本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)作為載體，利用雙目測(cè)量裝置作為三維測(cè)繪的基本單元，通過(guò)地面控制無(wú)人機(jī)在被測(cè)物上方飛行，以獲得完全覆蓋被測(cè)物的左右視頻圖像序列。該方法首先通過(guò)對(duì)左右視頻圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取和特征匹配，并結(jié)合左右攝像機(jī)參數(shù)完成局部三維點(diǎn)云重建；然后，對(duì)左攝像機(jī)相鄰圖像進(jìn)行特征匹配，以確定局部三維點(diǎn)云的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并估計(jì)兩個(gè)三維點(diǎn)云之間坐標(biāo)變換；最后，將局部三維點(diǎn)云的坐標(biāo)統(tǒng)一化完成三維測(cè)繪。本發(fā)明專利技術(shù)用雙目測(cè)量替代傳統(tǒng)的激光雷達(dá)，用軟件算法估算無(wú)人機(jī)的位姿，具有成本低、適用范圍廣、操控簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)和方法，本專利技術(shù)所屬
為測(cè)繪遙感及視覺(jué)測(cè)量
，尤其適用于對(duì)道路、樓宇等大型工程基建的三維信息提取。
技術(shù)介紹
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公路、鐵路、房地產(chǎn)等基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模很大，需要對(duì)工程施工開挖的土石方或填埋的土石方進(jìn)行測(cè)繪計(jì)算。傳統(tǒng)的基于地面人工測(cè)繪的方法，測(cè)量效率和測(cè)量精度受到很大限制。如何利用現(xiàn)代高技術(shù)，快速高效、高精度地確定這些基礎(chǔ)工程的施工量，對(duì)于提高工程的進(jìn)度、縮短施工周期和降低成本有非常重要的意義。本專利技術(shù)“基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)和方法”，是將雙目視覺(jué)立體測(cè)量系統(tǒng)放置在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路等基礎(chǔ)工程等快速立體測(cè)繪。該方案也可以用于渣土或者煤渣堆積的監(jiān)測(cè)和管理，以及快速評(píng)估某些突發(fā)事件的破壞量。由于無(wú)人機(jī)具有飛行靈活、價(jià)格低廉、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、控制范圍大、可重復(fù)使用和有效載荷大等優(yōu)點(diǎn)，采用無(wú)人機(jī)掛載攝像機(jī)代替人工對(duì)大型施工場(chǎng)地、渣土或者煤渣或者進(jìn)行巡查成為新的監(jiān)管手段。但是傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)繪只能得到二維數(shù)字圖片，針對(duì)這一問(wèn)題，2015年專利公布號(hào)為CN104386249A的中國(guó)專利技術(shù)專利“一種快速測(cè)繪多旋翼無(wú)人機(jī)及其測(cè)繪方法”采用IMU姿態(tài)測(cè)量單元和調(diào)整支架讓攝像機(jī)光軸始終保持與地面垂直，然后以比例換算的方法得到測(cè)繪數(shù)據(jù)。其缺陷在于系統(tǒng)中包含全球定位系統(tǒng)GPS單元、IMU單元、控制電機(jī)和調(diào)整云臺(tái)機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)的引入在加大無(wú)人機(jī)的載重和電力供應(yīng)同時(shí)，增加了使用成本。最為重要的是該專利技術(shù)無(wú)法提供高度方向的測(cè)繪信息，因此，該專利技術(shù)只能用于二維測(cè)繪。目前，對(duì)于機(jī)載三維測(cè)繪的應(yīng)用主要采用掛載3D激光雷達(dá)掃描得到局部三維點(diǎn)云，然后結(jié)合GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)得到的無(wú)人機(jī)位姿，完成被測(cè)物整體的三維測(cè)繪功能。這種三維測(cè)繪方法的缺點(diǎn)為：(1)3D激光雷達(dá)價(jià)格昂貴、重量大，對(duì)無(wú)人機(jī)的載重要求高，不能應(yīng)用在目前廣泛使用的小型無(wú)人機(jī)上。(2)需要輔助的無(wú)人機(jī)位姿測(cè)量設(shè)備(GPS和INS)完成最終的測(cè)量三維坐標(biāo)統(tǒng)一化，因此位姿測(cè)量精度直接影響最終的三維測(cè)繪精度。