测定无人机中航测相机曝光时刻的装置及方法.pdf

本发明涉及无人机航空摄影测量领域，具体保护了一种测定无人机中航测相机曝光时刻的装置，包括顺序连接的无人机飞控系统、航测相机和GNSS系统，所述无人机飞控系统根据预先设定的曝光控制信息，生成第一曝光信号，所述航测相机根据所述第一曝光信号进行曝光，同时生成同步信号，所述GNSS系统根据所述同步信号确定所述航测相机的精准曝光时刻。本发明还保护了一种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的方法，通过该装置和方法，解决了精确测定工业数码相机曝光时刻的技术难题，极大地提升了利用GNSS系统数据进行后期插值解算航测像片的外方位元素的准确性。

1.  一种测定无人机中航测相机曝光时刻的装置，其特征在于，包括：无人机飞控系统、航测相机和GNSS系统；
所述无人机飞控系统、所述航测相机和所述GNSS系统顺序串联；
所述无人机飞控系统用于根据预先设定的曝光控制信息，生成第一曝光信号；
所述航测相机用于根据所述第一曝光信号进行曝光，同时生成同步信号；
所述GNSS系统用于根据所述同步信号确定所述航测相机的精准曝光时刻。

2.  如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述GNSS系统包括基准模块和校验模块；
所述无人机飞控系统用于在生成所述第一曝光信号时，同时生成第二曝光信号，并将所述第二曝光信号发送给所述基准模块；
所述基准模块用于根据所述第二曝光信号确定所述航测相机的基准曝光时刻，并将所述基准曝光时刻发送给所述校验模块；
所述校验模块用于当所述基准曝光时刻和获取到所述同步信号的时刻之间的时间差值小于预设的标准时间差值时，将所述同步信号的时刻作为所述航测相机的精准曝光时刻。

3.  如权利要求2所述的装置，其特征在于：
所述校验模块包括差值单元和比较单元；
所述差值单元用于计算所述基准曝光时刻和获取到所述同步信号的时刻之间的时间差值，并将所述时间差值发送给所述比较单元；
所述比较单元用于将所述时间差值与所述标准时间差值进行比较，若所述时间差值小于所述标准时间差值，则将获取到所述同步信号的时刻作为所述航测相机的精准曝光时刻，否则将所述基准曝光时刻作为所述航测相机的精准曝光时刻。

4.  根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述GNSS系统为双频GNSS或GNSS/IMU系统。

5.  根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：
无线引闪器，用于在所述航测相机进行曝光时产生所述同步信号。

6.  根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：
信号放大器，用于将所述航测相机进行曝光时在热靴信号触点或者PC端口同步产生的信号进行放大，并输出所述同步信号。

7.  根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述航测相机在第一帘幕开启时进行曝光。

8.  根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述航测相机为工业数码相机。

9.  一种测定无人机中航测相机曝光时刻的方法，其特征在于：
无人机飞控系统根据预先设定的曝光控制信息，生成第一曝光信号,并将所述第一曝光信号发送给航测相机；
所述航测相机根据所述第一曝光信号进行曝光，同时生成同步信号，并将所述同步信号发送给GNSS系统；
所述GNSS系统根据所述同步信号，确定所述航测相机的精准曝光时刻。

10.  如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
无人机飞控系统根据所述航测相机的精准曝光时刻，计算航测像片的外方位元素。

