一种固定翼无人机、单镜头倾斜摄影系统及方法与流程

2021-02-15 10:02:18|

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本发明涉及无人机测绘领域，尤其涉及一种固定翼无人机、包含上述的固定翼无人机的单镜头倾斜摄影系统以及对应的单镜头倾斜摄影方法。

背景技术：

倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近年急速发展新技术。改变了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的局限性，通过搭载一台或多台图像传感器从多个不同的角度采集有效拍摄区域的影像序列，并通过3d建模软件利用影像序列生成有效拍摄区域的高清数字实景三维模型，高清数字实景三维模型广泛应用于导航地图、国土测绘、虚拟现实、智慧城市以及科研项目等。

在现有固定翼无人机倾斜摄影技术中常常采用两种倾斜摄影方法，两种倾斜摄影方法各有优缺点，两种倾斜摄影方法具体如下：

1、固定翼无人机搭载单个图像传感器，并采用直线飞行方式进行倾斜摄影。例如：中国专利文献公开号cn107270910a单镜头倾斜摄影航飞线路设计方法、系统及航拍摄影方法，其采用单个图像传感器进行倾斜摄影，该固定翼无人机采用直线飞行方式采集有效拍摄区域的影像序列。如图8所示，该固定翼无人机的航线由多条平行航线和/或多个正交的平行航线组成。

2、固定翼无人机搭载至少两个图像传感器，并采用直线飞行方式进行倾斜摄影，具体又分为图像传感器扫摆类及图像传感器非扫摆类。例如：与图像传感器扫摆类相关专利有：(1)中国专利公开号cn106019799a公开的一种双轴转动倾斜相机；(2)中国专利公开号cn108327922a公开的一种九视角航空倾斜摄影云台；(3)中国专利公开号cn111457897a公开的一种摆扫式多视角航空倾斜摄影相机及成像方法；(4)中国专利公开号cn107289911a公开的一种航空全景倾斜摄影装置。与图像传感器非扫摆类相关专利有：(4)中国专利公开号cn209467335u公开的一种固定翼无人机三镜头倾斜摄影装置；(5)中国专利公开号cn110329526a公开的一种用于航测无人机的五相机摄影系统。

上述各类型方案主要存在如下几个缺陷：

1、固定翼无人机的直线平行飞行倾斜摄影航线设计区域远大于有效拍摄区域，航线需外扩。

上述专利涉及的固定翼无人机均采用直线平行航线方式飞行。该方式要求飞机在拍照过程中必须尽可能以水平姿态飞行，如图9和图10所示，其中图10的黑框表示有效拍摄区域，黑框以外的航线均外扩航线。为了取得有效拍摄区域边缘处的物体所有方向的影像，固定翼无人机的航线设计区域的边缘线就必须外扩，因此一条航带飞行很明显无法覆盖具有一定高度物体的所有方向的影像。通过固定翼无人机的外扩距离与飞航高度的关系为：s＝h/tanθ，其中，s为外扩距离，h为飞行航高，θ为图像传感器的镜头的倾斜角，倾斜角配置为地球的重力方向与镜头的中轴线之间的夹角。以图像传感器的镜头的倾斜角为45°为例，外扩距离为s＝h/tan45°＝h，按照平行航线方式飞行的实际工程经验值可知，相邻的两条航线的照片重叠率应保证在75％～80％才能在后续的三维模型建模中获得可靠的模型精度，因此外扩的航线数为n＝1/(1-80％)＝5，且5条航线的外扩横向距离应为h。固定翼无人机沿一条外扩航线飞行一次，通常只有倾斜角正对有效拍摄区域边缘的照片数据是对后期三维模型建模中建模是有效的，这意味着外扩航线组成外扩拍摄区域的照片数据的有效数据利用率仅仅约为25％。在实际的高清数字实景三维模型建设项目工程中，有效照片数据的占比越低，整体工程实施效率就越低。若平行航线方式飞行针对小面积的有效拍摄区域进行三维模型建模时，基于经验值的整体数据有效利用率仅仅约为30％～50％，若平行航线方式飞行针对高速公路、河道、石油管线这类条带状的有效拍摄区域进行三维模型建模，基于经验值的整体数据有效利用率甚至接近25％，三维模型建模中的数据处理人员需要花费大量时间整理及删除无效数据。航线的外扩对于采用平行航线方式飞行的单个图像传感器的固定翼无人机影响无疑是十分巨大的，尤其是搭载单个图像传感器的固定翼无人机采用平行航线方式本身想要覆盖有效拍摄区域本就需要多次往返飞行，往返飞行次数至少远多于搭载多个图像传感器的固定翼无人机，再加上其需要覆盖全部的外扩拍摄区域，这势必会导致即便是采用较大型号的固定翼无人机搭载单个图像传感器，结果却只能获取较小的有效拍摄区域对应的影像序列。

外业测量是无人机侧航的关键环节，在该环节中需要在目标测量区域设置特定标志，明确航测的具体内容为无人机飞行提供必要的方向性引导。现有的固定翼无人机在外业飞行环节中，整体航线有效利用率低的问题则更显著。以1km长道路进行三维建模为例，固定翼无人机的航线设计区域需要涵盖在道路两侧各外扩5条航线，合计11条航线，总计需飞行11km航程，再加上固定翼无人机飞完一条航线掉头返航时需要固定翼无人机的机身滚转进行盘旋掉头，为保证固定翼无人机进入测区以后机身姿态能够保持水平姿势，固定翼无人机在航线两端还需要适当外延250m左右长度用于水平姿态调整，固定翼无人机的在外业测量中的实际飞行总航程为d＝(1000+250+250)*11条＝16.5km。

