一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机

1.本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机。


背景技术：

2.我们日常生活中看到的无人机，其实是通过无线遥控设备和程序控制装置操纵的不载人飞行器，它是采用人工智能和信号处理等高精尖核心技术，可执行人类无法胜任的高难度、高风险的任务，目前现在无人机被广泛应用于军事勘探、自然环境考察、农田喷药等领域。
3.在现在人们得日常生活中许多场合都会需要从高空中拍摄一些照片或者录制一些视频，同时无人机在飞行的过程中需要对观察到的所处地形的三维实景地图进行实时更新。但是，现在的三维实景地图构建无人机大多是无人机上装载五拼普通相机来完成的很是不方便。除此之外，现有的无人机由于机体的翼臂是固定的不可折叠这使得在储存、携带和使用时不便捷，而且在损坏时可能需要更换掉全部的零部件。为此，创新设计一款可折叠伸展、拍摄、同时又能对地形的三维实景地图进行实时更新的无人机具有重大的实际意义。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机，可实现机臂沿轴向方向的折叠与伸展。同时，又可实现拍摄以及对观察到的周围环境信息，实时构建并更新三维实景地图。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机，包括照相机、控制器、后翼臂、深度相机、回转滑块、前翼臂、螺旋桨、数据盒、马达、可折叠装置、机体上板、机体下板、桨毅、配电板、马达转轴、桨叶、排针、销钉，所述螺旋桨与马达通过轴孔配合的方式相互连接，所述机体上板与机体下板相互平行并且通过螺栓连接的方式连接固定；所述排针固定安装在配电板上端的两侧位置，所述数据盒安置于机体上板的中心位置；所述深度相机上设置有螺纹孔，通过螺纹连接方式安置于无人机上方，所述照相机与控制器通过螺栓与螺母组合的方式连接固设在无人机前端。
7.作为本发明进一步的方案：所述螺旋桨和马达的数目均为四个，且螺旋桨由桨毅和桨叶组成，驱动所述螺旋桨的部件为马达，桨毅套设在所述马达的马达转轴上；四个螺旋桨呈十字形交叉安装在相应前翼臂的马达上。
8.作为本发明进一步的方案：所述可折叠装置由前翼臂、后翼臂和一个回转滑块构成，所述前翼臂通过螺纹连接的方式与回转滑块相互连接；所述回转滑块与后翼臂之间通过一个销钉连接。
9.作为本发明进一步的方案：所述深度相机包括依次安装的左红外摄像头、红外点阵投射器、右红外相机、rgb相机，且在深度相机的上端与下端分别固设有散热口和相机固
定螺丝孔。
10.作为本发明进一步的方案：所述深度相机是采用针孔模型描述整个投影过程。
11.作为本发明进一步的方案：针孔成像模型是空间点p＝[x,y,z]
t
经过小孔o投影之后，落在物理成像平面o'-x'-y'-z'上的成像点为p'＝[x',y',z']
t
，其中，相机坐标系为o-x-y-z，z轴指向相机前方，x轴向右，y轴向下，o为相机的光心，也是针孔模型的针孔，f代表物理成像平面与光心之间的距离。
[0012]
作为本发明进一步的方案：据相似三角形原理，
[0013]
p和p'满足关系式：
[0014]
在相机中，最终获得的是一个个像素，则在物理成像平面上固定着一个像素平面o-u-v，则在像素平面得到了p'点的像素坐标[u,v]
t
，像素坐标系与物理成像平面坐标系之间相差了一个缩放和一个原点的平移，于是，将物理成像平面坐标系下的p'＝[x',y',z']
t
转换为像素平面下的p'＝[u,v]
t
描述为:{u＝αx'+c
x
，v＝βy'+cyꢀꢀꢀ
(2)；
[0015]
式中：α是u轴的缩放倍数，β为v轴的缩放倍数，[c
x
,cy]
t
表示原点o'在x轴和y轴平移的距离；
[0016]
把αf合并为f
x
，βf合并为fy可得到相机坐标系与像素坐标系之间的关系：
[0017]
式中f
x
，fy，c
x
，cy均以像素作为单位，简化后写成矩阵表示形式为：
[0018]
中k为相机的内参数矩阵，它由焦距和平移组成；同时存在外参数，当相机处于运动的状态时，相机坐标系下位姿p
uv
可以用世界坐标系下位姿pw在相机的外参数作用下得到，则经过位姿变换后的表达式如下：
[0019]
式中r代表旋转矩阵，t代表平移向量，t代表包含r和t的四阶矩阵，即相机的外参矩阵，也就是需要估计的位姿。
[0020]
本发明的有益效果：
[0021]
