基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法。基于Pixhawk飞控，检测三轴角速率及三轴加速度信息，计算出无人机的横滚及俯仰角度；检测无人机飞行方向前是否有障碍物阻挡，计算出相应距离，以实时调整无人机的飞行器姿态和高度；获得无人机实时地理位置信息；根据无人机航向参数与无人机所要飞行的目标航向进行分析，通过预先设定的偏移距离查看GPS移动距离，每当经纬度变化达到预先设定值时，调整相机云台并启动相机拍照；从而证拍摄照片的航向重叠率以及相机倾斜角。本发明专利技术方法解决了三维建模中的纹理映射和曲面平滑伴随着的几何修复过程的问题，并在几何结构修复的同时提高从倾斜影像中提取纹理的速度。

Pixhawk-based method of building three-dimensional modeling using UAV

The present invention relates to a method of building three-dimensional modeling based on Pixhawk using UAV. Based on Pixhawk flight control, the roll and pitch angles of UAV are calculated by detecting triaxial angular velocity and triaxial acceleration information; the obstacles are detected before the direction of UAV flight, and the corresponding distance is calculated to adjust the attitude and altitude of UAV in real time; the real-time geographic position information of UAV is obtained; the UAV's heading parameters and the target of UAV are determined. The target course is analyzed, and the GPS moving distance is checked through the pre-set offset distance. Whenever the latitude and longitude change reaches the pre-set value, the camera platform is adjusted and the camera is started to take pictures, so as to verify the course overlap rate and the camera tilt angle of the photos taken. The method solves the problems of texture mapping and surface smoothing accompanied by geometric repair process in three-dimensional modeling, and improves the speed of texture extraction from inclined images while geometric structure repair.

【技术实现步骤摘要】
基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法
本专利技术涉及一种基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法。
技术介绍
