有限空間內(nèi)無人機全景拍攝云臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于:建筑遺產(chǎn)數(shù)字化、無人機云臺設(shè)計及全景攝影技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]360度全景攝影是指相機于固定點旋轉(zhuǎn)拍攝周邊360*180度(水平360度，豎直180度)景物全景照片，照片經(jīng)全景軟件處理后，觀看者能夠以人機互動方式旋轉(zhuǎn)操作，通過改變觀看角度(方向)，產(chǎn)生可四周觀望、身處其境的感覺。
[0003]全景拍攝發(fā)展迅速，已逐漸成為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一種類型。和水平移動相比，在高處拍攝視野更開闊，能夠看到更多的景物。無人直升機、無人多旋翼機已經(jīng)被用來拍攝空中全景圖像。
[0004]無人直升機最常見的拍攝方式主要是下置云臺，安裝單相機，依靠直升機繞自身懸停中心旋轉(zhuǎn)的能力連續(xù)旋轉(zhuǎn)拍攝，類似于地面三腳架全景拍攝方法。但直升機全景拍攝存在局限性，即相機不能自由上仰拍攝，因為會受到直升機主旋翼的嚴重遮擋，旋翼進入視野會造成拍攝領(lǐng)域所謂的“穿幫”問題，因此，一般可看到的最大上仰角僅為10-25度，大于這一角度的天空為拍攝盲區(qū)，主要依靠計算機后期處理，利用另購的天空圖片填充全景圖片的上空盲區(qū)部分，并抹在略微上仰拍攝中偶爾出現(xiàn)的直升機機身痕跡。由于天空細節(jié)變化較少，因此易于替換且不易察覺，只要直升機距離周邊地物遠，或者具有相對的高度優(yōu)勢，則這種方法亦可行。從201110392818.9號專利《基于無人直升機航拍的360度空中全景互動漫游系統(tǒng)的制作方法》同樣可以看出直升機適合于下俯拍攝。即使使用多相機組合而成的全景拍攝裝置，直升機主旋翼的遮擋仍是不可避免的，例如《空中360度全景照片拍攝裝置》(201320135877.2)專利申請書提出了使用多個相機組成無盲區(qū)全景拍攝球狀裝置，并將其安裝到無人直升機上拍攝空中全景。由于機身、旋翼的遮擋，必然存在拍攝盲區(qū)。因此此種拍攝球形裝置一般只適用于地面三腳架或者車頂支架等其他遮擋不嚴重的場合。
[0005]但在建筑、文化遺產(chǎn)、考古等領(lǐng)域拍攝全景漫游成果的時候，經(jīng)常需要近距離拍攝對象以表現(xiàn)細節(jié)，且周邊大多還有更高的建筑、山體、懸崖，例如拍攝建筑梁柱上雕刻、彩繪、懸崖上的巖畫、佛教寺廟的洞窟等。此時周圍環(huán)境中具有高度優(yōu)勢的地物必然進入全景畫面的上半部分。旋翼圖像與被攝對象圖像重疊在一起，再難于使用前述的后期天空圖像替換修補的方法來獲得無上仰盲區(qū)的完整全景圖像。
[0006]多旋翼機是近年來新出現(xiàn)的垂直起降飛行器，依照旋翼數(shù)量和布局，它可以分為如圖1的多種類型，這些類型的共同點，也即多旋翼機與直升機相比的特征在于多旋翼機的旋翼數(shù)量增加、單個槳葉尺度縮小、旋轉(zhuǎn)軸從中間位置轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛩闹芊稚⒉季?。因為多旋翼機的這一特點，相機等任務(wù)荷載的安放就變得更為靈活自由，不僅在旋翼或機身下方向下拍攝，還可以在旋翼之間與其同高，水平向前拍攝，也可以在機身骨架的上方，高于旋翼的旋轉(zhuǎn)平面向上拍攝。