2、固定翼无人机直线平行飞行倾斜摄影航线的影像序列包含照片总量庞大，后期处理困难。

按照直线平行航线方式飞行的实际工程经验值可知，假设相邻的两条航线的照片重叠率控制在75％，图像传感器的镜头的倾斜角为45°，图像传感器拍摄1kmx1km面积，像素分辨率要求为1.5cm的飞行任务为例，图像传感器配置为包含5相机的sonyaps-c像幅传感器。假设使用地面站软件规划的航线设计区域为航线飞航高度为95米、航向拍照间隔15米、航线间隔为22米，航线两侧各外扩5条航线、测区内的航线数为45条的航线设计区域。该航线设计区域总计包含55条航线，若每条航线包含转弯姿态引入线及外扩总长1700m，加上航点连接线合计总航程为95.5km。固定翼无人机完成整个飞行任务5个相机获取总航片数约＝[(外扩+区域线长+外扩)/15米]*55条航线*5个相机＝[(100+1000+100)/15]*55*5＝22000张。其中需删除朝向对应有效拍摄区域外围的无效照片数量约为5250张，后期参与运算的有效照片数量约为16750张，后期处理数据量极大。

3、对于固定翼无人机搭载至少两个图像传感器的情形，存在多相机的快门难统一、耗电严重、采购成本及运营成本过高等问题。

固定翼无人机搭载至少两个图像传感器时，不同的图像传感器的相机的机械快门存在个体差异，每个相机的曝光时间点存在差异，曝光不同步平均时间大约为0.01s。假设固定翼无人机高速运行时，其飞行速度为15m/s，则0.01s的时间误差将造成相机曝光位置点误差15cm。按照1：500航空摄影测量绝对精度为5cm要求，15cm位置误差将使拍摄成果远远低于该绝对精度。因此，至少两个相机的机械快门的微小不同步，将会对后期三维建模的建模精度造成严重的影响，外业工程人员不得不在有效拍摄区域布置大量的地面控制点来约束照片数据的拼接参考点或者用户需要采用复杂昂贵的高精度同步快门，对于上述提及问题，也可知参照“中国专利文献公开号cn110398870a一种多相机组协同采集云台及其控制系统”进行进一步了解。无人机的载重和航程一直是无人机行业难以协调的难题，固定翼无人机搭载的图像传感器越多，其重量与耗电量就越大，对于同型号的固定翼无人机其航程和航时也就越短。例如：以常见的aps-c画幅的相机为例，单个相机完成快门上弦、cmos原件感光、jpg格式压缩等动作情况下，其峰值功率大约为30w，平均功率大约12w，若采用5个该型相机组成的倾斜摄影系统，其峰值功率接近150w，平均功率约60w，相对于测绘领域常见的微小型固定翼无人机150w左右的巡航功率而言，5个该型相机组成的倾斜摄影系统的耗能在全系统功耗的占比是巨大的。通过统计分析数据可知，在固定翼无人机搭载常见的5相机倾斜摄影系统的情况下完成一次飞行任务，其续航时间会减少约1/4，这对固定翼无人机长时间作业的影响是极其严重的。此外，更多的图像传感器就需要无人机具备相应的更大的载重能力和更大的机舱空间，这通常要求用户选用更大型号的固定翼无人机，这就意味着用户固定翼无人机的成像系统、无人机飞行平台、无人机运行机组、商业保险方面的成本均相应的增加，而高成本不一定换来高回报，快门不同步及高耗电量问题依然难以解决。此外，固定翼无人机搭载至少两个图像传感器时还会影响其飞行姿态，这是由于固定翼无人机作业区域通常是近地气流乱流区域，固定翼无人机易受到近地扰流的干扰，而成像系统的体积占固定翼无人机的整体体积的比例越大，其气动布局的流线型就越差，受到近地扰流的干扰就越剧烈。

