CN104890875A - 全景拍摄用多旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

一种全景拍摄用多旋翼无人机，包括机身板，机身板上安装的设备舱和电机悬臂，电机悬臂上安装有电机和旋翼，所述的机身板由两块水平的机身板和中间用于连接两块水平机身板的倾斜机身板构成，倾斜机身板的上下两侧面上各安装有一台相机，倾斜机身板朝向地面一侧安装有起落架。所述电机悬臂的数量为4，每个电机悬臂上各安装有一个电机和一个旋翼。本发明同时满足：完全无盲区拍摄，满足遗产近距离及有限空间中全景拍摄要求；相机之间的位置差别最小化，图像拼接准确性高；拍摄速度快、漂移干扰小；机身重量最轻，体积最小，容易实现有限空间飞行。

Description

全景拍摄用多旋翼无人机

技术领域

本发明属于全景摄影用无人机设计技术领域。

背景技术

360度全景摄影是指相机于固定点旋转拍摄周边360*180度(水平360度，竖直180度)景物全景照片，照片经全景软件处理后，观看者能够以人机互动方式旋转操作，通过改变观看角度(方向)，产生可四周观望、身处其境的感觉。

全景拍摄发展迅速，已逐渐成为虚拟现实技术的一种类型。和水平移动相比，在高处拍摄视野更开阔，能够看到更多的景物。无人直升机、无人多旋翼机已经被用来拍摄空中全景图像。

无人直升机最常见的拍摄方式主要是下置云台，安装单相机，依靠直升机绕自身悬停中心旋转的能力连续旋转拍摄，类似于地面三脚架全景拍摄方法。但直升机全景拍摄存在局限性，即相机不能自由上仰拍摄，因为会受到直升机主旋翼的严重遮挡，旋翼进入视野会造成拍摄领域所谓的“穿帮”问题，因此，一般可看到的最大上仰角仅为10-25度，大于这一角度的天空为拍摄盲区，主要依靠计算机后期处理，利用另购的天空图片填充全景图片的上空盲区部分，并抹掉在略微上仰拍摄中偶尔出现的直升机机身痕迹。由于天空细节变化较少，因此易于替换且瑕疵不易察觉，只要直升机距离周边地物远，或者具有相对的高度优势，则这种方法亦可行。从201110392818.9号专利《基于无人直升机航拍的360度空中全景互动漫游系统的制作方法》同样可以看出直升机适合于下俯拍摄。即使使用多相机组合而成的全景拍摄装置，直升机主旋翼的遮挡仍是不可避免的，例如《空中360度全景照片拍摄装置》(201320135877.2)专利申请书提出了使用多个相机组成无盲区全景拍摄球状装置，并将其安装到无人直升机上拍摄空中全景。由于机身、旋翼的遮挡，必然存在拍摄盲区。因此此种拍摄球形装置一般只适用于地面三脚架或者车顶支架等其他遮挡不严重的场合。

但在建筑、文化遗产、考古等领域拍摄全景漫游成果的时候，经常需要近距离拍摄对象以表现细节，且周边大多还有更高的建筑、山体、悬崖，例如拍摄建筑梁柱上雕刻、彩绘、悬崖上的岩画、佛教寺庙的洞窟等。此时周围环境中具有高度优势的地物必然进入全景画面的上半部分。旋翼图像与被摄对象图像重叠在一起，再难于使用前述的后期天空图像替换修补的方法来获得无上仰盲区的完整全景图像。

多旋翼机是近年来新出现的垂直起降飞行器，依照旋翼数量和布局，它可以分为多种类型，这些类型的共同点，也即多旋翼机与直升机相比的特征在于多旋翼机的旋翼数量增加、单个桨叶尺度缩小、旋转轴从中间位置转变为向四周分散布局。因为多旋翼机的这一特点，相机等任务荷载的安放就变得更为灵活自由，不仅在旋翼或机身下方向下拍摄，还可以在旋翼之间与其同高，水平向前拍摄，也可以在机身骨架的上方，高于旋翼的旋转平面向上拍摄。

在201210377100.7号专利《基于正多面体的360度无盲区全景视频拍摄设备》和201320135877.2号《空中360度全景照片拍摄装置》中可以看出多个相机一起触发，能同时拍摄获得各角度覆盖的全景图像。

那么是否可以将相机分为上下两组，在多旋翼机上下侧分别直接安装两组相机拍摄，得到无遮挡的全景图像呢？这样做的条件是相机必须远离机身安装才能避开旋翼遮挡，机身上侧的相机能够有一定下俯的视野，机身下侧的相机能有一定上仰的视野，获得少许的重叠景物区域，以根据重叠区图像完成无缝全景拼接。但这样会造成多个问题：

