[發明專利]一種多角度貼近攝影航跡與姿態規劃方法

在審

• 申請號: 202011014968.1
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112146629A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 張祖勛;陶鵬杰;季錚;柯濤;段延松;席可;張浩
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01C11/34
• 分類號: G01C11/34;G01C7/02;G01C21/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

1.一種多角度貼近攝影航跡與姿態規劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，獲取測區范圍內所有目標的低分辨率無人機影像；

步驟2，根據步驟1獲取的低分辨率無人機影像，進行空中三角測量和密集匹配，得到測區范圍粗略的初始地形信息；

步驟3，根據項目實際需求，設置無人機拍攝的多個角度以及拍攝距離參數；

步驟4，根據步驟3的參數，結合測區初始地形信息，擬合拍攝面，并計算得到無人機貼近攝影測量多角度航跡，生成對應的航跡文件；

步驟5，對于不方便進行拍攝的區域，將初始地形信息，即DEM或者三維Mesh對應的該部分區域單獨分割出來，然后重復步驟3和4，生成對應該區域的特定航跡文件。

2.如權利要求1所述的一種多角度貼近攝影航跡與姿態規劃方法，其特征在于：步驟4中，根據設定的參數，計算得到下視、左視、右視、俯視、仰視共5個視角攝影的航跡與姿態，且所有視角的拍攝范圍對應的地面投影均在同一目標區域，保證目標區域的所有角度均被有效拍攝，從而增加目標區域立體像對間的交會角，提高攝影測量成果的精度。

3.如權利要求2所述的一種多角度貼近攝影航跡與姿態規劃方法，其特征在于：步驟4中，先飛仰視的航線，再飛下視、左視、右視的航線，最后飛俯視的航線。

4.如權利要求1所述的一種多角度貼近攝影航跡與姿態規劃方法，其特征在于：步驟4中，計算得到無人機貼近攝影測量多角度航跡，生成對應的航跡文件，其具體實現方式如下，

對于豎直平面，在飛行過程中，無人機機身朝向并垂直于立面，設立面法向量的水平單位分量為(N(x,y))，則無人機機身沿著水平單位分量的反方向為(-N)，無人機機身偏角為正北方向單位向量Q(1，0)到向量-N的夾角；定義無人機旋偏角κ為正北方向到無人機機頭的角度，順時針為正，逆時針為負，取值范圍為-180°到180°，則旋偏角計算公式為：

其中，x,y是立面法向量的水平單位分量，κ′是計算得到的無人機機身旋偏角；

根據小孔成像原理可知，當相機的視場角為fov，攝影距離為d時，對應的地面成像范圍(G)為：

由公式(2)可知，影像水平方向的覆蓋范圍fov_x是指X方向的視場角，即“水平視場角”；水平方向上影像間重疊長度O_x＝o_xG_x，o_x表示相鄰兩張影像的重疊率，那么，在水平方向上兩個相鄰曝光點間的距離應為：

因此，在軌跡規劃平面內，設v′₁，v′₂表示規劃面的底邊兩個頂點的坐標，沿v′₁到v′₂方向，間隔Δs距離，計算出航線中所有曝光點的平面坐標；

V＝{v_i|v_i＝v′₁+i(K·Δs)，i∈[0，N_h)} (4)

其中，表示從v′₁到v′₂方向的單位向量；在計算過程中，以作為截止條件，則一條航線中曝光點的數目為N_h；

由三角函數知識可得，傾斜時相機成像范圍由公式(2)變為：

其中，γ為無人機水平方向傾斜的角度，因此，首先在豎直方向上按照公式(5)計算所有曝光點的高程值，然后按照更新后的公式(4)計算曝光點水平位置：

其中，仍然表示從v′₁到v′₂方向的單位向量；表示軌跡規劃面向左或向右平移的距離，fov_y是指Y方向的視場角，即“垂直視場角”；

對于傾斜平面，無人機位置的計算與豎直平面的計算方法相同，而無人機姿態的計算為，設傾斜平面使用點法式表示為：

a(X-X_P)+b(Y-Y_P)+c(Z-Z_P)＝0

其中為傾斜平面P的法向量，X_P，Y_P，Z_P為傾斜平面P上點的坐標；

為保證相機始終面向平面P，無人機機頭方向應保持垂直于飛行方向并朝向平面P一側，相機光軸方向為按下式計算無人機的偏轉角κ和俯仰角

κ＝atan2(-a，-b)

式中atan2為兩個參數的反正切函數，其返回值范圍為[-π，π]。