王敏1,2，周樹(shù)道1,2，嚴(yán)衛(wèi)1，施偉來(lái)1，賈赟1

　　(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044）

       摘要：針對(duì)折反射式全景相機(jī)獲取全方位圖像時(shí)，由于無(wú)人機(jī)起落架的遮擋，造成圖像獲取要素不完整的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)。通過(guò)采集無(wú)人機(jī)離地距離和飛行狀態(tài)調(diào)節(jié)全景相機(jī)鏡頭的位置，可以防止無(wú)人機(jī)起落架落入圖像內(nèi)，使得采集要素的完整性達(dá)到了100%，提高了采集的圖像質(zhì)量；同時(shí)可以根據(jù)無(wú)人機(jī)的起落距離，對(duì)全景相機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)收放，避免鏡頭與地面相接觸，有效保護(hù)了鏡頭。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；起落架；折反射式全景相機(jī)；可翻轉(zhuǎn)支架

　　中圖分類號(hào)：TN942.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.011

　　引用格式：王敏，周樹(shù)道，嚴(yán)衛(wèi)，等.防止無(wú)人機(jī)起落架影響視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（2）：32-33，40.

　　0引言

　　全景成像利用特殊的成像裝置能從一個(gè)視點(diǎn)獲取水平方向一周360°、垂直方向達(dá)到半球以上視場(chǎng)的多方向圖像，由于成像范圍大、成像快等特點(diǎn)，可為軍事偵查、機(jī)器人導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域提供大視場(chǎng)場(chǎng)景的立體感知和重現(xiàn)功能，近年來(lái)發(fā)展快速，成為光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究熱點(diǎn)。

　　目前為止，主要有三種實(shí)現(xiàn)全景成像的方法：圖像拼接法、魚(yú)眼鏡頭法和折反射全景成像法［1］?；趫D像拼接的全景成像方法之一是使相機(jī)繞通過(guò)其光心的垂直軸線旋轉(zhuǎn)對(duì)多個(gè)方向的場(chǎng)景成像，再將這些不同方向的場(chǎng)景圖像拼接成一幅全景圖。這種方法，雖然成像分辨力高，但成像速度慢，拼接算法復(fù)雜，一般只能拼接出柱面全景圖像，不能滿足單一視點(diǎn)要求，且成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，不能滿足實(shí)時(shí)全景成像的需要。魚(yú)眼鏡頭在獲得大視場(chǎng)的同時(shí)又有其缺點(diǎn)，即會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的桶形畸變，很難校正，且成像分辨率低。高質(zhì)量的魚(yú)眼透鏡通常采用10片以上的結(jié)構(gòu)和高質(zhì)量的光學(xué)材料，因此系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)成本昂貴。折反射式全景成像技術(shù)由于具有一次性大范圍成像特點(diǎn)，實(shí)時(shí)性能優(yōu)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)掃描部件，無(wú)拼接，因而可以作為替代現(xiàn)有航空全景相機(jī)的重要技術(shù)。但由于無(wú)人機(jī)起落架的存在，使得折反射式全景相機(jī)在獲取全方位圖像時(shí)，總是存在由于起落架的遮擋而造成圖像獲取要素不完整、成像質(zhì)量不高等問(wèn)題。

　　本文設(shè)計(jì)了一種防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)，通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量機(jī)體離地安全距離后，微處理器控制全景相機(jī)及支架的上下翻轉(zhuǎn)，可以防止全景相機(jī)進(jìn)行全景圖像采集時(shí)無(wú)人機(jī)起落架落入圖像內(nèi)，提高圖像采集要素的完整性和圖像的質(zhì)量，獲取全方位無(wú)起落架干擾的全景圖像。

