄影姿态；利用相关设备和程序实现影像纠正参数的初始标准化；利用数字摄影测量软硬件进行影像纠正拼接。

从而为制作正射影像、地面模型或基于影像的城市测绘提供最简捷、最可靠、最直观的应用数据。

无人机摄影测量系统由西安大地测绘公司无人机研究所自主设计，历时五年先后制作并投入应用航摄无人机10套，试飞共计1000余架次，完成了自动驾驶实验、超视距飞行实验、控制飞行实验、发动机空中停车紧急处理实验、干扰实验等常规实验，先后完成了浐灞三角洲20平方公里、山西某矿山10平方公里、南三环、西三环、北三环等近路区域航摄生产任务。

该系统翼展2.7米，机长2米，有效载荷3—5千克，最大平飞速度160公里/小时，巡航速度100—130公里/小时，失速速度55公里/小时，续航时间1小时，具有独立知识产权。

系统由无人机摄影硬件系统和无人机摄影软件系统组成。

硬件系统主要包括无人机、机载系统、监控系统三部分。

软件系统包括航线设计、飞行控制、远程监控、航摄检查、数据预处理五个部分，有效实现了快速航线设计、航摄覆盖检查、实时数据传输、数据预处理等相关内容，有效解决了程控平行飞行和程控姿态稳定的难点。

系统不但可用于城市低空高分辨率彩色影像的获取与纠正，而且经开发研制的多相机组合摄影系统可实现多面摄影构造三维城市模型。

图1无人机摄影硬件系统二、机载系统机载系统是该系统的关键和核心。

主要由动力系统、导航与飞行控制系统、数字摄影系统、通信系统四部分构成。

无人机依靠机载系统通过任务编程按预设航线自主飞行并执行航空摄影任务，空速传感器、高度传感器、GPS 、姿态传感器分别记录飞行速度、飞行高度、飞行轨迹、飞行姿态。

飞行参数实时通过数传台到达地面监控站。

]4,3[2.1动力系统动力系统采用德产3W 航模汽油机，整套系统重量轻，功率大，采用自动电子进角点火，起动容易。

使用93#汽油，方便可靠。

2.2数字摄影系统数字摄影系统主要由专业单反数码相机构成，相机符合中心投影，同一任务中镜头焦距固定。

数码相机按照控制系统指令脉冲定时摄影，影像数据自动存入相机附带的存储卡内，存储速度和容量与相机参数和存储卡类型有关。

2.3导航与飞行控制系统导航与飞行控制系统主要用于完成飞行器的导航定位，具体包括引导飞行器按预定航线飞行、控制飞行器飞行姿态和轨迹、按照预编程控制任务系统完成航摄；在危险情况下控制飞行器进入自动着陆状态并安全降落。

该系统的选择历时两年先后验证了两个系列四种不同规格的飞行控制系统，从航高稳定度、航线垂直度、俯仰角和滚转角控制能力等综合因素考虑，前后制做了6架飞行器进行控制能力的验证，最终采用了现服役于美国和西班牙军方的飞行控制系统。

该系统靠两个微处理机协调工作，由任务管理、导航微处理机、飞行控制微处理机和各种飞行控制传感器构成。

包含俯仰、偏航、滚转速率陀螺、XY 轴加速度传感器、空速传感器、气压高度计和GPS 接收机。

任务管理和导航微处理机用于导航、任务控制以及与地面控制站的通讯；飞行控制微处理机用于飞行控制和增稳控制；飞行控制传感器检测飞机当前各种信息；飞行控制微处理机根据反馈信息与设定值偏差的大小，通过飞行控制通道的控制器，给舵机输出消除偏差的控制信号，从而实现自主飞行。

为了实现不同的功能，该控制系统设计了多种控制模式，并可以在不同控制模式之间自由切换。

►PIC 模式可使用RC 遥控发射机直接遥控飞行器，是纯遥控模式。

►RPV这是一个半自主飞行控制模式，可由飞行控制系统控制飞行稳定，实时改变设定高度、速度以及航路点等。

►UA V 模式完全自主飞行控制模式，飞行控制系统执行自主起飞和降落，并自动执行起飞前装入的导航和任务指令，沿设定航线自主飞行。

为保障飞行安全，该系统采用了多种保护措施►自检失败保护：如果系统开机自检失败或导航设置有误，发动机油门会立即关闭，同时反复摆动方向舵提示操作者，系统转入着陆状态终止起飞．►GPS 定位保护：系统开机自检后，如果GPS 没有获得完全的定位，即使在PIC 飞行控制模式下打开遥控发射机，飞行控制系统也不会进入遥控飞行模式．也就是说，只要GPS 没有定位，遥控发射机也不能操纵飞行器．►遥控失灵保护；如果RC 遥控时无线电信号被干扰、发射机发生故障、低电或飞行器飞出遥控控制范围以外，系统将自动转为自主飞行模式．►电源低电保护：如果电源监视器监测到机上电压低于设定的临界值，将立即发出着陆指令，飞行器转入着陆状态自行降落。

►临界高度保护；无论什么原因（例如发动机空中停车），如果飞行器的飞行高度低于设定的临界高度，飞行器将转入着陆状态自行降落。

图2导航与飞行控制系统系统由增稳装置，减振装置，数码照相机，程控快门装置构成。

增稳，减振装置最大程度消除振动并置平照相机；程控快门装置接收来自飞行控制系统的信号精确控制相机快门完成拍照。

2.4通信系统通信系统由一个无线数传电台与任务管理及导航微处理机TTL 通信端口通过信号转换接头和数传电台的RS­232通信端口相连，地面站数传电台的RS —232通信端口和笔记本电脑的RS­232通信端口相连。

这样飞行器就可以利用数传电台实时向地面站发送飞行器的飞行状态数据，以曲线和模拟仪表形式显示出来。

同时接收来自地面站的导航与任务等控制指令,并可以用地面控制站发送遥控指令，实时设定或改变飞机的飞行航路点、飞行高度、航向等。

三、地面监控系统地面测控系统由笔记本电脑、地面控制软件、通信电缆、数传电台组成。

地面控制软件通过图形界面，根据飞控系统发回的信息，实时在地图上精确标定飞机的当前位置、飞行路线和飞行轨迹；速度表，高度表，地平仪实时显示出当前速度，高度和飞行姿态，地图窗口具有移动和缩放功能，可以更容易观察飞机的飞行状况。

通过地面控制站，在飞行期间可以实时监控飞行器的飞行、修改飞行器的任务设置和飞行参数。

提高和增强了飞行器执行任务的能力，在飞行期间可以实时改变预定的任务。

通过地面控制站软件可用键盘或鼠标直接输入任务航点，寻找和修改以前保存的任务航点文件，以及在地图上直接标定航点位置等，从而大大增强了对飞行器的实时控制性能。