[0007]在201210377100.7號專利《基于正多面體的360度無盲區(qū)全景視頻拍攝設(shè)備》和201320135877.2號《空中360度全景照片拍攝裝置》中可以看出多個相機一起觸發(fā)，能同時拍攝獲得各角度覆蓋的全景圖像。
[0008]那么是否可以將相機分為上下兩組，在多旋翼機上下側(cè)分別直接安裝兩組相機拍攝，得到無遮擋的全景圖像呢？這樣做的條件是相機必須遠離機身安裝才能避開旋翼遮擋，但這樣會造成多個問題:
[0009](a)下側(cè)相機位置最低，降落時會先撞擊到地面。
[0010](b)上、下側(cè)相機之間位置差別過大，近距離拍攝的情況下，這一差別會導(dǎo)致上下圖像之間難于準確拼接，《一種系留氣艇地空全景攝像與成像裝置》(02294802.3)提出的上下無盲區(qū)全景拍攝方案是在飛艇的內(nèi)部安裝一個豎管，上下兩端分別放置相機。但飛艇自身高度3-5米，相機上下位置差別過大，不易拼接成功，因此該方案僅適用于大氣物理領(lǐng)域，絕對不適合洞窟等遺產(chǎn)細節(jié)拍攝。在多旋翼機上，即使上下相機之間距離縮小到幾十公分，但由于物距可能僅有幾米，也會影響圖像拼接成功率，因此對于遺產(chǎn)有限空間拍攝，這一高低差別仍不可忽略。
[0011](C)相機數(shù)量多，在相同成像質(zhì)量的條件下，整體設(shè)備購買成本高、重量大，相同大小的旋翼機滯空時間縮短。
[0012]為了避免旋翼對鏡頭的遮擋，DJI公司研發(fā)了懸臂可升降的Inspire多旋翼機。懸臂升起時下置攝像頭可不受遮擋地略上仰拍攝，懸臂下降時用于保護攝像頭不會因降落而撞擊地面。該方案并非為了全景拍攝，而主要針對視頻拍攝，因此未設(shè)置上仰相機。即使安裝上側(cè)相機，該方案用于全景拍攝仍存在如下缺點:
[0013](a)構(gòu)造復(fù)雜，只能適用于“工”字形平面的多旋翼機。目前絕大多數(shù)多旋翼機都無法利用這一設(shè)計。
[0014](b)上、下側(cè)相機之間位置仍然差別過大，沒有解決上下相機拍攝時絕對高度需保持一致的問題。
[0015](C)和固定不動的機身相比，機身主結(jié)構(gòu)可動的設(shè)計大大增加了自重，因此和其他多旋翼機相比，該機滯空時間明顯縮短，并且有效載重量下降，難于同時攜帶多個相機。
[0016](d)將起落架設(shè)置在旋翼下方，使得障礙物的上下尺度大幅度增加，上下側(cè)相機要相隔更遠的距離才能避開從起落架底部到旋翼的所有遮擋物。
【實用新型內(nèi)容】
[0017]本實用新型目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種新型的空中全景拍攝云臺一一有限空間內(nèi)無人機全景拍攝云臺，可以完全避免無人機以及云臺設(shè)備自身對拍攝的遮擋，在360度(水平)*180度(垂直)各方向都能無盲區(qū)拍攝，可在低空各個高度近距離全景展示巖畫、石窟、高大古建筑(群)等各種類型建筑遺產(chǎn)。該云臺裝置的優(yōu)點是適用于目前大多數(shù)類型的多旋翼無人飛行器，使之可拍攝上述全景影像。
[0018]本實用新型提供的有限空間內(nèi)無人機全景拍攝云臺，包括用于固定在無人機機身上的扇形固定支架，扇形固定支架的外緣圓周上安裝有一個旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂與扇形固定支架的外緣圓周之間形成軌道移動副，扇形固定支架上通過舵機安裝架安裝有一個舵機，舵機轉(zhuǎn)動軸上同軸安裝有一個旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動輪，該驅(qū)動輪與旋轉(zhuǎn)臂之間構(gòu)成轉(zhuǎn)動驅(qū)動副，旋轉(zhuǎn)臂上通過相機座安裝有相機。