(a)下侧相机位置最低，降落时会先撞击到地面。

(b)上、下侧相机之间位置差别过大，近距离拍摄的情况下，这一差别会导致上下图像之间难于准确拼接，因此这一高低差别不可忽略。例如《一种系留气艇地空全景摄像与成像装置》(02294802.3)提出的上下无盲区全景拍摄方案是在飞艇的内部安装一个竖管，上下两端分别放置相机。但飞艇自身高度3-5米，相机上下位置差别过大，不易拼接成功，因此该方案仅适用于大气物理领域，并不适合洞窟等遗产细节拍摄。

(c)相机数量多，在相同成像质量的条件下，整体设备购买成本高、重量大，相同大小的旋翼机滞空时间缩短。

为了避免旋翼对镜头的遮挡，DJI公司研发了悬臂可升降的Inspire多旋翼机。悬臂升起时下置摄像头可不受遮挡地略上仰拍摄，悬臂下降时用于保护摄像头不会因降落而撞击地面。该方案并非为了全景拍摄，而主要针对视频拍摄，因此未设置上仰相机。即使安装上侧相机，该方案用于全景拍摄仍存在如下缺点：

(a)构造复杂，只能适用于“工”字形平面的多旋翼机。目前绝大多数多旋翼机都无法利用这一设计。

(b)上、下侧相机之间位置仍然差别过大，没有解决上下相机拍摄时绝对高度需保持一致的问题。

(c)和固定不动的机身相比，机身主结构可动的设计大大增加了自重，因此和其他多旋翼机相比，该机滞空时间明显缩短，并且有效载重量下降，难于同时携带多个相机。

(d)将起落架设置在旋翼下方，使得障碍物的上下尺度大幅度增加，上下侧相机要相隔更远的距离才能避开从起落架底部到旋翼的所有遮挡物。

发明内容

建筑遗产有限空间中的全景拍摄记录与展示需要完全无盲区的拍摄，但当前不论使用何种飞行器，飞行器机身构件对镜头视野都存在遮挡，若要无盲区拍摄，就需要将相机远离机体(例如在多旋翼机上，相机要分别上、下两侧安装，并远离机身才能避开旋翼遮挡)，产生前述图像拼接不齐、设备重量显著增大等诸多问题。

本发明目的是克服多旋翼机机体对全景拍摄的遮挡问题。提供一种全景拍摄用多旋翼无人机，通过折线形的机身结构设计使两侧的旋翼机构产生高度差，俯、仰拍摄的相机之间可以紧贴固定，消除显著位置差别获得拼接整齐的图像；相机不必远离飞机主结构，省下云台或者相机支架的重量，使得飞行器重量最小化、质量分布更集中、在有限空间中飞行作业更灵活；本方案同时完全避免无人机自身对拍摄的遮挡，在360度(水平)*180度(垂直)各方向都能无盲区拍摄，使得俯、仰拍摄的照片之间有一定的重叠区域，完成后期拼接处理。因此本方案在最简设计的基础上，可在低空各个高度近距离全景展示岩画、石窟、高大古建筑(群)等各种类型建筑遗产。

本发明提供的全景拍摄用多旋翼无人机，包括机身板，机身板上安装的设备舱和电机悬臂，电机悬臂上安装有电机和旋翼，所述的机身板由两块水平的机身板和中间用于连接两块水平机身板的倾斜机身板构成，倾斜机身板朝向地面一侧安装有起落架。

所述的倾斜机身板的上下两侧面上各安装有一台相机。倾斜机身板的倾斜角度为45度。

本发明的优点和积极效果：

本发明方案同时满足建筑遗产有限空间中全景漫游拍摄的以下各项要求：

(a)完全无盲区拍摄，满足遗产近距离及有限空间中全景拍摄要求。本方案通过合理的机体设计，使机身的各个部分均不会遮挡上仰或下俯拍摄的相机镜头，获得完全无盲区的360*180度全景图像。

(b)相机之间的位置差别最小化，图像拼接准确性高。相机之间紧贴放置，两个光学中心距离仅为相机外壳这样微小的(约2-3厘米)的差别，因此当应用于物距仅为几米左右的近距离全景拍摄时，拼接精度不受影响。

(c)拍摄速度快、漂移干扰小。机载自动定位系统的精度是有限的，随着悬停时间的延长，机身高度、位置漂移值会越来越大，因此快速完成拍摄是提高拼接精度的关键。本方案无任何相机云台动作，结构简单，能够在飞行器悬停后立刻开始拍摄，绕竖轴旋转一圈过程中即完成全部拍摄。