若无人机采用环绕飞行，其优点是无人机是能够360度环绕拍摄物体一周，由于无人机的航高通常高于被拍摄物体，相比直线平行飞行的倾斜摄影系统，即环绕一周能够拍摄到被拍摄物体的更多角度的影像，从而生成更高精度的几何模型及表面纹理贴图。例如：中国专利文献公开号cn108415459a一种无人机绕目标点环绕飞行的控制方法及装置以及cn108871289a一种基于无人机的环绕航测方法及系统对此均有记载。这种拍摄方式能够解决航线需外扩的问题，因为其环绕一周就能够拍摄被拍摄物体的所有角度影像，但其拍摄的区域较小，因为拍摄区域过大会导致摄像头离拍摄物体过远。另外，这种拍摄方式仅适用于旋翼无人机而无法用于固定翼无人机，这主要由于旋翼无人机能够悬停，其能够保证无人机的飞行平台在旋转过程中不会大幅度倾斜，也即能够保证图像传感器的镜头的倾斜角的相对稳定。然而，固定翼无人机是难以采用上述的环绕拍摄的，这是由于固定翼无人机在导航控制过程是通过不断控制飞行平台侧倾姿态调整速度矢量来控制的，因此固定翼在控制航迹稳定围绕一个点盘旋时，其机体任何时候都没有稳定状态，这就使得固定翼常规搭载的图像传感器难以稳定对准盘旋中心，所获取拍摄照片数据会因分辨率分布不均后期拼接困难甚至直接建模失败，故现有技术中均不采用固定翼无人机用于上述的环绕航测。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种固定翼无人机，其应用于倾斜摄影时无需外扩航线以调整至水平飞行姿态，其具备连续平滑环绕拍摄能力，其搭载具有增稳器的单镜头相机，其覆盖有效拍摄区域的能力强于现有技术中搭载多镜头直线平行飞行的固定翼无人机，且具有总航线更短而照片数更少以及成本更低等优势。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种固定翼无人机，所述固定翼无人机沿交替的环飞圈航线与直线航线进行倾斜摄影，其包括单镜头、飞行平台以及用于调整所述单镜头姿态的镜头增稳模块，所述飞行平台上设置有增稳器，所述单镜头固定在所述增稳器的动作端，当固定翼无人机依据所述环飞圈航线进行环绕飞行时，所述镜头增稳模块发送增稳控制指令至所述增稳器，所述增稳器接收到增稳控制指令后调整所述单镜头姿态以对准环飞圈的盘旋中心且使得单镜头的倾斜角保持恒定不变，当固定翼无人机依据直线航线进行水平飞行时，所述镜头增稳模块可选择性的发送增稳控制指令至所述增稳器，所述增稳器接收到增稳控制指令后调整所述单镜头姿态以使得拍摄角度不变且单镜头的倾斜角保持恒定不变。

本发明提供的进一步技术方案在于，当固定翼无人机依据直线航线进行水平飞行时，所述增稳器接收到增稳控制指令后调整所述单镜头姿态以使得单镜头的指向方向垂直与直线航线的延伸方向始终垂直。

本发明提供的进一步技术方案在于，所述镜头增稳模块采用开环控制方式发出所述绕飞控制指令，所述镜头增稳模块依据绕飞速度、盘旋中心坐标及环飞圈的半径计算所述单镜头的偏移角度实时数据，并依据所述偏移角度实时数据计算出修正角度实时数据，将所述修正角度实时数据发送至姿态伺服器组，所述姿态伺服器组依据所述修正角度实时数据调整所述单镜头的实时姿态角度。

本发明提供的进一步技术方案在于，所述镜头增稳模块采用闭环控制方式发出所述绕飞控制指令，所述镜头增稳模块中设置有用于获取绕飞水平面角度偏差值的角度编码器，通过所述角度编码器测量出所述单镜头的姿态测量角度，所述镜头增稳模块依据绕飞速度、盘旋中心坐标及环飞圈的半径计算所述单镜头的偏移角度实时数据，并通过姿态测量角度对所述偏移角度实时数据修正后再输出所述修正角度实时数据至姿态伺服器组，所述姿态伺服器组依据所述修正角度实时数据调整所述单镜头的实时姿态角度。

本发明提供的进一步技术方案在于，所述镜头增稳模块依据单镜头的拍照点对应的飞控姿态数据以及相机实时姿态角度数据来解算相机与所述飞行平台中的gnss设备的天线相位中心之间位置关系，使得镜头增稳模块获得相机的经纬度坐标和高度，所述相机拍摄某张照片后，记录该照片对应的相机的经纬度坐标和高度，gnss设备配置为北斗接收机、gps接收机、glonass接收机或伽利略接收机中的一种或者多种，用于接收对应系统的导航信号。

本发明提供的进一步技术方案在于，所述镜头增稳模块采用闭环控制方式发出所述绕飞控制指令，所述单镜头上设置有用于获取绕飞水平面实际偏差值的角度传感器，对所述角度传感器进行归零操作后，所述角度传感器的实际测量角度等于所述单镜头的实际偏差值，所述镜头增稳模块依据绕飞速度、盘旋中心坐标及环飞圈的半径计算所述单镜头的偏移角度实时数据，并通过实际偏差值对所述偏移角度实时数据修正后再输出所述修正角度实时数据至姿态伺服器组，所述姿态伺服器组依据所述修正角度实时数据调整所述单镜头的实时姿态角度。

本发明提供的进一步技术方案在于，所述姿态伺服器组包括滚转轴伺服器、航向轴伺服器以及俯仰轴伺服器，所述滚转轴伺服器用于依据修正滚转角度实时数据调整第一电机，所述航向轴伺服器用于依据修正航向角度实时数据调整第二电机，所述俯仰轴伺服器用于依据修正俯仰角度实时数据调整第三电机。

本发明提供的进一步技术方案在于，还包括用于所述单镜头增稳的拍摄成像模块，所述拍摄成像模块依据飞控姿态数据及任务航线生成拍摄控制指令并传送至相机，相机依据拍摄控制指令中的触发模式及间隔周期触发相机的快门拍照；触发模式包括等距离触发模式、等角度触发模式以及等时间触发模式，等距离触发模式对应的间隔周期是分距离周期、分角度周期及分时段周期。

本发明提供的进一步技术方案在于，还包括用于与地面控制站通信并发送控制指令的飞行控制系统，飞行控制系统包括含微处理器的控制电路板及若干传感器，若干传感器32均与控制电路板电连接，镜头增稳模块及拍摄成像模块均装载于控制电路板。