1無(wú)人機(jī)起落架對(duì)全景相機(jī)視場(chǎng)的成像影響

　　通常，無(wú)人機(jī)折反射全景成像系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、折反射全景相機(jī)和數(shù)據(jù)處理單元等組成，如圖1所示。折反射全景相機(jī)成像可以獲得水平方向360°、垂直方向210°的大視場(chǎng)場(chǎng)景圖像。折反射全景相機(jī)通常置放于無(wú)人機(jī)機(jī)身正下方，但由于無(wú)人機(jī)兩側(cè)起落架的位置低于全景相機(jī)，導(dǎo)致全景圖像始終出現(xiàn)該起落架，影響圖像的進(jìn)一步解讀，如圖2所示。　

　　2可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)組成

　　防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)由超聲波測(cè)距傳感器模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、中央處理器模塊、全景相機(jī)及支架模塊和電源模塊組成［23］，如圖3所示。其中，超聲波測(cè)距傳感器模塊用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)機(jī)體底部距離地面的垂直距離［45］，步進(jìn)電機(jī)［6］模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)全景相機(jī)及支架模塊的垂直180°翻轉(zhuǎn)，中央處理器模塊［7］根據(jù)超聲波測(cè)距傳感器模塊測(cè)量的距離信息控制步進(jìn)電機(jī)模塊的正反轉(zhuǎn)，電源模塊用來(lái)為系統(tǒng)供電。全景相機(jī)置放于起落架底部相交的回轉(zhuǎn)軸的中部，通過(guò)滾動(dòng)軸承進(jìn)行上下翻轉(zhuǎn)。

　　可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局為：將全景相機(jī)的相機(jī)托盤(pán)放置于回轉(zhuǎn)軸正中位置，回轉(zhuǎn)軸通過(guò)滾動(dòng)軸承和連接件連接于無(wú)人機(jī)起落架的兩側(cè)底端，步進(jìn)電機(jī)、中央處理器、超聲波測(cè)距傳感器和電源等封裝于一殼體內(nèi)，其中超聲波測(cè)距傳感器指向無(wú)人機(jī)正下方，該殼體放置于一側(cè)起落架外側(cè)底端，具體結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

3可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)工作過(guò)程

　　防止無(wú)人機(jī)起落架影響全景相機(jī)視場(chǎng)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)工作過(guò)程如下：

　?。?） 無(wú)人機(jī)停止飛行狀態(tài)下，全景相機(jī)鏡頭默認(rèn)保持垂直向上初始位置，如圖5所示。

　　（2）無(wú)人機(jī)飛離地面后，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量距地面間的垂直距離大于4 m時(shí)，中央處理器模塊發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)模塊，使步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)工作，驅(qū)動(dòng)全景相機(jī)及支架模塊開(kāi)始向地面方向翻轉(zhuǎn)180°，如圖6所示。

　?。?）無(wú)人機(jī)返回地面前，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量距地面間的垂直距離小于4 m時(shí)，中央處理器模塊發(fā)出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)模塊，使步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)全景相機(jī)及支架模塊開(kāi)始向無(wú)人機(jī)方向轉(zhuǎn)動(dòng)180°，相機(jī)回到初始位置，直到無(wú)人機(jī)降落至地面。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的可翻轉(zhuǎn)支架系統(tǒng)，根據(jù)離地距離和無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)調(diào)節(jié)全景相機(jī)鏡頭進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，有效防止無(wú)人機(jī)起落架落入圖像，同時(shí)保護(hù)鏡頭避免損傷，大幅提高了圖像采集要素的完整性，為進(jìn)一步的圖像釋讀奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 王敏,周樹(shù)道,張水平,等. 全景立體成像技術(shù)淺述［J］.信息技術(shù),2014（5）:24-27.

　?。?］ 王祁. 智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,  2010.

　?。?］ 姚錫凡.人工智能技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社,2008.

　　［4］ 李航，王可人. 基于STC89C52RC的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 電子測(cè)試,2010（1）:5558.

　?。?］ 張銀霞,魏振春,張儒瑞,等.基于超聲波定位的機(jī)車監(jiān)控與導(dǎo)航系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展,2009（12）:1057-1060.

　　［6］ 曹承志.電機(jī)、拖動(dòng)與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

　?。?］ 樓然苗，李光飛，等.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003.