本发明与其他无人机相比较，该款无人机具有整体结构简单、外形新颖、操作方便。其中可折叠装置采用类似人手臂伸缩的运动形式，采用一个回转副使无人机的前翼臂实现45度收缩或180度伸展，使得整个无人机的轴向尺寸大幅减短，能解决携带和安放不便的问题；安置于无人机顶部的d435 i深度相机可采用orb-slam2算法能够实现三维地图重构，回环检测和重新定位的功能，并采用vo来跟踪目标的特征点并且构建三维地图；在无人机的最前端固设有一个照相机，可用于无人机在执行空中勘察任务时，拍摄或录制重要的原始图像数据。本发明可以广泛应用于地质勘探任务、自然环境考察等其他高空作业领域，有很好的实用性和推广价值。
附图说明
[0022]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0023]
图1为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机俯视结构示意图；
[0024]
图2为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机折叠后的侧面结构示意图；
[0025]
图3为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机飞行状态结构示意图；
[0026]
图4为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机飞行状态侧面结构示意图；
[0027]
图5为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机可折叠装置结构示意图；
[0028]
图6为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机d435 i深度相机外形结构示意图；
[0029]
图7为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机d435 i深度相针孔成像原理示意图；
[0030]
图8为本发明可折叠、拍摄及实时三维实景地图构建无人机三维实景地图构建orb-slam2算法流程图。
[0031]
图中：1、照相机；2、控制器；3、后翼臂；4、深度相机；5、回转滑块；6、前翼臂；7、螺旋桨；8、数据盒；9、马达；10、可折叠装置；11、机体上板；12、机体下板；13、桨毅；14、配电板；15、马达转轴；16、桨叶；17、排针；18、左红外摄像头；19、红外点阵投射器；20、右红外相机；21、rgb相机；22、相机固定螺丝孔；23、散热口；24、销钉。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
实施例一
[0034]
请参阅图1-5所示，本发明为一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机，包括照相机1、控制器2、后翼臂3、深度相机4、回转滑块5、前翼臂6、螺旋桨7、数据盒8、马达9、可折叠装置10、机体上板11、机体下板12、桨毅13、配电板14、马达转轴15、桨叶16、排针17、销钉24，所述螺旋桨7与马达9通过轴孔配合的方式相互连接，所述机体上板11与机体下板12相互平行并且通过螺栓连接的方式连接固定，同时，为了提高无人机的负载和续航能力，将机体上板11与机体下板12设计成镂空结构并采用碳纤维材料制作，能很大的减轻无人机的重量；所述排针17电子元器件固定安装在配电板14上端的两侧位置，所述数据盒8安置于机体上板11的中心位置，所述深度相机4为d435 i深度相机；所述深度相机4上设置有螺纹孔，通过螺纹连接方式安置于无人机上方，所述照相机1与控制器2通过螺栓与螺母组合的方式连接固设在无人机前端。
[0035]
所述螺旋桨7和马达9的数目均为四个，且螺旋桨7由桨毅13和桨叶16组成，驱动所述螺旋桨7的部件为马达9，桨毅13套设在所述马达9的马达转轴15上；四个螺旋桨7呈十字
形交叉安装在相应前翼臂6的马达9上。
[0036]
所述可折叠装置10由前翼臂6、后翼臂3和一个回转滑块5构成，所述前翼臂6通过螺纹连接的方式与回转滑块5相互连接；所述回转滑块5与后翼臂3之间通过一个销钉24连接。可折叠装置10是采用类似人手臂伸缩的运动形式，拥有一个回转副可以使无人机的前翼臂6实现45度收缩或180度伸展，这能使整个无人机的轴向尺寸大幅减短，可解决一些携带和安放不便的实际性的问题。