本发明提供的进一步技术方案在于，还包括用于将控制指令转化为控制电平的控制信号转换模块，所述控制信号转换模块将所述镜头增稳模块生成的增稳控制指令转化成为姿态控制电平并传送至所述姿态伺服器组；所述控制信号转换模块将所述拍摄成像模块生成的拍摄控制指令转化成为相机触发电平并传送至相机。

本发明还提供的一种单镜头倾斜摄影系统，包括上述的所述固定翼无人机及地面控制站，所述地面控制站通过双向数据链路与所述固定翼无人机通信。

本发明提供的进一步技术方案在于，所述地面控制站包括航线生成模块、人机交互模块以及状态监测模块，所述航线生成模块用于生成交替的环飞圈航线及直线航线，所述人机交互模块用于设置镜头增稳模块及拍摄成像模块的用户参数以及展示镜头增稳模块及拍摄成像模块的增稳运行数据及影像序列，所述状态监测模块用于监视镜头增稳模块及拍摄成像模块的运行状态。

本发明还提供的一种用于上述的单镜头倾斜摄影系统的单镜头倾斜摄影方法，按如下步骤实施：

s00步骤：航线生成模块依据有效拍摄区域的面积生成包含若干导航点的任务航线，并通过基站上传至固定翼无人机的飞控导航模块；任务航线由相间的环飞圈航线和直线航线组成，两个相邻的环飞圈航线一部分重合，直线航线与两个相邻的环飞圈航线相切。

s10步骤：所述固定翼无人机先盘旋飞行至初始环飞圈航线的进出点，飞控导航模块控制飞行平台沿初始环飞圈航线进行环绕飞行，所述镜头增稳模块控制姿态伺服器组驱动所述单镜头实时调整其姿态以对准环飞圈的盘旋中心且使得单镜头的倾斜角保持恒定不变，同时拍摄成像模块将拍摄控制指令传送至相机，触发相机的快门拍照，并将照片数据构成的影像序列存储至存储模块。

s20步骤：当固定翼无人机沿环飞圈航线飞行一周后，回到进出点，飞控导航模块控制飞行平台沿初始直线航线进行直线飞行，所述镜头增稳模块控制姿态伺服器组驱动所述单镜头实时调整其姿态以对准环飞圈的盘旋中心且使得单镜头的倾斜角保持恒定不变，同时拍摄成像模块将拍摄控制指令传送至相机，触发相机的快门拍照，并将照片数据构成的影像序列存储至存储模块。

s30步骤：重复s10步骤及s20步骤，直至所述有效拍摄区域被完全覆盖。

本发明提供的进一步技术方案在于，当有效拍摄区域需要多条往返的任务航线才能覆盖时，相邻的两个任务航线中的第一任务航线的多个环飞圈与相邻的两个任务航线中的第二任务航线的多个环飞圈相互错开，第一任务航线中两个相邻的环飞圈与第二任务航线中与所述两个相邻的环飞圈相邻的另一个环飞圈呈等腰三角形分布。

本发明的有益效果为：

本发明提供的固定翼无人机，将增稳器与飞行平台结合使得固定翼无人机能够沿着环飞圈航线进行绕飞倾斜拍摄，当采用环飞圈航线对物体进行拍摄时，能够以一条航线从360°全面覆盖被拍摄对象，而无需采用多条直线往复航线覆盖被拍摄对象的不同侧面。本申请还提供了用于固定翼无人机的单镜头倾斜摄影系统其重构了固定翼无人机的倾斜摄影方式，缩短了固定翼无人机的总任务航程，并在倾斜摄影项目的成果质量相当的情况下，减少了约75％航片数量，极大提高了后期三维建模效率。此外，本申请提供的成像系统只需采用单相机单镜头，成像系统体及无人机平台成本均得到大幅下降。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的单镜头倾斜摄影系统的功能框图；

图2是本发明具体实施方式中提供的飞行控制系统的功能框图；

图3是本发明具体实施方式中提供的倾斜成像系统的功能框图；

图4是本发明具体实施方式中提供的控制站软件系统的功能框图；

图5是本发明具体实施方式中提供的固定翼无人机的结构示意图；

图6是本发明具体实施方式中提供的固定翼无人机的局部示意图；

图7是本发明具体实施方式中提供的任务航线及有效拍摄区域的示意图；

图8是本发明背景技术中提供的平行航线的示意图；

图9是本发明背景技术中提供的外扩航线的原理示意图；

图10是本发明背景技术中提供的有效拍摄区域与任务航线区域的对比图。

图中：

1、飞行平台；2、倾斜成像系统；3、飞行控制系统；4、机载供电系统；11、机体；12、主升翼；13、前进推进器；14、第一类舵面；16、固定杆；17、尾翼；161、第一固定杆；162、第二固定杆；18、第二类舵面；19、第二类伺服舵机；100、垂直升降器；21、相机；22、增稳器；211、单镜头；23、姿态伺服器组；24、驱动电机组；231、滚转轴伺服器；232、航向轴伺服器；233、俯仰轴伺服器；241、第一电机；242、第二电机；243、第三电机；313、微处理器；31、控制电路板；32、传感器；33、无人机软件系统；331、姿态解算模块；332、镜头增稳模块；333、拍摄成像模块；334、飞控导航模块；311、控制信号转换模块；312、存储模块；5、地面控制站；51、人机控制系统；52、基站；53、控制站软件系统；531、数据传送模块；532、航线生成模块；533、人机交互模块；534、状态监测模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1、图2以及图5所示，本实施例中提供的固定翼无人机，包括飞行平台1、倾斜成像系统2、飞行控制系统3以及机载供电系统4，飞行平台1用于执行飞行控制系统3的飞控指令，倾斜成像系统2用于执行飞行控制系统3的增稳控制指令及拍摄控制指令，飞行控制系统3用于与地面控制站5通信并发送控制指令，其为固定翼无人机的控制中心，机载供电系统4用于给飞行平台1、倾斜成像系统2、飞行控制系统3中的所有电子器件提供电源。

