有限空间内无人机全景拍摄云台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于:建筑遗产数字化、无人机云台设计及全景摄影技术领域。
【背景技术】
[0002]360度全景摄影是指相机于固定点旋转拍摄周边360*180度(水平360度，竖直180度)景物全景照片，照片经全景软件处理后，观看者能够以人机互动方式旋转操作，通过改变观看角度(方向)，产生可四周观望、身处其境的感觉。
[0003]全景拍摄发展迅速，已逐渐成为虚拟现实技术的一种类型。和水平移动相比，在高处拍摄视野更开阔，能够看到更多的景物。无人直升机、无人多旋翼机已经被用来拍摄空中全景图像。
[0004]无人直升机最常见的拍摄方式主要是下置云台，安装单相机，依靠直升机绕自身悬停中心旋转的能力连续旋转拍摄，类似于地面三脚架全景拍摄方法。但直升机全景拍摄存在局限性，即相机不能自由上仰拍摄，因为会受到直升机主旋翼的严重遮挡，旋翼进入视野会造成拍摄领域所谓的“穿帮”问题，因此，一般可看到的最大上仰角仅为10-25度，大于这一角度的天空为拍摄盲区，主要依靠计算机后期处理，利用另购的天空图片填充全景图片的上空盲区部分，并抹在略微上仰拍摄中偶尔出现的直升机机身痕迹。由于天空细节变化较少，因此易于替换且不易察觉，只要直升机距离周边地物远，或者具有相对的高度优势，则这种方法亦可行。从201110392818.9号专利《基于无人直升机航拍的360度空中全景互动漫游系统的制作方法》同样可以看出直升机适合于下俯拍摄。即使使用多相机组合而成的全景拍摄装置，直升机主旋翼的遮挡仍是不可避免的，例如《空中360度全景照片拍摄装置》(201320135877.2)专利申请书提出了使用多个相机组成无盲区全景拍摄球状装置，并将其安装到无人直升机上拍摄空中全景。由于机身、旋翼的遮挡，必然存在拍摄盲区。因此此种拍摄球形装置一般只适用于地面三脚架或者车顶支架等其他遮挡不严重的场合。
[0005]但在建筑、文化遗产、考古等领域拍摄全景漫游成果的时候，经常需要近距离拍摄对象以表现细节，且周边大多还有更高的建筑、山体、悬崖，例如拍摄建筑梁柱上雕刻、彩绘、悬崖上的岩画、佛教寺庙的洞窟等。此时周围环境中具有高度优势的地物必然进入全景画面的上半部分。旋翼图像与被摄对象图像重叠在一起，再难于使用前述的后期天空图像替换修补的方法来获得无上仰盲区的完整全景图像。
[0006]多旋翼机是近年来新出现的垂直起降飞行器，依照旋翼数量和布局，它可以分为如图1的多种类型，这些类型的共同点，也即多旋翼机与直升机相比的特征在于多旋翼机的旋翼数量增加、单个桨叶尺度缩小、旋转轴从中间位置转变为向四周分散布局。因为多旋翼机的这一特点，相机等任务荷载的安放就变得更为灵活自由，不仅在旋翼或机身下方向下拍摄，还可以在旋翼之间与其同高，水平向前拍摄，也可以在机身骨架的上方，高于旋翼的旋转平面向上拍摄。
[0007]在201210377100.7号专利《基于正多面体的360度无盲区全景视频拍摄设备》和201320135877.2号《空中360度全景照片拍摄装置》中可以看出多个相机一起触发，能同时拍摄获得各角度覆盖的全景图像。
[0008]那么是否可以将相机分为上下两组，在多旋翼机上下侧分别直接安装两组相机拍摄，得到无遮挡的全景图像呢？这样做的条件是相机必须远离机身安装才能避开旋翼遮挡，但这样会造成多个问题:
[0009](a)下侧相机位置最低，降落时会先撞击到地面。
[0010](b)上、下侧相机之间位置差别过大，近距离拍摄的情况下，这一差别会导致上下图像之间难于准确拼接，《一种系留气艇地空全景摄像与成像装置》(02294802.3)提出的上下无盲区全景拍摄方案是在飞艇的内部安装一个竖管，上下两端分别放置相机。但飞艇自身高度3-5米，相机上下位置差别过大，不易拼接成功，因此该方案仅适用于大气物理领域，绝对不适合洞窟等遗产细节拍摄。在多旋翼机上，即使上下相机之间距离缩小到几十公分，但由于物距可能仅有几米，也会影响图像拼接成功率，因此对于遗产有限空间拍摄，这一高低差别仍不可忽略。
[0011](C)相机数量多，在相同成像质量的条件下，整体设备购买成本高、重量大，相同大小的旋翼机滞空时间缩短。
[0012]为了避免旋翼对镜头的遮挡，DJI公司研发了悬臂可升降的Inspire多旋翼机。悬臂升起时下置摄像头可不受遮挡地略上仰拍摄，悬臂下降时用于保护摄像头不会因降落而撞击地面。该方案并非为了全景拍摄，而主要针对视频拍摄，因此未设置上仰相机。即使安装上侧相机，该方案用于全景拍摄仍存在如下缺点:
