一种航迹测量矩阵及航迹测量系统的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，具体而言，涉及一种航迹测量矩阵及航迹测量系统。

背景技术：

随着民用无人机技术的迅速发展，特别是小型多旋翼无人机延伸扩展应用到许多行业。在电力系统中，无人机主要用于巡视输电线路本体设备及通道走廊，检测线路本体设备和通道缺陷。

在飞行过程中，无人机的飞行航迹受导航定位精度、飞控系统、风速及操控方式等多重因素的影响。在电力系统中，巡检无人机距离输电线路较近，特别是小型多旋翼无人机，因此对无人机飞行航迹的测量及控制的准确性要求很高。但目前国内尚缺乏能够准确测量无人机飞行航迹的方式。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种航迹测量矩阵及航迹测量系统，以提供一种能够精确测量无人机飞行航迹的方案。

第一方面，本发明实施例提供了一种航迹测量矩阵，包括多个航迹测量站；

多个所述航迹测量站的测量范围涵盖无人机的飞行路径；

多个所述航迹测量站中任意相邻的两个航迹测量站的视场存在重叠区域，所述重叠区域为所述测量范围。

结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第一种可能的实现方式，其中，多个所述航迹测量站中任意相邻的两个航迹测量站之间的基线长度的范围为20-50米。

结合第一方面，本发明实施例提供了上述第一方面的第二种可能的实现方式，其中，所述航迹测量站包括摄像机和固定支架；

所述摄像机安装在所述固定支架上，且所述摄像机与水平方向形成的仰角为预设角度。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，本发明实施例提供了上述第一方面的第三种可能的实现方式，其中，所述航迹测量站还包括镜头保护盖；

所述镜头保护盖与所述摄像机的镜头活动连接，在所述摄像机拍摄所述无人机过程中，所述镜头保护盖打开，在所述摄像机停止拍摄后，所述镜头保护盖关闭遮盖所述摄像机的镜头。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，本发明实施例提供了上述第一方面的第四种可能的实现方式，其中，所述航迹测量站还包括保护罩和气泡水准器；

所述保护罩及所述气泡水准器均安装在所述固定支架上，在所述摄像机停止拍摄时所述保护罩打开，将所述摄像机封闭在所述保护罩内部。

第二方面，本发明实施例提供了一种航迹测量系统，包括无人机标志物、光端机、主控终端及上述第一方面或第一方面的第一至第四种可能的实现方式中的任一实现方式所述的航迹测量矩阵；

所述光端机分别与所述航迹测量矩阵及所述主控终端连接，将所述航迹测量矩阵拍摄所述无人机标志物得到的无人机图像传输给所述主控终端。

结合第二方面，本发明实施例提供了上述第二方面的第一种可能的实现方式，其中，所述主控终端包括视频采集卡和工控机；

所述视频采集卡分别与所述光端机及所述工控机连接，通过所述光端机接收所述无人机图像，传输所述无人机图像给所述工控机。

结合第二方面，本发明实施例提供了上述第二方面的第二种可能的实现方式，其中，所述无人机标志物是通过在无人机的预设部位粘贴涂料纸得到的，所述涂料纸具有反射性且颜色为预设颜色。

结合第二方面，本发明实施例提供了上述第二方面的第三种可能的实现方式，其中，所述光端机包括光发射机和光接收机；

所述光发射机和所述光接收机均分别与所述主控终端及所述航迹测量矩阵连接；

所述主控终端通过所述光发射机传输控制信号给所述航迹测量矩阵，控制所述航迹测量矩阵包括的多个航迹测量站同时拍摄，及通过所述光接收机按照预设帧率保存所述无人机图像。

结合第二方面，本发明实施例提供了上述第二方面的第四种可能的实现方式，其中，所述预设帧率大于等于10hz。

在本发明实施例中，航迹测量矩阵包括多个航迹测量站；多个航迹测量站的测量范围涵盖无人机的飞行路径；多个航迹测量站中任意相邻的两个航迹测量站的视场存在重叠区域，该重叠区域为上述测量范围。本发明在地面布设多个航迹测量站，通过主控终端控制多个航迹测量站同时拍摄无人机图像，对拍摄的无人机图像进行处理解算出无人机在每一时刻的位置。不在无人机上增加新的部件或功能模块，对无人机无要求，基本不增加无人机的载荷，对无人机无干扰，不会影响无人机飞行，即使无人机无导航定位模块，而是采用手动方式控制飞行，也能够对无人机的航迹进行测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例1所提供的一种航迹测量矩阵的示意图；