(3)這種方法得到的掃描三維點(diǎn)云與無(wú)人機(jī)的飛行路徑和姿態(tài)密切相關(guān)，為得到均勻致密的三維測(cè)繪點(diǎn)需要對(duì)飛行器的飛行路徑進(jìn)行精確控制。經(jīng)檢索，中國(guó)專利公布號(hào)為CN102313536A，申請(qǐng)公布日為2012年1月11日，專利技術(shù)名稱為：基于機(jī)載雙目視覺(jué)的障礙物感知方法，將雙目視覺(jué)掛載在無(wú)人機(jī)上，其專利技術(shù)目的是通過(guò)雙目視覺(jué)的三維重建功能，對(duì)飛行器所處環(huán)境進(jìn)行三維感知和自主避障導(dǎo)航，并不具備三維測(cè)繪功能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決現(xiàn)有無(wú)人機(jī)三維測(cè)繪系統(tǒng)中存在的經(jīng)濟(jì)成本高、需要高精度輔助位姿測(cè)量設(shè)備、不能適用于小型無(wú)人機(jī)及飛行位姿控制復(fù)雜等技術(shù)問(wèn)題，提出了基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)和方法。本專利技術(shù)解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)，包括無(wú)人機(jī)、雙目測(cè)量裝置、地面控制中心。所述的無(wú)人機(jī)包括供電電池組、機(jī)載控制單元和WIFI或無(wú)線電傳模塊。供電電池組為無(wú)人機(jī)上的電子通信和圖像采集設(shè)備提供必要的電力保障；機(jī)載控制單元接收WIFI或無(wú)線電傳模塊從地面控制中心得到的指令；WIFI或無(wú)線電傳模塊除了接收地面控制指令外，還主動(dòng)向地面控制中心發(fā)送拍攝圖像。所述的雙目測(cè)量裝置包括左右攝像機(jī)、雙目支撐機(jī)構(gòu)、存儲(chǔ)SD卡、固定連接機(jī)構(gòu)。左右攝像機(jī)采集無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的航拍視頻圖像，右攝像機(jī)的視頻圖像直接存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的SD卡中，左攝像機(jī)的視頻圖像除了存儲(chǔ)在SD卡中，還分出一路給WIFI或無(wú)線電傳模塊，傳輸實(shí)時(shí)采集圖片地面控制中心；雙目支撐結(jié)構(gòu)保證兩個(gè)攝像機(jī)在飛行過(guò)程中，相對(duì)位置和姿態(tài)保持恒定，與左右攝像機(jī)一起組成雙目三維傳感器；固定連接機(jī)構(gòu)用于將雙目三維傳感器固定在無(wú)人機(jī)上。所述的地面控制中心與前述WIFI或無(wú)線電傳模塊通信，用于控制無(wú)人機(jī)的飛行高度和飛行軌跡，同時(shí)具備控制左右攝像機(jī)的存儲(chǔ)開始和停止功能。更進(jìn)一步地，所述的左右攝像機(jī)為相同型號(hào)的攝像機(jī)具有相同的焦距和分辨率，并且采集圖像時(shí)同步曝光。更進(jìn)一步地，所述的雙目三維傳感器為平行配置的雙目結(jié)構(gòu)，掛載在無(wú)人機(jī)的底部。更進(jìn)一步地，所述的雙目固定機(jī)構(gòu)和固定連接機(jī)構(gòu)都采用碳纖維材料以減輕整體重量。本專利技術(shù)的基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪方法，包含以下步驟：步驟1：根據(jù)小孔成像模型，確定雙目三維傳感器的內(nèi)參數(shù)即攝像機(jī)焦距.f和外部結(jié)構(gòu)參數(shù)即左右攝像機(jī)的基線距離B。步驟2：觀察實(shí)時(shí)傳回的左攝像機(jī)圖像，控制無(wú)人機(jī)到適當(dāng)高度，在被測(cè)量的大型渣土或者煤渣上空飛行，以獲得完全覆蓋被測(cè)物的左右視頻圖像序列。步驟3：將SD卡中的左右攝像機(jī)視頻導(dǎo)入到電腦中，按時(shí)間順序?qū)σ曨l圖像幀進(jìn)行編號(hào)，形成雙目左右圖像序列對(duì)。步驟4：對(duì)每一組左右圖像對(duì)，先提取特征點(diǎn)，然后匹配特征點(diǎn)，最后以左攝像機(jī)為坐標(biāo)系重建特征點(diǎn)的局部三維坐標(biāo)。步驟5：結(jié)合左相機(jī)序列圖像，匹配兩個(gè)連續(xù)序列組的三維點(diǎn)云，解算兩個(gè)局部坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。步驟6：將所有的局部三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到一個(gè)坐標(biāo)系下，完成局部三維坐標(biāo)的統(tǒng)一化，得到三維測(cè)繪結(jié)果。