为了执行固定翼无人机的飞行任务，进一步地，如图2、图3、图4及图5所示，飞行平台1包括机体11、主升翼12以及前进推进器13，主升翼12位于机体11两侧且与机体11固定连接，每个主升翼12上均设置相应有第一类舵面14，主升翼12为固定翼且是固定翼无人机的主升力面，两个第一类舵面14用于调整主升力面的转向或者减速等，两个第一类舵面14的一端端部均设置有第一类伺服舵机(图中未示出)，前进推进器13位于机体11的尾部，用于推进机体11按任务航线飞行。飞行平台1的气动布局多种多样，例如：常见布局方式有常规布局、倒v尾布局、飞翼布局等，但无论那种布局方式判断飞行平台1是否是固定翼的核心在于主升翼12是否与机体11固定一体，通常固定翼无人机是通过主升翼12的上下流体压强差产生升力，而旋翼则是通过螺旋浆旋转产生升力，原理有本质区别。本实施例中以倒v尾布局的固定翼无人机进行说明，但本实施例涉及的技术方案并不仅限于倒v尾布局的固定翼无人机。进一步的，飞行平台1还包括两根固定杆16及尾翼17，两根固定杆16分别固定在对应的主升翼12上，两根固定杆16中的第一固定杆161的第二端与尾翼17的一端固定连接，两根固定杆16中的第二固定杆162的第二端与尾翼17的另一端固定连接，第一固定杆161的第二端及第二固定杆162的第二端均位于主升翼12的后方。尾翼17是固定翼无人机安定面，本实施例中提供的尾翼17配置为v型尾，v型尾的两翼板上均设置有第二类舵面18，两个第二类舵面18的一端端部均设置有第二类伺服舵机19，第二类伺服舵机19用于驱动相应的第二类舵面18动作。进一步的，飞行平台1还包括成对配置的垂直升降器100，垂直升降器100用于飞行平台1的垂直起降，进一步优选地，垂直升降器100的数量配置为四个，其中两个垂直升降器100固定在第一固定杆161，另两个垂直升降器100则位于第二固定杆162上，固定在同一固定杆16上的两个垂直升降器100中的一个位于主升翼12与尾翼17之间，也即位于主升翼12的后方，另一个则位于主升翼12的前方，也即位于主升翼12前后两侧。

为了执行固定翼无人机的倾斜拍摄任务，进一步地，如图2、图3、图5及图6所示，倾斜成像系统2包括相机21及增稳器22，增稳器22固定在机体11的头部，且优选位于机体11的头部内，也即机头内，相机21固定在增稳器22上，且与增稳器22的动作端相连，相机21的中部设置有单镜头211，由于相机21固定在增稳器22的动作端，增稳器22可驱动相机21摆动或者转向时，相机21运动时会带动单镜头211跟随其运动。增稳器22上设置用于调解单镜头211姿态的姿态伺服器组23及驱动电机组24，姿态伺服器组23包括滚转轴伺服器231、航向轴伺服器232以及俯仰轴伺服器233，驱动电机组24包括第一电机241、第二电机242以及第三电机243，滚转轴伺服器231用于依据修正滚转角度实时数据调整第一电机241，第一电机241可驱动单镜头211调整滚转角度。航向轴伺服器232用于依据修正航向角度实时数据调整第二电机242，第二电机242可驱动单镜头211对准固定翼无人机调整航向。航向轴伺服器232用于依据修正俯仰角度实时数据调整第三电机243，第三电机243可驱动单镜头211调整俯仰角度，通过调整滚转角度、航向以及俯仰角度实现调整相机21姿态的目的，由于单镜头211与相机21连为一体，也即实现单镜头211的姿态调整。

为了对飞行平台1及倾斜成像系统2进行指令控制，进一步地，如图2、图3所示，飞行控制系统3包括含微处理器313的控制电路板31及若干传感器32，若干传感器32均与控制电路板31电连接，若干传感器32分别为imu惯性导航传感器、gps位置传感器、电压电流传感器、气压高度计、地磁航向传感器、空速传感器等。控制电路板31装载有无人机软件系统33，无人机软件系统33包括姿态解算模块331、镜头增稳模块332、拍摄成像模块333以及飞控导航模块334，姿态解算模块331用于依据若干传感器32的采集数据解算固定翼无人机的飞行姿态及方位等飞控姿态数据，飞控导航模块334用于依据飞控姿态数据与地面控制站5上传的任务航线生成飞行控制指令，镜头增稳模块332用于依据飞控姿态数据及任务航线生成增稳控制指令，拍摄成像模块333用于依据飞控姿态数据及任务航线生成拍摄控制指令。控制电路板31包括控制信号转换模块311及存储模块312，存储模块312用于存储任务航线及若干传感器32的采集数据等，控制信号转换模块311用于将控制指令转化为控制电平，具体的，将飞控导航模块334生成的飞行控制指令转化成为飞行控制电平；将镜头增稳模块332生成的增稳控制指令转化成为姿态控制电平；将拍摄成像模块333生成的拍摄控制指令转化成为相机触发电平，姿态控制电平与相机触发电平也可统称为任务控制电平，通过任务控制电平对单镜头211的姿态调整进行控制。