图2示出了本发明实施例1所提供的一种航迹测量站的示意图；

图3示出了本发明实施例1所提供的另一种航迹测量站的示意图；

图4示出了本发明实施例1所提供的一种气泡水准器的示意图；

图5示出了本发明实施例2所提供的一种航迹测量系统的结构示意图；

图6示出了本发明实施例2所提供的一种航迹测量系统的模块示意图。

上述附图中的标号所代表的含义如下所示：

1：航迹测量站，2：摄像机，3：固定支架，4：镜头保护盖，5：保护罩，6：气泡水准器，7：无人机标志物，8：光端机，9：主控终端，10：航迹测量矩阵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到现有技术中尚缺乏能够准确测量无人机飞行航迹的方式。基于此，本发明实施例提供了一种航迹测量矩阵及航迹测量系统，下面通过实施例进行描述。

实施例1

参见图1，本发明实施例提供了一种航迹测量矩阵，包括多个航迹测量站1；其中，图1中仅画出了两个相邻的航迹测量站1，实际应用中航迹测量矩阵包括多个航迹测量站1，且任意相邻的两个航迹测量站1之间的基线长度均与图1中所示的两个航迹测量站1之间的基线长度相同。

多个航迹测量站1的测量范围涵盖无人机的飞行路径；多个航迹测量站1中任意相邻的两个航迹测量站的视场存在重叠区域，该重叠区域为航迹测量矩阵的测量范围。

在本发明实施例中，根据实际场地尺寸、无人机的飞行路径范围、测量站视场覆盖范围布设航迹测量站1，布设的航迹测量站1的测量范围涵盖无人机的飞行路径。布设时多个航迹测量站1中任意相邻的两个航迹测量站1之间的基线长度的范围为20-50米，如基线长度可以为26米。通过限定任意相邻的两个航迹测量站1之间的距离，来确保相邻的航迹测量站1隔得足够近，使得相邻的航迹测量站1的视场存在重叠区域，该重叠区域为无人机航迹测量的摄影测量控制网，在航迹测量矩阵中存在多个摄影测量控制网，只要无人机出现在摄影测量控制网内，就可以采用摄影测量原理来解算出无人机的空间坐标。

上述基线长度的取值与无人机飞行过程中在摄影测量控制网中出现的概率有关，基线长度越小，航迹测量矩阵中的航迹测量站1布设的越紧凑，摄像测量控制网的范围越大，则无人机出现在摄影测量控制网中的概率越大，而无人机出现在摄影测量控制网中的概率越大，则无人机航迹测量的准确性越高。但基线长度也并非越小越好，基线长度过小，会降低无人机航迹测量的准确性。本发明实施例中限定基线长度的范围为20-50米，确保无人机出现在摄影测量控制网内的概率较大。进一步地，取基线长度为26米时，无人机出现在摄影测量控制网内的概率为95％。

在布设航迹测量矩阵包括的多个航迹测量站1时，为每个航迹测量站选取合适的最远摄影距离，将航迹测量站1尽量往里靠，以提高航迹测量站1拍摄无人机的准确性及清晰度。其中，摄影距离为航迹测量站1与无人机之间的距离。航迹测量站1能够拍摄到无人机的最远摄影距离可以设置为240米。

本发明实施例为实现对大范围无人机飞行轨迹的定量测量，在地面布设若干航迹测量站1，通过多个航迹测量站1拍摄无人机图像，根据多点拍摄的无人机图像来解算无人机的航迹，本发明实施例基本不增加无人机机体载荷，对无人机飞行无影响，可用于定量评价无人机巡检系统的飞行性能；对无人机无要求，即使无人机无导航定位模块，在采用手动方式飞行的情况下，也可对其飞行航迹进行测量，可用于评价操控无人机飞行的准确性。

如图2所示，航迹测量站1包括摄像机2及固定支架3；

摄像机2安装在固定支架3上，且摄像机2与水平方向形成的仰角为预设角度。根据测量空间的实际情况同时考虑光学镜头的畸变差，本发明实施例选用带广角镜头的高速工业相机。

如图3所示，为了保护摄像机2的镜头，尽量避免镜头上落灰遮蔽镜头，本发明实施例还在航迹测量站1中设置镜头保护盖4；镜头保护盖4与摄像机2的镜头活动连接，在摄像机2拍摄无人机过程中，镜头保护盖4打开，在摄像机2停止拍摄后，镜头保护盖4关闭遮盖摄像机2的镜头。