测定无人机中航测相机曝光时刻的装置及方法
技术领域
本发明涉及无人机航空摄影测量领域，具体地说是一种测定无人机中航测相机曝光时刻的装置及方法。
背景技术
现有技术中，无人机航空摄影测量工作中数码相机曝光时刻的精确时间信息是不记录或是将无人机飞控系统发出的曝光脉冲信号的时刻作为相机曝光时刻，未考虑相机曝光延迟的问题，因此不能够精确反映相机曝光时刻。没有精确的时间信息就不可能与精确的坐标信息进行有效的匹配关联，这就使得航空摄影测量需要大量的地面像控点进行精度支持，例如，GPS(Global Positioning System，全球定位系统)频率一般为4HZ左右，而无人机通常是在30m/s左右的速度上连续飞行，这就使得GPS记录的时间信息与坐标信息有相当大的差距，而GPS给的曝光信息到相机实施曝光动作也有一段时间，而此时飞机在空中已经发生了位移，所以此时GPS记录的时间信息并不是相机真正曝光的时间信息。专利号CN201310012924.9中，公开了一种无人机用小型航测相机曝光信号实时获取及记录方法，从相机快门前帘处获取相机曝光信号，并由GPS设备记录此信号的时间信息作为相机曝光时刻，但由于该方法中相机曝光信号是从相机内部的前帘位置引出并连接到GPS设备上，因此结构较复杂，且相机快门容易受到信号干扰而导致快门工作误差，从而进一 步影响事件记录的精度，因此该方法仍然无法很好地解决无人机中航测相机曝光时刻的精确测定的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种测定无人机中航测相机曝光时刻的装置及方法，以解决上述的问题和不足并提供至少以下所述的优点。
第一方面，本发明实施例提供了一种测定无人机中航测相机曝光时刻的装置，包括：无人机飞控系统、航测相机和GNSS(Global Navigation Satellite System，即全球导航卫星系统)系统；该无人机飞控系统、该航测相机和该GNSS系统顺序串联；该无人机飞控系统用于根据预先设定的曝光控制信息，生成第一曝光信号；该航测相机用于根据该第一曝光信号进行曝光，同时生成同步信号；该GNSS系统用于根据该同步信号确定该航测相机的精准曝光时刻。
优选地，该GNSS系统包括基准模块和校验模块；该无人机飞控系统用于在生成该第一曝光信号时，同时生成第二曝光信号，并将该第二曝光信号发送给该基准模块；该基准模块用于根据该第二曝光信号确定该航测相机的基准曝光时刻，并将该基准曝光时刻发送给该校验模块；该校验模块用于当所述基准曝光时刻和获取到所述同步信号的时刻之间的时间差值小于预设的标准时间差值时，将所述同步信号的时刻作为该航测相机的精准曝光时刻。
优选地，该校验模块包括差值单元和比较单元；该差值单元用于计算该基准曝光时刻和获取到该同步信号的时刻之间的时间差值，并将该时间差值发送给该比较单元；该比较单元用于将该时间差值与预设的标准时间差值进行比较，若该时间差值小于该标准时 间差值，则将获取到该同步信号的时刻作为该航测相机的精准曝光时刻，否则将该基准曝光时刻作为该航测相机的精准曝光时刻。
进一步地，该GNSS系统为双频GNSS或GNSS/IMU系统。
进一步地，上述精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置可以包括：无线引闪器，用于在该航测相机进行曝光时产生该同步信号。
优选地，上述精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置可以包括：信号放大器，用于将该航测相机进行曝光时在热靴信号触点或者PC端口同步产生的信号进行放大，并输出该同步信号。
优选地，该航测相机在第一帘幕开启时进行曝光。
优选地，该航测相机为工业数码相机。
第二方面，本发明实施例还提供了一种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的方法，包括：无人机飞控系统根据预先设定的曝光控制信息，生成第一曝光信号,并将该第一曝光信号发送给航测相机；该航测相机根据该第一曝光信号进行曝光，同时生成同步信号，并将该同步信号发送给GNSS系统；该GNSS系统根据该同步信号，确定该航测相机的精准曝光时刻。
