曹鳳海，宋占武，李　燕，劉　瀟，喬永杰，黃興琪

(東方地球物理公司，河北 涿州 072750)

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無人機航攝拍照瞬間精確空間位置的確定

曹鳳海，宋占武，李燕，劉瀟，喬永杰，黃興琪

(東方地球物理公司，河北 涿州 072750)

近年來，隨著無人機與數(shù)碼相機技術的發(fā)展，無人機航測以其高效、精確、作業(yè)成本低、適用范圍廣等特點，在地表復雜地區(qū)高分辨率影像的獲取方面優(yōu)勢明顯。無人機像片后續(xù)處理需要布設大量像控點，工作量大，耗時耗力，特別是在地表復雜地區(qū)。如果通過衛(wèi)星定位的手段計算出拍照瞬間照片中心的精確位置和姿態(tài)，則可以節(jié)省大量施工投入，有效提高生產(chǎn)效率。本文即利用PPK作業(yè)方式進行航攝拍照瞬間空間位置的確定以進行研究。

一、硬件配置

利用ARM板配GNSSOEM板組成簡單的GNSS接收機。通過綜合測試并考慮體積方面的要求，建議GNSSOEM板采用Trimble公司的BD930板卡；為了適應控制過程中的多線程操作，ARM板配WinCE操作系統(tǒng)，要用兩個串口與GNSS差分板連接，其中一個記錄原始數(shù)據(jù)，另一個輸出NMEA數(shù)據(jù)。

二、整體設計

系統(tǒng)整體設計思路為：在地面控制點架設基站持續(xù)接收GNSS定位數(shù)據(jù)；空中(機載)ARM板持續(xù)記錄GNSS定位數(shù)據(jù)，接收飛控拍照指令，收到飛控指令后控制相機拍照并記錄拍照的精確時刻；施工完成后，地面基站和空中GNSS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，計算出每個歷元(根據(jù)設置參數(shù)記錄，如果設置成5Hz，則每200ms一個歷元)的精確坐標，根據(jù)記錄的拍照精確時間內插出每個拍照點的坐標。本文只討論空中數(shù)據(jù)記錄和控制部分的幾個關鍵問題的解決思路。

三、空中數(shù)據(jù)記錄和控制部分的幾個關鍵問題解決思路

1. 精確時刻的確定

GNSS差分板在鎖定衛(wèi)星后會通過一個針腳發(fā)送PPS信號，將該針腳引到ARM板的“中斷”接口，通過監(jiān)控該脈沖的到來確定每秒開始的精確時刻。

為了應用方便，在WinCE底層驅動中，將“PPS到達”寫成事件驅動，具體過程如下：

1) 將與GNSS的PPS連接的針腳配置成“中斷模式”。

2) 建立通知用戶事件，命名為“GPS1PPS”：

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

其中，“g_hUserEvent”為用戶事件句柄。

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”是采用的中斷號，在筆者的實際設計中，該針腳接到了“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)實現(xiàn)：

DWORDWINAPIThreadForEINT3(void){

DWORDdwResult;

while(TRUE)

{

dwResult=WaitForSingleObject(g_hEINT3Event,INFINITE);

SetEvent(g_hUserEvent);

InterruptDone(g_SYSINTR);

}

return0;

}

該線程函數(shù)一直接收PPS信號，當PPS信號到達“中斷3”，該函數(shù)從驅動層向應用層產(chǎn)生事件報告。

7) 應用層捕獲PPS到達事件。建立線程，接收驅動層發(fā)上來的“GPS1PPS”事件，該事件發(fā)生后，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();

}

return1;

}

由于PPS只提供每秒開始的精確時刻，要得到任意一時刻的精確時間，需要以PPS時刻為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。為了應用方便，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)。

為了得到精確的CPU開機以來的時間，重寫“GetTickCount64()”函數(shù)：

doubleGetTickCount64(){

staticLARGE_INTEGERTicksPerSecond= {0};