與現(xiàn)有三維測(cè)繪技術(shù)相比，本專利技術(shù)至少具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)本專利技術(shù)采用雙目視覺(jué)作為三維測(cè)繪傳感器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、重量輕，可以掛載在小型無(wú)人機(jī)上，具有廣闊的應(yīng)用前景。(2)本專利技術(shù)采用軟件方法估計(jì)得到局部坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，無(wú)需輔助的無(wú)人機(jī)位姿測(cè)量硬件設(shè)備，這是用于無(wú)人機(jī)測(cè)繪中三維局部點(diǎn)云統(tǒng)一化的一項(xiàng)原理創(chuàng)新。(3)本專利技術(shù)只需拍攝視頻圖像覆蓋被測(cè)量區(qū)域即可，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行路線無(wú)特殊要求，具有操作簡(jiǎn)單，使用方便的優(yōu)勢(shì)。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)的一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)示意圖；圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例的一種典型測(cè)繪飛行路線；圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例的基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪方法流程圖。圖4為本專利技術(shù)的平行雙目三維傳感器原理圖；附圖標(biāo)記表示為：1-無(wú)人機(jī)；2-電池組；3-機(jī)載控制單元；4-WIFI或無(wú)線電傳模塊；5-固定連接機(jī)構(gòu)；6-帶SD卡存儲(chǔ)的左攝像機(jī)；7-帶SD卡存儲(chǔ)的右攝像機(jī)；8-雙目支撐機(jī)構(gòu)；9.被測(cè)渣土或煤渣。具體實(shí)施方式本專利技術(shù)的三維測(cè)繪方法是一種以雙目立體視覺(jué)重建為基礎(chǔ)并結(jié)合軟件算法估算無(wú)人機(jī)位姿連續(xù)變化的方法，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本專利技術(shù)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和三維測(cè)繪實(shí)施過(guò)程。附圖1為一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)組成原理圖，系統(tǒng)包括：無(wú)人機(jī)，電池組，機(jī)載控制單元，WIFI或無(wú)線電傳模塊，固定連接機(jī)構(gòu)，帶SD卡的左右攝像機(jī)和雙目支撐機(jī)構(gòu)，左右攝像機(jī)和雙目支撐機(jī)構(gòu)組成雙目三維傳感器，固定連接機(jī)構(gòu)將雙目三維傳感器固定在無(wú)人機(jī)的底部。系統(tǒng)工作時(shí)，電池組為無(wú)人機(jī)上的電子設(shè)備提供動(dòng)力源，地面控制中心與無(wú)人機(jī)上的WIFI或無(wú)線電傳模塊連接，接收其傳回的左攝像機(jī)實(shí)時(shí)圖像，并向無(wú)人機(jī)發(fā)送控制指令，機(jī)載控制單元控制無(wú)人機(jī)的飛行高度和方向，同時(shí)具備控制左右攝像機(jī)的存儲(chǔ)開始和停止功能。針對(duì)某一次具體測(cè)繪任務(wù)，操控人員在地面控制中心，首先，控制無(wú)人機(jī)到達(dá)被測(cè)物上方約3-5m并啟動(dòng)視頻圖像的存儲(chǔ)功能；其次，控制無(wú)人機(jī)以如附圖2所示的飛行路徑在被測(cè)物上方飛行，當(dāng)飛行路徑完全覆蓋被測(cè)物后，停止視頻圖像存儲(chǔ)；最后，控制無(wú)人機(jī)返回控制中心，處理SD卡中的視頻圖像得到三維測(cè)繪結(jié)果。如附圖3所示本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)，包括：無(wú)人機(jī)、雙目測(cè)量裝置、地面控制中心，其特征在于：無(wú)人機(jī)(1)包括供電電池組(2)、機(jī)載控制單元(3)和WIFI或無(wú)線電傳模塊(4)。