为了保护摄像机2，尽量避免摄像机2在日晒雨淋的户外环境中受损，如图3所示，航迹测量站1还包括保护罩5；保护罩5安装在固定支架3上，在摄像机2停止拍摄时保护罩5打开，将摄像机2封闭在保护罩5内部。

本发明实施例采用的保护罩5为全封闭式的保护罩5，用于系统闲置时保护摄像机2。每次航迹测量结束后都先将镜头保护盖4盖在摄像机2的镜头上，然后再打开保护罩5，将摄像机2整个封闭在保护罩5内部。

固定支架3主要用于固定摄像机2，保证摄像机2在工作时为止和姿态不发生改变。但在使用过程中，受风力影响固定支架3可能发生倾斜或位移，若固定支架3发生倾斜或位移，将导致摄像机2的拍摄角度及三维坐标等参数发生改变，进而降低无人机航迹测量的准确性。因此需要经常对固定支架3进行检查，以确定固定支架3是否发生倾斜或位移。在本发明实施例中，如图3所示，航迹测量站1还包括气泡水准器6；气泡水准器6安装在固定支架3上。气泡水准器6可以保证安装时是否水平，并可以用来验证固定支架3是否发生了位移。若气泡水准器6内的气泡发生了位置改变，则可以确定固定支架3发生了倾斜或位移。其中，本发明实施例可以采用如图4所示的气泡水准器6。

由于摄像机2拍摄无人机时，无人机成像越靠近视场边缘畸变越大，因此为尽量减小畸变，应尽量让无人机成像在摄像机2视场的中心区域。本发明实施例中，在将摄像机2安装在固定支架3上时，保持摄像机2与水平方向形成的仰角为预设角度，该预设角度可以为7度。根据摄像机2与水平方向形成的仰角，结合基线长度和视场角，能够计算得到航迹测量站1的有效测量距离。

在本发明实施例中，在将摄像机2安装在固定支架3上之前，首先在实验室内检校摄像机2的内方位元素，以及摄像机2的摄影中心、摄影方向与6个辅助测量标记之间的相对位置关系。其中，内方位元素是描述摄影中心与像片之间相关位置的参数，包括摄影中心到像片的垂距及像主点在像框标坐标系中的坐标。在实验室内对摄像机2校准之后，不允许再对摄像机2进行拆卸、调焦或挪动辅助测量标记的位置等操作。校准完成后，将摄像机2安装在固定支架3上。在安装时按照设计调整摄像机2对应的竖直角为30度向上，调整水平角为摄像机2对应的设计值，调整的精度控制在2度以内。

对于航迹测量矩阵包括的每个航迹测量站1，都按照上述方式先在实验室内校准摄像机2，然后将摄像机2安装在固定支架3上。且航迹测量矩阵中还布置有多个全站仪和棱镜，航迹测量矩阵中部的2个全站仪观测点用于坐标系统的定义，在每个摄像机2的右前方或者左前方3m处的全站仪用于单个摄像机2的外定向。用全站仪和棱镜测量由2+n个全站仪观测点组成的控制网，通过测量平差计算得到2+n个站点的三维坐标，然后按照碎部测量的方式依次测量n个摄像机2的辅助测量标记的三维坐标。根据实验室中对摄像机2进行校准得到的校准关系，换算出n个摄像机2的外方位元素。其中，n为航迹测量矩阵包括的航迹测量站1的数目。外方位元素用于描述摄像机2摄影中心的空间坐标值和姿态的参数。

按照上述方式将每个航迹测量站1安装好，且测量出每个航迹测量站1的摄像机2的内方位元素、外方位元素及每个摄像机2的三维坐标等参数后，即可以通过航迹测量矩阵来测量无人机的航迹。在测量无人机的航迹时，将航迹测量矩阵通过光纤连接到主控终端上，通过主控终端控制航迹测量矩阵包括的多个航迹测量站1同时对无人机进行拍摄，并且按照预设帧率从航迹测量矩阵获取并保存无人机图像，通过主控终端上安装的综合处理软件对获取的无人机图像进行处理，计算出每一时刻无人机的位置。