优选地，上述方法还包括，无人机飞控系统根据该航测相机的精准曝光时刻，计算航测像片的外方位元素。
本发明实施例提供的精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置及方法，利用航测相机执行曝光动作时在相机外部同步产生的信号并对其进行处理之后发送给GNSS系统，从而能够精确测定出航测相机的精准曝光时刻，大大提高了事件记录的精度，作为影像的外方位元素的初值，极大地减少了影响处理过程中对地面控制点的依赖程度，能够做到无控制或者少量控制点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了现有技术中一种测定无人机中航测相机曝光时刻的装置；
图2示出了本发明实施例所提供的一种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置；
图3示出了本发明实施例所提供的第二种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置；
图4(a)和(b)分别示出了本发明实施例所提供的一种第一曝光信号和同步信号的波形；
图5示出了本发明实施例所提供的一种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的方法。
1 无人机飞控系统
2 GNSS系统
3 航测相机
11 IMU/GNSS系统
12 基准模块
13 校验模块
14 差值单元
15 比较单元
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为现有技术中一种测定无人机中航测相机曝光时刻的装置，该装置中，无人机飞控系统1根据预先设定的曝光控制信息，输出两路同步的相机曝光脉冲信号，其中一路发送给相机3用于控制相机3进行曝光动作，另外一路发送给GNSS系统，记录该脉冲的到来时刻，并将该脉冲的到来时刻作为相机曝光时刻。该装置不考虑曝光脉冲信号在系统线路中的传输延迟，也不考虑相机本身生产工艺引起的曝光延迟的问题，因此该脉冲的到来时刻不能够精确反映相机的实际曝光时刻。
如图2所示为根据本发明实施例提供的一种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置，包括：无人机飞控系统1、航测相机3和GNSS系统2，且无人机飞控系统1、航测相机3和GNSS系统2顺序串联，其中无人机飞控系统1中预先人为设定了航测相机3的 曝光控制信息，无人机飞控系统1根据该曝光控制信息生成第一曝光信号，并将该第一曝光信号发送给航测相机3，航测相机3根据该第一曝光信号进行曝光动作，同时生成与执行曝光动作的时刻相同的同步信号，并将该同步信号发送给GNSS系统2，GNSS系统2根据接收到该同步信号的时刻，确定航测相机3的精准曝光时刻，本实施例优选地可以将接收到该同步信号的时刻作为航测相机3的精准曝光时刻。其中，GNSS系统2例如可以是双频GNSS系统，或者IMU/GNSS(IMU，Inertia Measurement Unit，惯性测量单元)系统，还可以是GPS系统、Glonass(GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM，格洛纳斯卫星导航系统)、Galileo(Galileo Positioning System，伽利略定位系统)、北斗卫星导航系统。