具体使用时，在飞行任务的过程中，姿态解算模块331实时解算固定翼无人机的飞行姿态及方位等飞控姿态数据并传送至飞控导航模块334，飞控导航模块334依据飞控姿态数据与地面控制站5上传的任务航线生成飞行控制指令并传送至控制信号转换模块311，控制信号转换模块311将飞行控制指令转化为飞行控制电平并传送至飞控伺服器组，飞控伺服器组包括主推进伺服器(图中未示出)、两个第一类伺服舵机及两个第二类伺服舵机19，姿态控制舵面包含两个第一类舵面14及两个第二类舵面18，主推进伺服器驱动前进推进器13按预设速度飞行，两个第一类伺服舵机驱动相应的两个第一类舵面14按预设角度偏转，两个第二类伺服舵机19驱动相应的两个第二类舵面18按预设角度偏转，以便前进推进器13及姿态控制舵面按飞行控制指令执行飞行任务。在倾斜拍摄任务中，镜头增稳模块332依据飞控姿态数据及任务航线生成增稳控制指令并传送至控制信号转换模块311，控制信号转换模块311将增稳控制指令转化成为姿态控制电平并传送至姿态伺服器组23，姿态伺服器组23包括滚转轴伺服器231、航向轴伺服器232以及俯仰轴伺服器233，滚转轴伺服器231依据姿态控制电平中的修正滚转角度实时数据驱动第一电机241调整单镜头211的滚转角度，航向轴伺服器232依据姿态控制电平中的修正航向角度实时数据驱动第二电机242调整单镜头211的航向，俯仰轴伺服器233依据姿态控制电平中的修正俯仰角度实时数据驱动第三电机243调整单镜头211的俯仰角度，使得单镜头211的倾斜角恒定不变，倾斜角配置为地面的竖直方向与单镜头211的中轴线之间的夹角，由于有效拍摄区域相对于地球表面积而言很小，故在不考虑地球是圆形的情形下，地面的竖直方向即为地球的重力方向。拍摄成像模块333依据飞控姿态数据及任务航线生成拍摄控制指令并传送至控制信号转换模块311，控制信号转换模块311将拍摄控制指令转化为相机触发电平并传送至相机21，相机21依据拍摄控制指令中的触发模式及间隔周期触发相机21的快门拍照。触发模式包括等距离触发模式、等角度触发模式以及等时间触发模式，等距离触发模式对应的间隔周期是以分距离作为周期，等角度触发模式的间隔周期是以分角度作为周期，等时间触发模式的间隔周期是以分时段作为周期。

实施例二

本实施例中提供一种用于上述固定翼无人机的倾斜摄影方法，按如下步骤实施：增稳控制指令包括绕飞增稳控制指令与直飞增稳控制指令，当固定翼无人机依据环飞圈航线进行环绕飞行时，镜头增稳模块332发出绕飞增稳控制指令至增稳器22的姿态伺服器组23，姿态伺服器组23驱动单镜头211实时调整其姿态以对准环飞圈的盘旋中心且使得单镜头211的倾斜角保持恒定不变。需要特别说明是，由于单镜头211与相机21连为一体，因此调整单镜头211的倾斜角也是在调整相机21的倾斜角，调整单镜头211的姿态也是调整相机21的姿态，当然最终的目的是调整单镜头211，假设单镜头211与相机21是分离设置的，则直接通过姿态伺服器组23驱动单镜头211调整姿态即可。当固定翼无人机依据直线航线进行水平飞行时，镜头增稳模块332可选择性发出直飞增稳控制指令至的姿态伺服器组23，姿态伺服器组23驱动单镜头211实时调整其姿态以使得单镜头211的倾斜角恒定不变，优选地，姿态伺服器组23还应进一步驱动单镜头211实时调整其姿态以使得单镜头211的指向方向垂直与直线航线的延伸方向始终垂直，从而保证固定翼无人机在直飞过程中，能够以镜头始终垂直于直线航线的方式拍摄直线航线一侧的影像序列，当然不完全垂直也是可以的，当重要的是要保证。其中，单镜头211的倾斜角配置为地面的竖直方向与单镜头211的中轴线之间的夹角，由于有效拍摄区域相对于地球表面积而言很小，故在不考虑地球是圆形的情形下，地面的竖直方向即为地球的重力方向。

根据文章https://mp.weixin.qq.com/s/gbrzlmjnlpscq0kjmel96q《倾斜航空摄影技术设计与成果质量检验》的方法进行计算，本实施例中的相机21选用经济型sonya7r2全幅相机进行对比试验。该型sonya7r2全幅相机的基本参数为：coms尺寸35.9*24mm、像素7952*5304、总像素约4200万。

