無人機航攝拍照瞬間精確空間位置的確定，無人機攝影測量來爲您介紹!

近年來，随著(zhe)無人機與數碼相機技術的發展，無人機航測以其高效、精確(què)、作業成本低、适用範圍廣等特點，在地表複雜地區高分辨率影像的獲取方面優勢明顯。無人機像片後續處理需要布設大量像控點，工作量大，耗時耗力，特别是在地表複雜地區。如果通過衛星定位的手段計算出拍照瞬間照片中心的精確(què)位置和姿态，則可以節省大量施工投入，有效提高生産效率。本文即利用PPK作業方式進行航攝拍照瞬間空間位置的確(què)定以進行研究。

一、硬件配置

利用ARM闆配GNSS OEM闆組成簡單的GNSS接收機，通過綜合測試並(bìng)考慮體積方面的要求，建議GNSS OEM闆採用Trimble公司的BD930闆卡；爲瞭(le)适應控制過程中的多線程操作
，ARM 闆配WinCE操作系統，要用兩個串口與GNSS差分闆連接，其中一個記錄原始數據，另一個輸出NMEA數據。

二、無人機攝影測量整體設計

系統整體設計思路爲:在地面控制點架設基站持續接收GNSS定位數據；空中(機載)ARM闆持續記錄GNSS定位數據，接收飛控拍照指令，收到飛控指令後控制相機拍照並(bìng)記錄拍照的精確(què)時刻；施工完成後，地面基站和空中GNSS數據聯合處理，計算出每個曆元(根據設置參數記錄，如果設置成５ Hz，則每200 ms一個曆元)的精確(què)坐标，根據記錄的拍照精確(què)時間内插出每個拍照點的坐标。本文隻讨論空中數據記錄和控制部分的幾個關鍵問題的解決思路。

三、空中數據記錄和控制部分的幾個(gè)關(guān)鍵問題解決思路

１. 精確時刻的確定

GNSS差分闆在鎖定衛星後會通過一個針腳發送PPS信号，将該針腳引到ARM闆的“中斷”接口，通過監控該脈沖(chōng)的到來確(què)定每秒開始的精確(què)時刻。

爲瞭(le)應用方便，在WinCE底層(céng)驅動中，将“PPS到達”寫成事件驅動，具體過程如下:

1）将與GNSS的PPS連接的針腳(jiǎo)配置成“中斷(duàn)模式”；

2）建立通知用戶(hù)事件
，命名爲(wèi)“GPS1PPS”：

g_hUserEvent =CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, _T("GPS1PPS"));

其中“g_hUserEvent”爲(wèi)用戶(hù)事件句柄。

3）建立中斷事件
：

g_hEINT3Event = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);

4）初始化中斷事件：

KernelIoControl(IOCTL_HAL_REQUEST_SYSINTR, &g_IRQ,sizeof(UINT32), &g_SYSINTR, sizeof(UINT32), NULL)；

其中“g_IRQ”是採(cǎi)用的中斷号，在筆者的實際設計中，該針腳接到瞭(le)“中斷3”，即“g_IRQ = IRQ_EINT3”；

5）建立中斷服務線程：

hPPS =CreateThread(NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)ThreadForEINT3,0,0,NULL);

6）服務線程函數(shù)實(shí)現：

DWORD WINAPIThreadForEINT3(void){

  DWORD dwResult;

  while(TRUE)

  {

      dwResult = WaitForSingleObject(g_hEINT3Event, INFINITE);

      SetEvent(g_hUserEvent);

      InterruptDone(g_SYSINTR);

  }

  return 0;

}

該線程函數一直接收PPS信号，當PPS信号到達“中斷3”，該函數從驅動層(céng)向應用層(céng)産生事件報(bào)告。

7）應用層(céng)捕獲PPS到達(dá)事件：

建立線程，接收驅動(dòng)層(céng)發上來的“GPS1PPS”事件，該事件發生後，記錄該時刻：

DWORDWINAPIGPS1PPSThread(LPVOIDlpParameter){

  HANDLEhGPS1PPSEvent= NULL;

  hGPS1PPSEvent= OpenEvent(EVENT_ALL_ACCESS,FALSE, TEXT("GPS1PPS"));

  while(1)