目前，三维地形，建筑建模的数据来源多采用卫星遥感影像数据和常规有人机航空遥感影像数据，这些技术获取遥感资料虽然已较为成熟，但是在高效性、实时性、准确性和分辨率等方面还存在一定程度的不足，目前我国多数市中心繁华地段，古建筑群，复杂地形缺乏最新的遥感测绘资源来为城市管理者、研究机构等提供技术支持。其中卫星遥感影像数据存在周期长、时效难以保证的问题，数据采集实时性较差且易受云层的影响；有人驾驶飞机的普通航空遥感方法可获取较高分辨率的影像，但受我国严格的空域管制和气候等因素制约，对时间要求紧迫的监测任务较难保障，且成本较高。随着信息技术及航空摄影测量技术的飞速发展，低空无人机遥感测绘及自动建模技术不仅具有机动快速、使用成本低、地形环境适应性强、安全风险小等技术特点，而且可以获取目标物形体、材质、环境等多方面的高精度影像数据，可以便利地制作传统村落所处空间的大比例尺地形图，并快速识别、重建地表建筑物的三维空间模型。无人机倾斜摄影实景建模技术（简称“实景建模技术”）是近年国际测绘遥感领域发展起来的一项高新技术，主要原理为通过在飞行平台上搭载一台或多台倾斜摄影相机，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，通过专业软件进行解析空中三角测量、几何校正、同名点匹配、区域网联合平差等处理，最后将平差后的数据（三个坐标信息及三个方向角信息）赋予每张倾斜影像，使得他们具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据，合成高精度三维模型。倾斜影像即可进行实时量测，每张斜片上的每个像素对应真实的地理坐标位置。能有效的辅助投标勘探、土方计算、进度汇报、辅助场布等工作。目前使用的计算机的内存是8GBDDR42133MHz，显卡是NVIDIAGeforce940MX，在使用AgisoftPhotoScanPro1.27软件对所拍摄的照片进行分析处理时需要在瞬间提供大量内存空间，并且对于显卡的要求很高。最好使用服务器类型的主机对图片计算密集点云，纹理的分析。采用小型无人机利用相机摄影的方法对地面建筑或部分地形进行计算分析。对于建筑物内部或在照明条件不良时，无人机所拍摄的影片会产生大量噪点对后期的图像处理和数据分析带来误差，当发生这种情况时需要人工测绘加以辅助，以提高无人机解析信息的精度，提高测控的可靠性。通过分析三维建筑模型建设现状和模型成果的缺陷可知，现状三维城市模型需要改进的方面有：1)几何修复：对破洞进行修补，凸包抹平并还原，删除飞面等碎部。2)细部整饰：重要地物和标志物的三维模型整饰或替换。3)纹理修补：替换和修补不均匀纹理、清晰度不够的纹理等。实际上，纹理映射和曲面平滑始终伴随着几何修复的过程，如何在几何结构修复的同时提高从倾斜影像中提取纹理的速度，是目前主要的问题之一。现有的相关专利2016108241772，三维地图建模表层轮廓快速联动渲染方法，且目的在于借助三维地图建模、云计算、数学反向推演模型、无人机和智能化贴片等技术，实现高效联动的三维建模表层渲染，真实地呈现三维地图表层纹理特征；此方法能够通过建立数学模型，自动批量生成最佳的无人机拍摄点，避免了人工选择的位置偏移，在保障获取三维地图建模表层渲染图片的质量的同时，还有效地提高了工作的连贯性，节约了大量的人力物力等资源。然而且并未解决上述提出的在三维建模中的纹理映射和曲面平滑伴随着的几何修复的过程，以及如何在几何结构修复的同时提高从倾斜影像中提取纹理的速度的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法，为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法，包括如下步骤，步骤S1、基于Pixhawk飞控，检测三轴角速率及三轴加速度信息，计算出无人机的横滚及俯仰角度；步骤S2、检测无人机飞行方向前是否有障碍物阻挡，若有，计算出相应距离，以实时调整无人机的飞行器姿态和高度；步骤S3、获得无人机实时地理位置信息，记录高清相机摄影时无人机所处的的经纬度，并跟随所拍摄图片的信息一同记录到储存器中；步骤S4、根据无人机航向参数与无人机所要飞行的目标航向进行分析，通过预先设定的偏移距离查看GPS移动距离，每当经纬度变化达到预先设定值时，调整相机云台并启动相机拍照；从而证拍摄照片的航向重叠率以及相机倾斜角。在本专利技术一实施例中，所述步骤S4中，通过MissionPlanner对航点进行初步规划获得无人机航向参数与无人机所要飞行的目标航向，具体如下：（1）对于单航点：在实景三维模型中地面点上选取一点从而确定航点的平面位置，根据被测物的三维模型的高度设置该航点的航高、相机拍摄时的俯仰角、机头转向角；（2）对于航线段：首先在实景三维模型上选取两航点，两航点之间设置为一条航线段；若两航点之间无需插值航点，则根据被测物的三维模型的高度设置该航点的航高、相机拍摄时的俯仰角、机头转向角；若需要插值航点，则插值航点采用根据航点的数量、两个航点间改变航点的动作参数进行均匀的设置，或者分别设置每个插值航点的动作参数。