LARGE_INTEGERTick;

if(!TicksPerSecond.QuadPart)

{

QueryPerformanceFrequency(&TicksPerSecond);

}

QueryPerformanceCounter(&Tick);

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

returnRet;

}

該方法的實現(xiàn)思路為：首先獲得CPU時鐘到該時刻的震動次數(shù)，然后獲取CPU時鐘每秒鐘的震動次數(shù)(震動頻率)，其比值即為開機以來的秒數(shù)，該方法定時精度很高。

2. 捕獲飛控拍照指令信號

飛控發(fā)送的拍照指令是一個閉合信號(短路信號)，如果要捕捉到該信號并產(chǎn)生中斷事件，需要通過邏輯電路將閉合信號轉換成電平信號，邏輯實現(xiàn)思路如下：

如圖1所示，一般情況下DI_A與DI_B不閉合，Q1截止，XEINT2為高電平；當DI_A與DI_B閉合時Q1導通，XEINT2由高電平變成低電平，即產(chǎn)生下降沿，發(fā)生中斷。當DI_A與DI_B由閉合到斷開后，Q1則從導通變?yōu)榻刂範顟B(tài)，XEINT2由低電平變成高電平，即上升沿，不產(chǎn)生中斷。

閉合信號轉換為電平信號后，實現(xiàn)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，該針腳接到了“中斷2”， 中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。應用層接收到拍照信號后，由ARM板產(chǎn)生觸發(fā)相機拍照指令，并記錄拍照瞬間的精確時刻。

圖1　實現(xiàn)原理

3. GNSS原始數(shù)據(jù)記錄

本文采用“雙緩沖”的方式接收和記錄GNSS原始數(shù)據(jù)，具體實現(xiàn)思路如下：

1) 定義兩個byte類數(shù)組，根據(jù)實現(xiàn)情況定義大小，可以是64KB或更大。

2) 用一個變量記錄當前工作于哪個數(shù)組，另外用兩個變量記錄兩個byte數(shù)組存儲數(shù)據(jù)長度。

3) 當接收到GNSS原始數(shù)據(jù)，將其存儲到當前工作byte數(shù)組，如果當前數(shù)組已保存部分數(shù)據(jù)，則將新數(shù)據(jù)連接到原有數(shù)據(jù)后面，為了提高數(shù)據(jù)轉存效率，用“memcpy”內存拷貝的方法。

4) 當當前工作byte數(shù)組存儲數(shù)據(jù)達到指定的長度，則將當前工作byte數(shù)組指定為另一個byte數(shù)組，同時啟動一個新的線程將達到指定長度的數(shù)據(jù)寫到Flash。

5) 兩個數(shù)組交替進行存儲數(shù)據(jù)，配合多線程寫Flash方式，接收GNSS原始數(shù)據(jù)和記錄兩不耽誤，達到“雙緩沖”的效果。

4. 各線程的優(yōu)先級

根據(jù)實際工作要求，對各線程優(yōu)先級作以下設計：

1)PPS線程優(yōu)先線設為“高”。

2) 捕獲飛控拍照指令信號線程優(yōu)先級設為“一般”。

3)GNSS原始數(shù)據(jù)記錄線程優(yōu)先級設置為“一般”。

四、結束語

在無人機低空航拍技術迅速發(fā)展的今天，如何提高作業(yè)效率、精度和質量是行業(yè)內一直追求的目標，本文從實用的角度闡述了利用PPK技術解決確定相機在空中拍照瞬間空間位置的思路。

本文只對該方法實現(xiàn)思路的幾個關鍵問題進行了描述，且只涉及了原始數(shù)據(jù)采集部分，如果要實現(xiàn)產(chǎn)品化的應用，還需要諸多的輔助技術、空中姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取及后處理應用相關的開發(fā)。

(本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦)

天寶測繪解決方案專欄