  {

      WaitForSingleObject(hGPS1PPSEvent, INFINITE);

      m_dPPSTick=GetTickCount64();

  }

  return 1;

}

由於PPS隻提供每秒開始的精確時刻，要得到任意一時刻的精確時間，無人機攝影測量需要以PPS時刻爲基礎加上到需要確定時刻的偏移值，該偏移值的確定需要用其他方式定時。爲瞭應用方便，筆者利用CPU距開機以來的時間進行相對定時，即需要確定時刻的時間＝PPS時刻＋(需要確定時刻的CPU定時-PPS時刻的CPU定時)。

爲瞭(le)得到精確(què)的CPU開機以來的時間，重寫“GetTickCount64()”函數：

doubleGetTickCount64(){

     staticLARGE_INTEGERTicksPerSecond = {0};

     LARGE_INTEGERTick;

     if(!TicksPerSecond.QuadPart)

     {

         QueryPerformanceFrequency(&TicksPerSecond);

     }

     QueryPerformanceCounter(&Tick);

     doubleRet = (double)Tick.QuadPart*1000.0/TicksPerSecond.QuadPart;

     returnRet;

}

該(gāi)方法的實現思路爲:首先獲得CPU時鍾到該(gāi)時刻的震動(dòng)次數，然後獲取CPU時鍾每秒鍾的震動(dòng)次數(震動(dòng)頻率)，其比值即爲開機以來的秒數，該(gāi)方法定時精度很高。

２. 捕獲(huò)飛(fēi)控拍照指令信号

飛控發送的拍照指令是一個閉(bì)合信号(短路信号)，如果要捕捉到該信号並(bìng)産生中斷事件，需要通過邏輯電路将閉(bì)合信号轉換成電平信号。

閉合信号轉換爲電平信号後
，實現中斷的驅動和應用層事件的捕獲思路與處理PPS事件的道理相同，在筆者的實際設計中，該針腳接到瞭(le)“中斷2”，中斷觸發方式爲下降沿觸發。應用層接收到拍照信号後，由ARM闆産生觸發相機拍照指令，並(bìng)記錄拍照瞬間的精確時刻。

３. GNSS原始數據(jù)記(jì)錄

本文採(cǎi)用“雙緩沖(chōng)”的方式接收和記錄GNSS原始數據，具體實現思路如下:

１) 定義兩個(gè)byte類數組，根據(jù)實現情況定義大小，可以是64 KB或更大。

２) 用一個變(biàn)量記錄當前工作於(yú)哪個數組，另外用兩個變(biàn)量記錄兩個byte數組存儲數據長度。

３) 當接收到GNSS原始數據，将其存儲到當前工作byte數組，如果當前數組已保存部分數據，則将新數據連接到原有數據後面，爲瞭(le)提高數據轉存效率，用“memcpy”内存拷貝(bèi)的方法。

４) 當當前工作byte數組存儲(chǔ)數據達到指定的長(zhǎng)度，則将當前工作byte數組指定爲另一個byte數組，同時啓動一個新的線程将達到指定長(zhǎng)度的數據

寫到Flash。

５) 兩個數組交替進行存儲(chǔ)數據ꎬ配合多線程寫Flash方式，接收GNSS原始數據和記錄兩不耽誤，達到“雙緩沖(chōng)”的效果。

４. 各線程的優先級

根據實際工作要求ꎬ對(duì)各線程優先級(jí)作以下設計:

１) PPS線程優先線設(shè)爲(wèi)“高”。

２) 捕獲(huò)飛(fēi)控拍照指令信号線程優先級設爲“一般”。

３) GNSS原始數據記(jì)錄線程優先級(jí)設置爲“一般”。

四、結束語

在無人機低空航拍技術迅速發展的今天，如何提高作業效率、精度和質量是行業内一直追求的目标，本文從實用的角度闡述瞭(le)利用PPK技術解決確(què)定相機在空中拍照瞬間空間位置的思路。

無人機攝影測量隻對該方法實現思路的幾個關鍵問題進行瞭描述，且隻涉及瞭原始數據採集部分，如果要實現産品化的應用，還需要諸多的輔助技術、空中姿态數據的獲取及後處理應用相關的開發。