供電電池組(2)為無(wú)人機(jī)(1)上的電子通信和圖像采集設(shè)備提供必要的電力保障；機(jī)載控制單元(3)接收WIFI或無(wú)線電傳模塊(4)從地面控制中心得到的指令；WIFI或無(wú)線電傳模塊(4)除了接收地面控制指令外，還主動(dòng)向地面控制中心發(fā)送拍攝圖像；雙目測(cè)量裝置包括帶SD卡存儲(chǔ)的左攝像機(jī)(6)、帶SD卡存儲(chǔ)的右攝像機(jī)(7)、雙目支撐機(jī)構(gòu)(8)、固定連接機(jī)構(gòu)(5)。左右攝像機(jī)采集無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的航拍視頻圖像，右攝像機(jī)的視頻圖像直接存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的SD卡中，左攝像機(jī)的視頻圖像除了存儲(chǔ)在SD卡中，還分出一路給WIFI或無(wú)線電傳模塊，傳輸實(shí)時(shí)采集圖片地面控制中心；雙目支撐結(jié)構(gòu)保證兩個(gè)攝像機(jī)在飛行過(guò)程中，相對(duì)位置和姿態(tài)保持恒定，與左右攝像機(jī)一起組成雙目三維傳感器；固定連接機(jī)構(gòu)(5)用于將雙目三維傳感器固定在無(wú)人機(jī)上。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪系統(tǒng)，包括：無(wú)人機(jī)、雙目測(cè)量裝置、地面控制中心，其特征在于：無(wú)人機(jī)(1)包括供電電池組(2)、機(jī)載控制單元(3)和WIFI或無(wú)線電傳模塊(4)。供電電池組(2)為無(wú)人機(jī)(1)上的電子通信和圖像采集設(shè)備提供必要的電力保障；機(jī)載控制單元(3)接收WIFI或無(wú)線電傳模塊(4)從地面控制中心得到的指令；WIFI或無(wú)線電傳模塊(4)除了接收地面控制指令外，還主動(dòng)向地面控制中心發(fā)送拍攝圖像；雙目測(cè)量裝置包括帶SD卡存儲(chǔ)的左攝像機(jī)(6)、帶SD卡存儲(chǔ)的右攝像機(jī)(7)、雙目支撐機(jī)構(gòu)(8)、固定連接機(jī)構(gòu)(5)。左右攝像機(jī)采集無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中的航拍視頻圖像，右攝像機(jī)的視頻圖像直接存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的SD卡中，左攝像機(jī)的視頻圖像除了存儲(chǔ)在SD卡中，還分出一路給WIFI或無(wú)線電傳模塊，傳輸實(shí)時(shí)采集圖片地面控制中心；雙目支撐結(jié)構(gòu)保證兩個(gè)攝像機(jī)在飛行過(guò)程中，相對(duì)位置和姿態(tài)保持恒定，與左右攝像機(jī)一起組成雙目三維傳感器；固定連接機(jī)構(gòu)(5)用于將雙目三維傳感器固定在無(wú)人機(jī)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測(cè)繪系統(tǒng)，其特征在于：所述的地面控制中心與WIFI或無(wú)線電傳模塊通信(4)，用于控制無(wú)人機(jī)的飛行高度和飛行軌跡，同時(shí)具備控制左右攝像機(jī)的存儲(chǔ)開始和停止功能。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測(cè)繪系統(tǒng)，其特征在于：所述的左攝像機(jī)(6)和右攝像機(jī)(7)為相同型號(hào)的攝像機(jī)具有相同的焦距和分辨率，并且采集圖像時(shí)同步曝光。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測(cè)繪系統(tǒng)，其特征在于：所述的雙目三維傳感器為平行配置的雙目結(jié)構(gòu)，掛載在無(wú)人機(jī)的底部。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維測(cè)繪系統(tǒng)，所述的雙目固定機(jī)構(gòu)和固定連接機(jī)構(gòu)都采用碳纖維材料以減輕整體重量。6.一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)三維測(cè)繪方法，其特征在于，包含以下步驟：步驟1：根據(jù)小孔成像模型，確定雙目三維傳感器的內(nèi)參數(shù)即攝像機(jī)焦距f和外部結(jié)構(gòu)參數(shù)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王建立，呂耀文，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：王建立，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：吉林;22
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