现以固定翼无人机搭配40mm定焦摄影测量镜头按45度倾角进行单相机倾斜摄影拍摄1kmx1km有效拍摄区域项目为例，设置航高为95米、中心像素分辨率为1.5cm、飞行盘旋半径95m以及环绕周长596.6m，按15度角分度拍照间隔计算，环绕一周拍照数量＝360/15＝24张，环绕航点圈之间推进距离设置为一个半径95m，1kmx1km照片总数＝121*24＝2904张，环绕圈以及直线连接总飞行航程＝83.12km。通过与5相机平行飞行对比可知，当同样覆盖1kmx1km测区时，环绕飞行的航程优于5相机平行飞行方式，且航片数只有5相机系统的17.33％，二者后期数据处理成本差距巨大。当采用直线飞行的成像系统少于5相机时，任务总航程会大幅增大，故不考虑其他数量的固定翼无人机进行倾斜摄影试验。由此可见，固定翼无人机沿交替的环飞圈航线与直线航线进行倾斜摄影时，具有远远优于现有技术的照片总数及更少的航程，而且设备的复杂度也被降低，成本优势明显。

上述拍摄1kmx1km有效拍摄区域项目的结果如下：

*采购价格为专利申请日市场公开报价

进一步地，镜头增稳模块332采用开环控制方式发出绕飞控制指令，镜头增稳模块332依据绕飞速度、盘旋中心坐标及环飞圈的半径等数据计算单镜头211的偏移角度实时数据，并依据偏移角度实时数据计算出修正角度实时数据，并生成包含修正角度实时数据的增稳控制指令，增稳控制指令经过控制信号转换模块311转化为姿态控制电平后发送至姿态伺服器组23，姿态伺服器组23依据修正角度实时数据的姿态控制电平调整单镜头211的实时姿态角度。开环控制方式主要应用于精度要求不高的场合，其不对单镜头211的实时姿态进行检测，仅仅依据绕飞速度、盘旋中心坐标及环飞圈的半径等数据直接计算单镜头211的偏移角度实时数据，其适用于相对精度较低的实景三维模型的建模场景。

实施例三

本实施例中提供一种用于上述固定翼无人机的倾斜摄影方法，按如下步骤实施：当固定翼无人机依据环飞圈航线进行环绕飞行时，镜头增稳模块332发出绕飞增稳控制指令至增稳器22的姿态伺服器组23，姿态伺服器组23驱动单镜头211实时调整其姿态以对准环飞圈的盘旋中心且使得单镜头211的倾斜角保持恒定不变。当固定翼无人机依据直线航线进行水平飞行时，镜头增稳模块332发出直飞增稳控制指令至的姿态伺服器组23，姿态伺服器组23驱动单镜头211以使得单镜头211的倾斜角恒定不变。

实施例三与实施例二的不同之处在于：

镜头增稳模块332闭环控制方式发出绕飞控制指令，镜头增稳模块332中设置有用于获取绕飞水平面角度偏差值的角度编码器，通过角度编码器测量出单镜头211的当前的姿态测量角度，镜头增稳模块332依据绕飞速度、盘旋中心坐标及环飞圈的半径计算所述单镜头211的偏移角度实时数据，并通过姿态测量角度对偏移角度实时数据修正后再输出修正角度实时数据。例如：偏移角度实时数据中单镜头211的滚转角需要偏转30°，角度编码器检测角度为5°，也即已经偏转了5°，则修正角度实时数据中包含单镜头211的滚转角应为-25°，也即仅需要再偏转25°即可。镜头增稳模块332生成包含修正角度实时数据的增稳控制指令，增稳控制指令经过控制信号转换模块311转化为姿态控制电平后发送至姿态伺服器组23，姿态伺服器组23依据修正角度实时数据的姿态控制电平调整单镜头211的实时姿态角度。相对于实施例二中提供的开环控制，采用闭环控制后，镜头增稳模块332可依据单镜头211的拍照点对应的航高、经纬度坐标、飞行姿态等飞控姿态数据以及相机21实时姿态角度数据来解算相机21与飞行平台1高精度gnss设备的天线相位中心之间位置关系，从而使得镜头增稳模块332获得相机21精确的经纬度坐标和高度，也即获取单镜头211精确的经纬度坐标和高度，通过解算获取单镜头211精确的经纬度坐标和高度，使得影像序列中每张照片数据均能够对应精确的坐标数据，从而使得在使用本实施例中提供的固定翼无人机可减少或者免除布设地面控制点工作。

实施例四

实施例四与实施例三的不同之处在于：

镜头增稳模块332采用闭环控制方式发出绕飞控制指令。单镜头211上设置有用于获取绕飞水平面实际偏差值的角度传感器32，对角度传感器32进行归零操作，角度传感器32的实际测量角度等于单镜头211的实际偏差值，镜头增稳模块332依据绕飞速度、盘旋中心坐标及环飞圈的半径计算单镜头211的偏移角度实时数据，并通过实际偏差值对偏移角度实时数据修正后再输出修正角度实时数据，镜头增稳模块332生成包含修正角度实时数据的增稳控制指令，增稳控制指令经过控制信号转换模块311转化为姿态控制电平后发送至姿态伺服器组23，姿态伺服器组23依据修正角度实时数据的姿态控制电平调整单镜头211的实时姿态角度。实施例四与实施例三不同之处在于利用“角度传感器32”来替代“角度编码器”来测量出单镜头211的当前的姿态测量角度，“角度传感器32”采用是直接检测的方式进行测量，解算过程的难度就被大幅度降低，同样能够达到闭环控制的目的。