(d)机身重量最轻，体积最小，容易实现有限空间飞行。本方案无云台构造、机身构造极简、重量轻，这样使得机身微型化，能够适应空域狭窄的有限空间环境。

附图说明

图1是无人机俯视图。

图2是图1的左侧示意图。

图3是图2的左侧示意图(亦即无人机的前视图)。

图4是相机视野示意图。

图中，1倾斜(45度)机身板，2相机安装座，3相机螺丝孔，4水平机身板，5起落架，6相机，7设备舱，8电机悬臂，9电机，10旋翼，11GPS天线架。

具体实施方式

实施例1：

如图1至图3所示，本发明提供的全景拍摄用多旋翼无人机，包括机身板，所述的机身板由两块水平的机身板4和中间用于连接两块水平机身板的倾斜机身板1构成，倾斜机身板的倾斜角度优选为45度。两块水平机身板上各安装有一个设备舱7用于安装电池、自动驾驶仪、电机调速器等电子部件，同时在两块水平机身板上均布设置有4个电机悬臂8，每个电机悬臂上各安装有一个电机9和一个旋翼10，倾斜机身板朝向地面一侧安装有两个向外倾斜(合起来构成八字形)的起落架5，防止多旋翼机降落地面时倾倒，同时起落架还不遮挡下俯相机镜头视野(如图3所示)。

所述的倾斜机身板的上下两侧面上通过2个相机安装座2和相机螺丝孔3各安装有一台相机6，相机的后背与45度倾斜机身板相平行。

所述的两个水平机身板中，上侧水平机身板的上表面安装有GPS天线架11，满足卫星信号接受的要求，且不遮挡上仰相机尽头视野。GPS天线通过黏胶固定在天线架上。

所述的多旋翼机上的各电子部件按照本领域公知公用的方式连接，例如相机快门线与无线电接收机相连，无线电接收机和GPS天线均与自动驾驶仪连接，自动驾驶仪通过电机调速器与电机连接。多旋翼机按照本领域通常的控制模式飞行作业，即自动驾驶仪通过GPS信号实时监控自身位置漂移，并通过调节四个旋翼的转速确保悬停精度，无线电接收机接收控制人员遥控指令，一方面通过电子快门线控制相机快门拍摄，另一方面通过自动驾驶仪控制航线飞行。

本发明无人机各部分内容详述如下：

倾斜45度机身板处于飞行器中央位置，倾斜机身板自身中央有一块略大于相机的洞，洞的一侧在倾斜机身板两面各有一相机安装座2，两个相机安装座上各有一相机螺丝孔3。倾斜机身板两侧还各有一根斜支架，构成八字形两脚起落架5。

两块水平机身板分别安装有设备舱，可以用于放入电池、无线电接收机、视频发射机、自动驾驶仪、相机快门线等电子部件。在上侧水平机身板的上表面还安装有GPS天线架11。两个水平机身板的外端安装有电机臂，电机臂的总数量4。每个电机臂端部安装有向上的电机和旋翼。

全景拍摄方法：

两个相机背对背放置分别通过相机固定螺丝穿过相机螺丝孔安装于相机安装座上，此时相机处于人像模式(即上下视野大于水平视野)。相机镜头的上下开角应约为120度(见图4)，这样相机最大视角与水平、竖直轴之间的夹角均约为15度，既能够满足图像拼贴的要求，又不至于视野过大，拍摄到多旋翼机的旋翼。

两脚起落架的角度和长度，也是根据俯拍相机的水平视野范围设计的，使之不会遮挡镜头。起飞前多旋翼机用两脚起落架以及下侧电机臂站立在地面。

人员可以用全自主或人工控制的等常见的飞行方式控制多旋翼机起飞、升高并到达期望的拍摄空域后保持悬停高度和位置，开始绕多旋翼机自身竖轴(亦即相机所在位置)水平旋转360度，并同时遥控两个相机快门实施连拍获得连续照片。俯、仰两个相机分别获得下半天空、上半天空的无遮挡单张图像。

一个悬停位置的360度旋转拍摄完成后，多旋翼机可以飞到下一个悬停点再次拍摄，完成后可以安全触地降落。照片使用全景拼接软件后期处理获得全景漫游成果。

Claims (6)

1.一种全景拍摄用多旋翼无人机，包括机身板，机身板上安装的设备舱和电机悬臂，电机悬臂上安装有电机和旋翼，其特征在于所述的机身板由两块水平的机身板和中间用于连接两块水平机身板的倾斜机身板构成，倾斜机身板朝向地面一侧安装有起落架。

2.根据权利要求1所述的全景拍摄用多旋翼无人机，其特征在于所述的倾斜机身板的上下两侧面上各安装有一台相机。

3.根据权利要求1所述的全景拍摄用多旋翼无人机，其特征在于所述的倾斜机身板的倾斜角度为45度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的全景拍摄用多旋翼无人机，其特征在于所述的水平或倾斜机身板上安装有GPS天线架。

5.根据权利要求1至3任一项所述的全景拍摄用多旋翼无人机，其特征在于所述的电机悬臂的数量为4，每个电机悬臂上各安装有一个电机和一个旋翼。

6.根据权利要求1至3任一项所述的全景拍摄用多旋翼无人机，其特征在于所述的设备舱有两个，分别安装在两块机身板上。