图3示出了本发明实施例所提供的第二种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置，该实施例中以IMU/GNSS系统为例进行说明。IMU/GNSS系统11例如可以包括基准模块12和校验模块13。无人机飞控系统1在生成第一曝光信号时，还同时生成与该第一曝光信号同步的第二曝光信号，并将该第二曝光信号发送给该基准模块12，基准模块12用于根据该第二曝光信号确定航测相机3的基准曝光时刻，并将该基准曝光时刻发送给校验模块13，校验模块13用于根据该基准曝光时刻对获取到的上述同步信号的时刻进行校验，以确定航测相机3的精准曝光时刻，当该基准曝光时刻和获取到该同步信号的时刻之间的时间差值小于预设的标准时间差值时，将该同步信号的时刻作为航测相机3的精准曝光时刻。本实施例中，校验模块13例如还可以包括差值单元14和比较单元15，其中差值单元14用于计算该基准曝光时刻和获取到该同步信号的时刻之间的时间差值，并将该时间差值发送给比较单元15，比较单元15用 于将该时间差值与预设的标准时间差值进行比较，若该时间差值小于该标准时间差值，则将获取到该同步信号的时刻作为航测相机3的精准曝光时刻，否则将该基准曝光时刻作为航测相机3的精准曝光时刻。
图4中(a)为本发明实施例所提供的无人机飞控系统生成的一种优选的第一曝光信号的波形，该第一曝光信号可以是航测相机3和GNSS系统2能够接收的例如0-3.3V方波脉冲的下降沿或者上升沿，优选下降沿，如图4(a)所示，也可以是其他形式的脉冲，本发明实施例对此不进行具体限制。图4中(b)为与图4中(a)相应的无线引闪器发出的一种同步信号的波形。其中横轴为时间轴，纵轴为电压轴。本实施例将在图3的基础上结合图4，对所提供的第二种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置进行详述。
如图3所示，无人机飞控系统1、航测相机3和IMU/GNSS系统11顺序串联，无人机飞控系统1中预先人为设定了航测相机3的曝光控制信息，无人机飞控系统1根据该曝光控制信息生成图4(a)中的第一曝光信号，并将该第一曝光信号发送给航测相机3，t1时刻时该第一曝光信号的下降沿由无人机飞控系统1发出，经过一段△t时间的延迟后，航测相机3在t2时刻收到该第一曝光信号的下降沿，同时航测相机3的快门例如第一帘幕开启并进行曝光动作，同时在其例如热靴信号触点或者PC端口处生成与执行该曝光动作的时刻同步的信号，例如以尼康D800相机为例，该信号为一个0-0.6V方波，该信号经过无线引闪器引出，并经过无线引闪器发射器进行放大后成为0-3.3V的同步信号，如图4(b)所示，通过在无线引闪器发射器的信号触点位置外接导线，或者利用无线引闪器发射器本身的无线发射功能，将该同步信号引出并发送给校验模 块13中的差值单元14。另外该信号也可由例如信号放大器进行放大，以方便IMU/GNSS系统11识别。无人机飞控系统1在生成第一曝光信号时，还同时生成与该第一曝光信号同步的第二曝光信号，并将该第二曝光信号发送给基准模块12，基准模块12根据该第二曝光信号确定航测相机3的基准曝光时刻，并将该基准曝光时刻发送给校验模块13中的差值单元14，差值单元14根据该基准曝光时刻和获取到的上述同步信号，计算该基准曝光时刻和获取到该同步信号的时刻之间的时间差值，并将该时间差值发送给比较单元15。比较单元15将该时间差值与预设的标准时间差值进行比较，以确定航测相机3的精准曝光时刻，例如预设的标准时间差值为30ms，则可将比较单元15设置为：当该时间差值不大于30ms时，将获取到该同步信号的时刻作为航测相机3的精准曝光时刻，否则当该时间差值大于30ms时，则IMU/GNSS系统11认为获取的同步信号的时刻出现异常，此时将该基准曝光时刻作为航测相机3的精准曝光时刻，由于基准曝光时刻具有确定性但缺乏精准性，而获取到所述同步信号的时刻具有精准性但缺乏稳定性，因此通过该实施例的装置，可将事件记录的精度提高到30ms以内的级别，为后续的处理工作奠定精度基础，可以大大提升利用GNSS系统数据进行后期插值解算航测像片的外方位元素的准确性。
本发明实施例中，航测相机3例如可以为工业CCD数码相机，或者工业CMOS数码相机，还可以是民用数码相机等等。
图5中示出了本发明实施例所提供的一种精确测定无人机中航测相机曝光时刻的方法的流程图，具体包括如下步骤：