在本专利技术一实施例中，根据已知航点的飞行距离与航向，确定下一航点经纬度的方式如下，当已知GPS航点Pg＝（λ，φ，h），航向ξ，需要飞行距离D时，为了计算下一个GPS航点Pg,n＝（λn，φn，hn），首先需要把Pg＝（λ，φ，h）转换成ECEF坐标Pe,ref＝（Xe,ref，Ye,ref，Ze,ref），航向是NED坐标系下的表述，在NED坐标系下一个航点的坐标为Pn＝（Dcosξ，Dsinξ，-h），将它转换成ECEF坐标系下的一个点；利用式便可求出ECEF坐标系下的下一个航点坐标Pe,n＝（Xe,n，Ye,n，Ze,n），最后利用下式：可求得Pg,n＝（λn，φn，hn）．由此便能够精确地解出任意已知飞行距离与航向的下一航点经纬度。在本专利技术一实施例中，所述步骤S1中，采用L3GD20H16bit陀螺芯片及LSM303D14bit加速度/磁场芯片，检测三轴角速率及三轴加速度信息。在本专利技术一实施例中，所述步骤S2中，采用光流传感器以及超声波传感器检测无人机飞行方向前是否有障碍物阻挡；并通过32bitSTM32F427CortexM4芯片计算无人机实时调整飞行器姿态和高度。在本专利技术一实施例中，所述步骤S3中，通过GPS模块获得无人机实时地理位置信息以及高清相机摄影时无人机所处的的经纬度。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：（1）使用Pixhawk飞控搭配高清相机进行拍摄可以通过计算机QGroundControl进行实时监测，在无人机发生意外或想人为停止飞行时更方便快捷；（2）根据已拍摄的图像对接下来拍摄方案中没有拍摄到的建筑物或地面通过三轴云台调节相机角度，对图像进行补充。保证了后期建模素材的可靠性及丰富性；（3）无人机具有快速航测反应能力、突出的时效性和性价比、建模等优势，在小区域和地面环境复杂地区有明显优势。如今，无人机航测技术完全可以达到1:1000国家航空摄影测量规范的要求。（4）航测无人机由于其应用已久，相关技术已经比较成熟，相比于多旋翼和直升机固定翼在航测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤S1、基于Pixhawk飞控，检测三轴角速率及三轴加速度信息，计算出无人机的横滚及俯仰角度；步骤S2、检测无人机飞行方向前是否有障碍物阻挡，若有，计算出相应距离，以实时调整无人机的飞行器姿态和高度；步骤S3、获得无人机实时地理位置信息，记录高清相机摄影时无人机所处的的经纬度，并跟随所拍摄图片的信息一同记录到储存器中；步骤S4、根据无人机航向参数与无人机所要飞行的目标航向进行分析，通过预先设定的偏移距离查看GPS移动距离，每当经纬度变化达到预先设定值时，调整相机云台并启动相机拍照；从而证拍摄照片的航向重叠率以及相机倾斜角。

【技术特征摘要】
1.一种基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤S1、基于Pixhawk飞控，检测三轴角速率及三轴加速度信息，计算出无人机的横滚及俯仰角度；步骤S2、检测无人机飞行方向前是否有障碍物阻挡，若有，计算出相应距离，以实时调整无人机的飞行器姿态和高度；步骤S3、获得无人机实时地理位置信息，记录高清相机摄影时无人机所处的的经纬度，并跟随所拍摄图片的信息一同记录到储存器中；步骤S4、根据无人机航向参数与无人机所要飞行的目标航向进行分析，通过预先设定的偏移距离查看GPS移动距离，每当经纬度变化达到预先设定值时，调整相机云台并启动相机拍照；从而证拍摄照片的航向重叠率以及相机倾斜角。2.根据权利要求1所述的一种基于Pixhawk利用无人机对建筑物进行三维建模的方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过MissionPlanner对航点进行初步规划获得无人机航向参数与无人机所要飞行的目标航向，具体如下：（1）对于单航点：在实景三维模型中地面点上选取一点从而确定航点的平面位置，根据被测物的三维模型的高度设置该航点的航高、相机拍摄时的俯仰角、机头转向角；（2）对于航线段：首先在实景三维模型上选取两航点，两航点之间设置为一条航线段；若两航点之间无需插值航点，则根据被测物的三维模型的高度设置该航点的航高、相机拍摄时的俯仰角、机头转向角；若需要插值航点，则插值航点采用根据航点的数量、两个航点间改变航点的动作参数进行均匀的设置，或者分别设置每个插值航点的动作参数。3.根据权利要求2所述的一种基于Pixhawk利用无人机...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云飞，陈兴武，何松，陈锦杰，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建,35