[0037]
实施例二
[0038]
请参阅图6-8所示，所述深度相机4包括依次安装的左红外摄像头18、红外点阵投射器19、右红外相机20、rgb相机21，且在深度相机4的上端与下端分别固设有散热口23和相机固定螺丝孔22。所述d435i深度相机采用的是结构光，所述结构光的原理是在激光器外放置一个光栅，激光通过光栅进行投射成像时会发生折射，从而使得激光最终在物体表面上的落点产生位移。当物体距离激光投射器比较近的时候，折射而产生的位移就较小；当物体距离较远时，折射而产生的位移也就会相应的变大。这时使用一个摄像头来检测采集投射到物体表面上的图样，通过图样的位移变化，就能用算法计算出物体的位置和深度信息。
[0039]
所述深度相机4是采用针孔模型描述整个投影过程。针孔成像模型是空间点p＝[x,y,z]
t
经过小孔o投影之后，落在物理成像平面o'-x'-y'-z'上的成像点为p'＝[x',y',z']
t
，其中，相机坐标系为o-x-y-z，z轴指向相机前方，x轴向右，y轴向下，o为相机的光心，也是针孔模型的针孔，f代表物理成像平面与光心之间的距离。
[0040]
作为本发明进一步的方案：据相似三角形原理，
[0041]
p和p'满足关系式：
[0042]
在相机中，最终获得的是一个个像素，则在物理成像平面上固定着一个像素平面o-u-v，则在像素平面得到了p'点的像素坐标[u,v]
t
，像素坐标系与物理成像平面坐标系之间相差了一个缩放和一个原点的平移，于是，将物理成像平面坐标系下的p'＝[x',y',z']
t
转换为像素平面下的p'＝[u,v]
t
描述为:{u＝αx'+c
x
，v＝βy'+cyꢀꢀꢀ
(2)；
[0043]
式中：α是u轴的缩放倍数，β为v轴的缩放倍数，[c
x
,cy]
t
表示原点o'在x轴和y轴平移的距离；
[0044]
把αf合并为f
x
，βf合并为fy可得到相机坐标系与像素坐标系之间的关系：
[0045]
式中f
x
，fy，c
x
，cy均以像素作为单位，简化后写成矩阵表示形式为：
[0046]
中k为相机的内参数矩阵，它由焦距和平移组成；同时存在外参数，当相机处于运动的状态时，相机坐标系下位姿p
uv
可以用世界坐标系下位姿pw在相机的外参数作用下得
到，则经过位姿变换后的表达式如下：
[0047]
式中r代表旋转矩阵，t代表平移向量，t代表包含r和t的四阶矩阵，即相机的外参矩阵，也就是需要估计的位姿。
[0048]
本发明实现拍摄及三维地图重构的工作原理：本发明的一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机，最前端固设有一个照相机1，无人机在执行空中勘察任务时可拍摄或录制重要的原始图像数据。安置于无人机顶部d435i深度相机可采用orb-slam2算法能够实现三维地图重构，回环检测和重新定位的功能，并采用vo来跟踪目标的特征点并且构建三维地图。所述orb slam2算法采用跟踪、局部建图和回环检测三线程完成定位与构图过程。跟踪模块负责提取每一帧的orb特征，通过恒速模型、关键帧模型、重定位估计相机初始位姿，利用共视关系跟踪局部地图来优化相机位姿进行优化，确定当前帧是否作为关键帧插入地图中。局部建图模块主要对跟踪过程中产生的关键帧进行操作，包括将该关键帧插入地图中，添加新的地图点，剔除冗余的关键帧、地图点，通过全局光束法平差优化相机位姿和地图点。回环检测模块针对关键帧进行操作，主要是通过词袋模型判断当前关键帧是否产生回环，如果产生可能的回环则进行回环一致性检测，通过一致性检测之后认为运动已经产生回环，则计算s i m3变换进行回环校正，并另起线程进行全局优化。本发明可以广泛应用于高空作业任务与地质勘察，有很好的实用性和推广价值。
[0049]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机，其特征在于，包括照相机(1)、控制器(2)、后翼臂(3)、深度相机(4)、回转滑块(5)、前翼臂(6)、螺旋桨(7)、数据盒(8)、马达(9)、可折叠装置(10)、机体上板(11)、机体下板(12)、桨毅(13)、配电板(14)、马达转轴(15)、桨叶(16)、排针(17)、销钉(24)，所述螺旋桨(7)与马达(9)通过轴孔配合的方式相互连接，所述机体上板(11)与机体下板(12)相互平行并且通过螺栓连接的方式连接固定；所述排针(17)固定安装在配电板(14)上端的两侧位置，所述数据盒(8)安置于机体上板(11)的中心位置；所述深度相机(4)上设置有螺纹孔，通过螺纹连接方式安置于无人机上方，所述照相机(1)与控制器(2)通过螺栓与螺母组合的方式连接固设在无人机前端。