实施例五

如图1、图4及图5所示，本实施例中提供的一种单镜头倾斜摄影系统，包括地面控制站5以及上述所有实施例中提供的固定翼无人机，地面控制站5通过双向数据链路与固定翼无人机通信。地面控制站5包括人机控制系统51及基站52，人机控制系统51与基站52网络连接，人机控制系统51包括由计算机设备及显示设备组成硬件系统，硬件系统装载有控制站软件系统53。控制站软件系统53包括数据传送模块531、航线生成模块532、人机交互模块533以及状态监测模块534，航线生成模块532为中控模块，数据传送模块531人机交互模块533以及状态监测模块534均受控于航线生成模块532，数据传送模块531用于上传数据及下载数据，上传数据主要包括任务航线数据及用户指令数据，下载数据主要包括机载工况数据；航线生成模块532用于生成包含若干导航点的任务航线；人机交互模块533用于辅助计算机的输入设备录入用户指令数据并可视化展示固定翼无人机的飞行数据及图表，用户指令数据包括飞行航线指令、飞行模式指令、切换导航点指令、改变飞航高度指令、速度控制指令等；状态监测模块534用于监控及统计分析固定翼无人机的机载工况数据，机载工况数据包括高度、速度、电压、电流、剩余电量、经纬度坐标等。具体使用时，用户通过人机交互模块533录入飞行航线指令以及飞行模式指令等，航线生成模块532依据人机交互模块533录入的上述指令生成任务航线，数据传送模块531将数据任务航线通过基站52的双向数据链路上传至固定翼无人机，固定翼无人机按照任务航线飞行，并以预设周期下行机载工况数据，状态监测模块534对机载工况数据进行监控预警以及统计分析，并将监控预警以及统计分析的结果输送至人机交互模块533进行可视化展示，以便用户实时对固定翼无人机进行观察及控制，地面控制站5利于使用者对固定翼无人机进行实时控制及观测。

实施例六

本实施例中提供的一种用于上述单镜头倾斜摄影系统的固定翼无人机单镜头倾斜摄影方法，按如下步骤实施：

s00步骤：航线生成模块532依据有效拍摄区域的面积生成包含若干导航点的任务航线，并通过基站52上传至固定翼无人机的飞控导航模块334，任务航线由相间的环飞圈航线和直线航线组成，两个相邻的环飞圈航线一部分重合，直线航线与两个相邻的环飞圈航线相切，环飞圈优选为圆形或者椭圆等类圆形，从而实现对被拍摄物体的绕飞。如图7所示，标有箭头的实线表示固定翼无人机的任务航线，未标箭头且位于环飞圈的内部的虚线圈表示每个环飞圈对应的圆形有效拍摄区域，相邻的圆形有效拍摄区域之间不能留有盲区。优选地，当有效拍摄区域需要多条往返的任务航线才能覆盖时，相邻的两个任务航线中的第一任务航线的多个环飞圈与相邻的两个任务航线中的第二任务航线的多个环飞圈相互错开，第一任务航线中两个相邻的环飞圈与第二任务航线中与所述两个相邻的环飞圈相邻的另一个环飞圈呈等腰三角形分布。通过这种交错分布，就使得有效拍摄区域被完全覆盖，而不会再留下盲区，如果采用环飞圈平行排列，两条任务航线中四个相邻的环飞圈中部就极易形成盲区。

s10步骤：固定翼无人机先盘旋飞行至初始环飞圈航线的进出点，飞控导航模块334控制飞行平台1沿初始环飞圈航线进行环绕飞行，此时镜头增稳模块332发出绕飞增稳控制指令至增稳器22的姿态伺服器组23，姿态伺服器组23驱动单镜头211实时调整其姿态以对准环飞圈的盘旋中心且使得单镜头211的倾斜角保持恒定不变。拍摄成像模块333将拍摄控制指令传送至相机21，相机21依据拍摄控制指令中的触发模式及间隔周期触发相机21的快门拍照，并将照片数据构成的影像序列存储至存储模块312。

s20步骤：当固定翼无人机沿环飞圈航线飞行一周后，回到进出点，飞控导航模块334控制飞行平台1沿初始直线航线进行直线飞行，此时镜头增稳模块332可选择地发出直飞增稳控制指令至的姿态伺服器组23，姿态伺服器组23驱动单镜头211实时调整其姿态以使得单镜头211的倾斜角恒定不变。拍摄成像模块333将拍摄控制指令传送至相机21，相机21依据拍摄控制指令中的触发模式及间隔周期触发相机21的快门拍照，并将照片数据构成的影像序列存储至存储模块312，当然固定翼无人机进行直线航线时，也可以选择不进行拍摄，因为通常只有在有效拍摄区域边缘处才选择在直线航线中进行倾斜拍摄，例如：通过多个环飞圈已经能够覆盖形成的拍摄区域已经能够覆盖有效拍摄区域后，就没有必要在直线航线中进行倾斜拍摄，从而达到节约电能的目的。另外，由于采用环飞圈的方式覆盖有效拍摄区域时其边缘是由多段圆弧边缘构成的，这时若采用直线航线且进行补充倾斜拍摄，其可以消除多段圆弧边缘处的盲区。

s30步骤：重复s10步骤及s20步骤，直至有效拍摄区域被完全覆盖。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

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