步骤S102，无人机飞控系统根据预先设定的曝光控制信息，生成第一曝光信号,并将该第一曝光信号发送给航测相机；该第一曝光 控制信号可以是航测相机3和GNSS系统2能够接收的例如0-3.3V方波脉冲的下降沿或者上升沿，优选下降沿，如图4(a)所示，也可以是其他形式的脉冲，本发明实施例对此不进行具体限制。
步骤S104，该航测相机根据该第一曝光信号进行曝光，同时生成同步信号，并将该同步信号发送给GNSS系统；航测相机3接收到该第一曝光信号时，航测相机3的快门例如第一帘幕开启并进行曝光动作，同时在其例如热靴信号触点或者PC端口处生成与进行该曝光动作的时刻同步的信号，例如以尼康D800相机为例，该信号为一个0-0.6V方波，该信号经过无线引闪器引出，并经过无线引闪器发射器进行放大后成为0-3.3V的同步信号，如图4(b)所示，通过在无线引闪器发射器的信号触点位置外接导线，或者利用无线引闪器发射器本身的无线发射功能，将该同步信号引出并发送给该GNSS系统2。
步骤S106，该GNSS系统根据该同步信号，确定该航测相机的精准曝光时刻。具体地，GNSS系统2根据该同步信号，将接收到该同步信号的时刻作为航测相机3的精准曝光时刻。或者无人机飞控系统还可以在生成第一曝光信号的同时生成第二曝光信号，并将该第二曝光信号发送给GNSS系统2，GNSS系统2将接收到该第二曝光信号的时刻作为航测相机3的基准曝光时刻，GNSS系统2通过计算该基准曝光时刻和获取到该同步信号的时刻之间的时间差值，并将该时间差值与预设的标准时间差值进行比较，若该时间差值小于该标准时间差值，则将获取到该同步信号的时刻作为航测相机3的精准曝光时刻，否则将该基准曝光时刻作为航测相机3的精准曝光时刻，由于基准曝光时刻具有确定性但缺乏精准性，而获取到该同步信号的时刻具有精准性但缺乏稳定性，因此通过该实施例 的方法，可大大提高事件记录的精度。例如假设无人机的巡航飞行速度100km/h，通过该方法测定的相机曝光时刻比现有技术准确了50ms，则计算出的相机曝光位置精度可以提高约1.4米，极大地提升了利用GNSS系统数据进行后期插值解算航测像片的外方位元素的准确性。。
另外，本发明实施例还提供了一种航测像片外方位元素的计算方法，包括：根据航测相机3进行曝光时产生的同步信号，以及预定的基准曝光时刻，确定出航测相机3的精准曝光时刻；根据该航测相机3的精准曝光时刻，插值出航测相机3在曝光时刻所处的位置和姿态信息，进而计算出航测像片的外方位元素，例如以IMU/GNSS系统11为例，IMU/GNSS系统11在接收到由无线引闪器发送的同步信号时，会自动记录该同步信号的到来时刻的原始观测值，从而计算出该时刻的IMU/GNSS系统11的天线相位中心的位置信息，即(X₀,Y₀,Z₀)，以及IMU观测的导航坐标系下的姿态信息,即(r,p,y)，详细计算过程如下：
线元素计算：

上式(1)中：(X_P,Y_P,Z_P)为IMU/GNSS系统11的天线相位中心在地面坐标系中的坐标；
(X₀,Y₀,Z₀)为航测相机3曝光点在地面坐标系中的坐标；
为载体坐标系(IMU平面坐标系)到地面坐标系的旋转矩阵；
为影像外方位元素；
为像平面到IMU平面的旋转矩阵；
(u,v,w)为像空间坐标系中IMU/GNSS系统11的天线相位中心与相机投影中心的偏心分量。
角元素计算：

上式(2)中：为影像外方位元素；
(Λ₀,Φ₀)为测区内任意一点的经纬度；
(Λ_i,Φ_i)为曝光时刻影像曝光点的经纬度；
(r,p,y)为POS输出横滚、俯仰、航向值；
为导航坐标系到地面坐标系的转换矩阵；
为地心坐标系到导航坐标系的转换矩阵；
为导航坐标系到地心坐标系的转换矩阵；
为载体坐标系到导航坐标系的转换。
通过本发明实施例所提供的精确测定无人机中航测相机曝光时刻的装置和方法，解决了精确测定工业数码相机曝光时刻的技术难题，极大地提升了利用GNSS系统数据进行后期插值解算航测像片的外方位元素的准确性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。