2.根据权利要求1所述的一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机,其特征在于，所述螺旋桨(7)和马达(9)的数目均为四个，且螺旋桨(7)由桨毅(13)和桨叶(16)组成，驱动所述螺旋桨(7)的部件为马达(9)，桨毅(13)套设在所述马达(9)的马达转轴(15)上；四个螺旋桨(7)呈十字形交叉安装在相应前翼臂(6)的马达(9)上。3.根据权利要求1所述的一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机,其特征在于，所述可折叠装置(10)由前翼臂(6)、后翼臂(3)和一个回转滑块(5)构成，所述前翼臂(6)通过螺纹连接的方式与回转滑块(5)相互连接；所述回转滑块(5)与后翼臂(3)之间通过一个销钉(24)连接。4.根据权利要求1所述的一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机,其特征在于，所述深度相机(4)包括依次安装的左红外摄像头(18)、红外点阵投射器(19)、右红外相机(20)、rgb相机(21)，且在深度相机(4)的上端与下端分别固设有散热口(23)和相机固定螺丝孔(22)。5.根据权利要求4所述的一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机,其特征在于，所述深度相机(4)是采用针孔模型描述整个投影过程。6.根据权利要求5所述的一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机,其特征在于，针孔成像模型是空间点p＝[x,y,z]
t
经过小孔o投影之后，落在物理成像平面o'-x'-y'-z'上的成像点为p'＝[x',y',z']
t
，其中，相机坐标系为o-x-y-z，z轴指向相机前方，x轴向右，y轴向下，o为相机的光心，也是针孔模型的针孔，f代表物理成像平面与光心之间的距离。7.根据权利要求6所述的一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机,其特征在于，据相似三角形原理，p和p'满足关系式：在相机中，最终获得的是一个个像素，则在物理成像平面上固定着一个像素平面o-u-v，则在像素平面得到了p'点的像素坐标[u,v]
t
，像素坐标系与物理成像平面坐标系之间相差了一个缩放和一个原点的平移，于是，将物理成像平面坐标系下的p'＝[x',y',z']
t
转换为像素平面下的p'＝[u,v]
t
描述为:{u＝αx'+c
x
，v＝βy'+c
y
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；式中：α是u轴的缩放倍数，β为v轴的缩放倍数，[c
x
,c
y
]
t
表示原点o'在x轴和y轴平移的距离；把αf合并为f
x
，βf合并为f
y
可得到相机坐标系与像素坐标系之间的关系：
式中f
x
，f
y
，c
x
，c
y
均以像素作为单位，简化后写成矩阵表示形式为：中k为相机的内参数矩阵，它由焦距和平移组成；同时存在外参数，当相机处于运动的状态时，相机坐标系下位姿p
uv
可以用世界坐标系下位姿p
w
在相机的外参数作用下得到，则经过位姿变换后的表达式如下：式中r代表旋转矩阵，t代表平移向量，t代表包含r和t的四阶矩阵，即相机的外参矩阵，也就是需要估计的位姿。

技术总结
本发明公开了一种可折叠、拍摄及三维实景地图构建无人机，涉及无人机技术领域，该款无人机结构由可折叠装置、机体上板、机体下板、前翼臂、后翼、照相机、控制器、配电板等。该款无人机的可折叠装置采用类似人手臂伸缩的运动形式，采用一个回转副使无人机的前翼臂实现45度收缩或180度伸展，使得整个无人机的轴尺寸大幅减短，可解决携带和安放不便的问题；安置于无人机顶部深度相机可采用ORB-SLAM2算法能够实现三维地图重构，回环检测和重新定位的功能，并采用VO来跟踪目标的特征点并且构建三维地图；在无人机的最前端固设有一个照相机，无人机在执行空中勘察任务时可拍摄或录制重要的原始图像数据。的原始图像数据。的原始图像数据。


技术研发人员：刘涛 杨华阳 刘庆运
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/6/14