上述预设帧率大于或等于10hz。本发明实施例在航迹测量矩阵包括的航迹测量站1与主控终端之间采用光纤传输数据，采用光纤传播的软触发代替串口线传播的硬触发，并采用定时装置来控制同步触发。

本发明实施例基于摄影测量原理在地面布设若干航迹测量站1，在基本不增加无人机机体载荷的前提下，通过多点获取无人机图像来解算无人机的航迹。由于对无人机无要求，不增加无人机载荷，因此不会影响无人机飞行，即使无人机无导航定位模块，在采用手动方式飞行的情况下，也可对无人机的飞行航迹进行测量。

在本发明实施例中，航迹测量矩阵包括多个航迹测量站；多个航迹测量站的测量范围涵盖无人机的飞行路径；多个航迹测量站中任意相邻的两个航迹测量站的视场存在重叠区域，该重叠区域为上述测量范围。本发明在地面布设多个航迹测量站，通过多个航迹测量站同时拍摄无人机图像，对拍摄的无人机图像进行处理解算出无人机在每一时刻的位置。不在无人机上增加新的部件或功能模块，对无人机无要求，基本不增加无人机的载荷，对无人机无干扰，不会影响无人机飞行，即使无人机无导航定位模块，而是采用手动方式控制飞行，也能够对无人机的航迹进行测量。

实施例2

参见图5，本发明实施例提供了一种航迹测量系统，包括无人机标志物7、光端机8、主控终端9及上述实施例1所提供的航迹测量矩阵10；

光端机8分别与航迹测量矩阵10及主控终端9连接，将航迹测量矩阵10拍摄无人机标志物7得到的无人机图像传输给主控终端9。

其中，在图5中仅示意性地画出了航迹测量矩阵10包括的4个航迹测量站1，实际应用中可以包括更多的航迹测量站1。

上述无人机标志物7是通过在无人机的预设部位粘贴涂料纸得到的，涂料纸具有反射性且颜色为预设颜色。预设部位可以为无人机的机身、机腹以及顶部。预设颜色可以为与无人机机体颜色及天空颜色反差大的颜色。

由于无人机在最远距离时成像占行比不到1％，这对立体像对的同名点匹配造成一定困难，且由于无人机飞行姿态是不定的，无法保证每次解算出来的位置结果均为无人机上同一点的位置。因此本发明实施例在无人机上设置了无人机标志物7。无人机由于其轻便特点，其机身核心部位较小，为保证在任意角度都能看到机身，且能将机身与脚架、螺旋桨等部位区分，上述无人机标志物7可以采用高反射红色涂料纸粘贴在无人机的机身、机腹以及顶部。在进行航迹计算时，从无人机图像中识别出无人机后，将红色区域的中心视为无人机的中心进行计算。

在本发明实施例中，光端机8包括光发射机和光接收机；光发射机和光接收机均分别与主控终端9及航迹测量矩阵10连接；主控终端9通过光发射机传输控制信号给航迹测量矩阵10，控制航迹测量矩阵10包括的多个航迹测量站1同时拍摄，并且通过光接收机按照预设帧率保存无人机图像。预设帧率至少为10hz。

本发明实施例并不具体限定光端机8的数目，光端机8的数目与航迹测量矩阵10包括的航迹测量站1的数目有关，通常一个光端机8与航迹测量矩阵10包括的一个或多个航迹测量站1连接，因此航迹测量矩阵10包括的航迹测量站1的数目越多，则光端机8的数目越多。

在实际应用场景的户外大范围情况下，为实现高清信号源远距离传输，可以选用同三维t803-sdi高清视频光端机8，光端机8包括光发射机和光接收机。其中，光发射机可实现视频信号在光纤上的无损传输，光接收机可实现视频信号在光纤上的无损接收，避免出现信号偏色、模糊，以及避免信号产生重影和拖尾及网纹干扰等。

在本发明实施例中，主控终端9包括视频采集卡和工控机；视频采集卡分别与光端机8及工控机连接，通过光端机8接收无人机图像，传输无人机图像给工控机。在无人机飞行过程中，主控终端9通过光端机8发送控制信号给航迹测量矩阵10包括的每个航迹测量站1，通过该控制信号控制航迹测量矩阵10包括的所有航迹测量站1同时对无人机标志物7进行拍摄，并通过光端机8获取航迹测量站1拍摄的无人机图像。