[0019]所述的扇形固定支架的扇形圓心角為180度。所述的驅(qū)動輪與旋轉(zhuǎn)臂之間構(gòu)成的轉(zhuǎn)動驅(qū)動副為摩擦輪驅(qū)動副或齒輪驅(qū)動副。所述的旋轉(zhuǎn)臂的兩端各設(shè)置有一個旋轉(zhuǎn)臂堵頭。所述的旋轉(zhuǎn)臂上的相機座為兩個，兩個相機座上各安裝有一個相機，兩個相機座的一端分別鉸接在旋轉(zhuǎn)臂上，另一端通過角度微調(diào)螺絲固定在一起構(gòu)成鉸接相機座。所述的旋轉(zhuǎn)臂上與相機相對的另一側(cè)安裝有一個平衡重物。
[0020]本實用新型的優(yōu)點和積極效果:
[0021]本實用新型方案同時滿足建筑遺產(chǎn)有限空間中全景漫游拍攝的以下各項要求:
[0022](a)完全無盲區(qū)拍攝，滿足遺產(chǎn)近距離及有限空間中全景拍攝要求。本方案通過旋轉(zhuǎn)臂在扇形支架上的轉(zhuǎn)動，使相機可以先后達到最高點和最低點并分別處于正確的上仰、下俯拍攝角度上，避開多旋翼機的遮擋，獲得完全無盲區(qū)的360*180度全景圖像。本方案完全解決了 201110392818.9專利申請中存在的上仰拍攝限制問題。
[0023](b)各個機位之間的空間重合度好，圖像拼接準確性高。把氣壓高度計的通氣口固定到鉸接相機座的中央，使之與相機所在高度一致，這樣當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂高度變化時，仍可以通過氣壓計相應(yīng)調(diào)節(jié)升力大小，進而調(diào)節(jié)機身高度，保持相機的拍攝高度不變，使得上下兩組拍攝的照片能夠準確拼接。
[0024](c)對相機或鏡頭數(shù)量沒有特別限制。標準做法是使用兩個對置的相機，也可以使用多個相機以避免飛行器繞豎軸旋轉(zhuǎn)連續(xù)拍攝動作。而《基于正多面體的360度無盲區(qū)全景視頻拍攝設(shè)備》等專利，都是使用多個相機才能獲得無盲區(qū)視野。在相同成像質(zhì)量條件下，本方案使用更少的相機，更節(jié)約成本。
[0025](d)機身重量最輕，體積最小，容易實現(xiàn)有限空間飛行。相機數(shù)量少。起落架尺寸小、重量輕，這樣使得很小的多旋翼機也可以承載本云臺，能夠適應(yīng)空域狹窄的有限空間環(huán)境。
[0026](e)適用于現(xiàn)有的絕大多數(shù)多旋翼機，得到相同的拍攝效果。扇形支架底部有安裝孔，可以被方便地固定于多旋翼機中央機身的上表面，現(xiàn)有的四旋翼、六旋翼、八旋翼等多種多旋翼機都可以安裝，因此和DJI公司研發(fā)的Inspire多旋翼機機身變形的方案相比，該云臺不僅制造、安裝更簡單，最重要的優(yōu)勢在于應(yīng)用的普適性更好，該云臺使得目前無法拍攝全景的多旋翼機也可以實現(xiàn)拍攝，而不用更改自身結(jié)構(gòu)。
[0027](f)對多旋翼機飛行無干擾。云臺動作過程中，重心保持不變，對多旋翼機飛行姿態(tài)和位置的保持無影響。
【附圖說明】
[0028]圖1是現(xiàn)有常見的多旋翼機布局(引自DJI公司產(chǎn)品手冊)。
[0029]圖2是本實用新型全景拍攝云臺立面圖(旋轉(zhuǎn)臂水平狀態(tài))。
[0030]圖3是全景拍攝云臺立面圖(旋轉(zhuǎn)臂一側(cè)旋轉(zhuǎn)、相機下側(cè)拍攝狀態(tài))。
[0031]圖4是全景拍攝云臺立面圖(旋轉(zhuǎn)臂另一側(cè)旋轉(zhuǎn)、相機上側(cè)拍攝狀態(tài))