[0013](a)构造复杂，只能适用于“工”字形平面的多旋翼机。目前绝大多数多旋翼机都无法利用这一设计。
[0014](b)上、下侧相机之间位置仍然差别过大，没有解决上下相机拍摄时绝对高度需保持一致的问题。
[0015](C)和固定不动的机身相比，机身主结构可动的设计大大增加了自重，因此和其他多旋翼机相比，该机滞空时间明显缩短，并且有效载重量下降，难于同时携带多个相机。
[0016](d)将起落架设置在旋翼下方，使得障碍物的上下尺度大幅度增加，上下侧相机要相隔更远的距离才能避开从起落架底部到旋翼的所有遮挡物。
【发明内容】
[0017]本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种新型的空中全景拍摄云台一一有限空间内无人机全景拍摄云台，可以完全避免无人机以及云台设备自身对拍摄的遮挡，在360度(水平)*180度(垂直)各方向都能无盲区拍摄，可在低空各个高度近距离全景展示岩画、石窟、高大古建筑(群)等各种类型建筑遗产。该云台装置的优点是适用于目前大多数类型的多旋翼无人飞行器，使之可拍摄上述全景影像。
[0018]本发明提供的有限空间内无人机全景拍摄云台，包括用于固定在无人机机身上的扇形固定支架，扇形固定支架的外缘圆周上安装有一个旋转臂，旋转臂与扇形固定支架的外缘圆周之间形成轨道移动副，扇形固定支架上通过舵机安装架安装有一个舵机，舵机转动轴上同轴安装有一个旋转臂驱动轮，该驱动轮与旋转臂之间构成转动驱动副，旋转臂上通过相机座安装有相机。
[0019]所述的扇形固定支架的扇形圆心角为180度。所述的驱动轮与旋转臂之间构成的转动驱动副为摩擦轮驱动副或齿轮驱动副。所述的旋转臂的两端各设置有一个旋转臂堵头。所述的旋转臂上的相机座为两个，两个相机座上各安装有一个相机，两个相机座的一端分别铰接在旋转臂上，另一端通过角度微调螺丝固定在一起构成铰接相机座。所述的旋转臂上与相机相对的另一侧安装有一个平衡重物。
[0020]本发明的优点和积极效果:
[0021]本发明方案同时满足建筑遗产有限空间中全景漫游拍摄的以下各项要求:
[0022](a)完全无盲区拍摄，满足遗产近距离及有限空间中全景拍摄要求。本方案通过旋转臂在扇形支架上的转动，使相机可以先后达到最高点和最低点并分别处于正确的上仰、下俯拍摄角度上，避开多旋翼机的遮挡，获得完全无盲区的360*180度全景图像。本方案完全解决了 201110392818.9专利申请中存在的上仰拍摄限制问题。
[0023](b)各个机位之间的空间重合度好，图像拼接准确性高。把气压高度计的通气口固定到铰接相机座的中央，使之与相机所在高度一致，这样当旋转臂高度变化时，仍可以通过气压计相应调节升力大小，进而调节机身高度，保持相机的拍摄高度不变，使得上下两组拍摄的照片能够准确拼接。
[0024](C)对相机或镜头数量没有特别限制。标准做法是使用两个对置的相机，也可以使用多个相机以避免飞行器绕竖轴旋转连续拍摄动作。而《基于正多面体的360度无盲区全景视频拍摄设备》等专利，都是使用多个相机才能获得无盲区视野。在相同成像质量条件下，本方案使用更少的相机，更节约成本。
[0025](d)机身重量最轻，体积最小，容易实现有限空间飞行。相机数量少。起落架尺寸小、重量轻，这样使得很小的多旋翼机也可以承载本云台，能够适应空域狭窄的有限空间环境。
[0026](e)适用于现有的绝大多数多旋翼机，得到相同的拍摄效果。扇形支架底部有安装孔，可以被方便地固定于多旋翼机中央机身的上表面，现有的四旋翼、六旋翼、八旋翼等多种多旋翼机都可以安装，因此和DJI公司研发的Inspire多旋翼机机身变形的方案相比，该云台不仅制造、安装更简单，最重要的优势在于应用的普适性更好，该云台使得目前无法拍摄全景的多旋翼机也可以实现拍摄，而不用更改自身结构。
[0027](f)对多旋翼机飞行无干扰。云台动作过程中，重心保持不变，对多旋翼机飞行姿态和位置的保持无影响。
【附图说明】
[0028]图1是现有常见的多旋翼机布局(引自DJI公司产品手册)。
[0029]图2是本发明全景拍摄云台立面图(旋转臂水平状态)。
[0030]图3是全景拍摄云台立面图(旋转臂一侧旋转、相机下侧拍摄状态)。
[0031]图4是全景拍摄云台立面图(旋转臂另一侧旋转、相机上侧拍摄状态)。