其中，一个视频采集卡负责预设数目个航迹测量站1拍摄的无人机图像的采集。主控终端9上安装的综合处理软件包括数据记录软件和数据处理软件。数据记录软件基于高清采集卡sdk(softwaredevelopmentkit，软件开发工具包)每隔预设时长对所有通道的数据进行拍照记录，待数据记录完毕后运行数据处理软件进行影像数据的处理，对影响数据的处理具体包括无人机识别检测、像点坐标量测及无人机三维位置解算。上述预设数目可以7个或9个等，预设时长可以为1s或2s等。

由于一台工控机最多只能搭载有限数量个视频采集卡，而实际应用中可能有很多路视频数据需要采集，因此本发明实施例可以采用多个主控终端9。本发明实施例并不具体限定主控终端9的数量，在实际应用中可根据需求决定采用的主控终端9的数量。

在实际应用场景中，工控机上需同时采集多路sdi(serialdigitalinterface，数字分量串行接口)视频，对主频要求较高，因此实际应用中工控机拟选用gt6150工控机，视频采集卡拟选用kps-4sdi-e。

在本发明实施例中，航迹测量系统的系统组成模块图如图6所示。系统由若干个航迹测量站1、无人机标志物7、光端机8和主控终端9组成。其中，若干个航迹测量站1组成航迹测量矩阵10，每个航迹测量站1至少由固定支架3、摄像机2、相机墩4及保护罩6组成。主控终端9包括视频采集卡和工控机，且主控终端9上安装有综合处理软件。

为了进一步理解航迹测量系统的结构及测量过程，下面结合实例进行具体说明。在该实例中，布置18个航迹测量站1，布设时尽量减小航迹测量站1对应的摄影距离，保证最远摄影距离不超过240m，将航迹测量站1尽量往里靠，基线长度统一为26m。布设得到的航迹测量矩阵10的死角面积与要求测量区域的面积分别为1405m²、39684m²，两者之间的比例为3.5％，据此可得无人机同时出现在两个航迹测量站1的视场内的概率为96.5％。在布设时保持所有摄像机2与水平方向的仰角为7度，结合基线长度和视场角，可计算得到每一组航迹测量站1的有效测量距离为67～240米。

在实验室内对每个航迹测量站1的摄像机2进行校准后，将摄像机2连同固定之间等辅助装置一起安装到18个相机墩上，按照设计调整竖直角为30度向上，调整水平角为各个摄像机2各自的设计值，调整的精度控制在2度以内。用全站仪和棱镜测量由2+18个全站仪观测站点组成的控制网，通过测量平差计算得到20个站点的三维坐标，然后按照碎部测量的方式依次测量18个相机的辅助测量标记的三维坐标。利用实验室内校准得到的校准关系，换算出18个相机的外方位元素。主控终端9控制这18个摄像机2同时拍照，并按照9帧每秒的帧率保存影像。主控终端9上的综合处理软件根据存储的数据计算出每一时刻区域内无人机的位置。

在本发明实施例中，基于摄影测量原理在地面布设若干航迹测量站1，仅在无人机的预设部位粘贴涂料纸，基本不增加无人机机体载荷，通过多点获取无人机图像来解算无人机的航迹。由于对无人机无要求，不增加无人机载荷，因此不会影响无人机飞行，即使无人机无导航定位模块，在采用手动方式飞行的情况下，也可对无人机的飞行航迹进行测量。

在本发明实施例中，航迹测量矩阵包括多个航迹测量站；多个航迹测量站均位于无人机的飞行路径测量范围内；多个航迹测量站中任意相邻的两个航迹测量站之间的距离为预设数值，任意相邻的两个航迹测量站的视场存在重叠区域，预设数值使得无人机出现在重叠区域内的概率大于预设概率值。本发明在地面布设多个航迹测量站，通过多个航迹测量站同时拍摄无人机图像，对拍摄的无人机图像进行处理解算出无人机在每一时刻的位置。不在无人机上增加新的部件或功能模块，对无人机无要求，基本不增加无人机的载荷，不会影响无人机飞行，即使无人机无导航定位模块，而是采用手动方式控制飞行，也能够对无人机的航迹进行测量。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。