无人机借助太阳高度角测量飞行高度的方法及其预判方法

本发明涉及无人机。

背景技术：

1、无人机在各行各业得到了日益广泛的应用。在河流、湖泊中，可以利用无人机执行水质监测、代替人工进行水域巡查、进行水文监测、对水利工程进行检查以及河流治理等等任务。

2、无人机在飞行过程中需要记录飞行高度，目前无人机的飞行控制模块记录的飞行高度均是相对于无人机起飞平面的高度。自然界中水体的高度低于岸边的高度，如河流表面的高度低于河流两岸的高度。无人机的起飞平面不会是在水体表面，通常是在岸边。无人机起飞后飞至水体上方执行任务时，无人机记录的飞行高度仍然是相对于其起飞平面，导致无人机距离正下方水面的实际物理距离与无人机记录的飞行高度不符合。

3、除水体外，平原以外的地区的地面有起伏是正常现象，这也会导致无人机距离正下方地面的实际物理距离与无人机记录的飞行高度不符合。

4、现有技术中，为了获取无人机距离正下方水面或地面的实际物理距离，需要加装物理设备，如气压计、ｇｐｓ、激光雷达或者超声波传感器等等。这样就会导致如下问题：1、增加无人机重量，降低无人机续航时间；2、增加无人机成本，大幅提高无人机价格。

5、目前的无人机携带有摄像头（相机）和存储器，为降低无人机成本，有学者研究通过太阳高度角测量无人机所拍摄的物体的高度的技术。目前的此类技术依赖于地面设置的已知长度的标杆，需要提前在应用场所设置标准标杆（已知长度），通过计算标准标杆的长度与其影子的比例，将该比例当作被测物体与其影子长度的比例，从而计算出被测物体的高度。

6、现有的方法不适用于没有标准标杆的场合，不适用于测量无人机本身距离下方地面或水面的飞行高度。

7、本专利申请的技术方案不需要为无人机增加硬件，升级现有无人机的边际成本是零，具有显而易见的推广应用价值，因而需要进行市场保护。

8、但本专利申请的技术方案具有受到太阳高度角以及阳光条件（没有阳光就没有影子）限制的局限性，因而申请人同期申报了“借助倾斜激光测量无人机飞行高度的方法”，不再需要拍摄无人机自身的影子，以克服本专利申请中技术方案中的局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无须设置地面或水面标杆，即可利用太阳高度角原理通过处理图片得到无人机距离下方水面或地面的实际物理距离。

2、为实现上述目的，本发明的无人机借助太阳高度角测量飞行高度的方法按以下步骤进行：

3、第一步骤是起飞，工作人员操控无人机由起飞平面起飞，无人机的飞行控制模块在飞行过程中持续记录无人机相对于起飞平面的高度h1；在无人机离开起飞平面进入待测平面前，工作人员控制无人机的飞行控制模块进行基准拍照作业；待测平面与起飞平面相邻；

4、基准拍照作业具体是：无人机的飞行控制模块控制无人机的摄像头垂直向下拍摄起飞平面的图片，该图片中包含无人机的影子；该图片具有中心点，飞行控制模块采集该图片中所述影子与中心点的像素距离ｌ1信息；

5、第二步骤是待测平面拍照测量；工作人员操控无人机飞行至离开起飞平面进入待测平面后，工作人员控制无人机的飞行控制模块进行拍照测量作业；

6、拍照测量作业具体是：设无人机高于待测平面的高度为h2，无人机的飞行控制模块控制无人机的摄像头垂直向下拍摄待测平面的图片，该图片中包含无人机的影子；该图片具有中心点，飞行控制模块采集该图片中所述影子与中心点的像素距离ｌ2信息；

7、飞行控制模块按公式一计算得到无人机高于待测平面的高度h2，公式一是：

8、h2＝h1×ｌ2/ｌ1。

9、待测平面与起飞平面的高差为d，在得到h2的值后，飞行控制模块按以下公式计算并存储高差d：ｄ=ｈ2－ｈ1。

10、拍照测量作业中，无人机保持同一高度通过自转拍摄多张图片，以降低对太阳高度角的要求。

11、起飞平面为水域岸边，待测平面为水域的水面时，无人机在离开起飞平面进入待测平面后立即进行拍照测量作业。

12、本发明还公开了上述无人机借助太阳高度角测量飞行高度的方法的预判方法，工作人员在控制无人机由起飞平面起飞并飞行至待测平面进行作业前，根据必定可行公式计算无人机垂直向下拍照时必定能够拍到自身影子的最小太阳高度角α1，工作人员根据待作业地区的纬度信息查询或计算一年中该地区的太阳高度角大于等于α1小于等于90度的日期和时间，将符合条件的日期和时间列为无须旋转必定可行的作业可选日期和时间；

13、必定可行公式是：α1＝arctan（100×ｈ/rreal）；α1的单位为度；

14、ｈ为被拍照的下方平面与无人机之间的高度差，单位是米；

15、无人机摄像头拍摄的图片为长方形图片，长方形图片对角线的交叉点即为该图片的中心点； rreal的计算公式为：rreal＝r×gsd；

16、rreal的计算公式中，ｒ的含义为长方形图片的短边像素长度的一半，单位为像素；gsd是指遥感数字影像中单位像元所代表的实际尺寸大小， gsd的计算公式是：gsd=ｈ×a/f；其中，a为像元尺寸，是指一个像素在无人机摄像头感光元件的长和宽方向上所代表的实际大小，单位为微米；f是无人机摄像头所用镜头的等效焦距，单位为毫米；a和f的值来源于无人机摄像头的硬件参数，由无人机厂家或摄像头厂家提供；rreal的含义是长方形图片的短边像素长度的一半对应的物理世界中的实际长度。

17、在确定无须旋转必定可行的作业可选日期和时间后，工作人员根据旋转可行公式计算无人机垂直向下拍照时通过旋转拍照必定能够拍到自身影子的最小太阳高度角α2；工作人员根据待作业地区的纬度信息查询或计算一年中该地区的太阳高度角大于等于α2小于α1的日期和时间，将符合条件的日期和时间列为旋转必定可行的作业可选日期和时间；

18、旋转可行公式是：α1＝arctan（100×ｈ/dreal）；α1的单位为度；ｈ为被拍照的下方平面与无人机之间的高度差，单位是米；dreal为长方形图片的中心点与任一顶点之间的像素长度对应的物理世界中的实际长度；

19、dreal的计算公式为：dreal＝d×gsd；其中，d为无人机摄像头拍摄的长方形图片的中心点至图片的任一顶点的像素距离，单位为像素。

20、本发明具有如下的优点：

21、公式一的原理是：无人机进行基准拍照作业和拍照测量作业的时间点在无人机离开起飞平面前后，如果是水域作业或平原地区作业，则仅在无人机离开起飞平面前后进行两次拍照（基准拍照作业和拍照测量作业）即可，此时两次拍照的时间差极小，太阳高度角没有可测量的变化。如果是丘陵地带作业或山区作业，则在无人机执行本身的监测任务的同时，需要进行多次拍照测量作业以确定当前飞行高度。将无人机一次作业时间控制在半小时以内（小于等于半小时，可以更换电池后多次作业），一方面作业时间与多数无人机的续航时间相匹配，另一方面半小时以内太阳高度角的变化很小，可以近似为不变，使得公式一能够用在测量无人机飞行高度上。

22、总之，基准拍照作业和拍照测量作业的时间差较小，因此可以认为两种作业中拍照的太阳高度角是同样的，这是公式一的基础，也是公式一运算速度快的巧妙变通之处。现有利用太阳高度角测量地面物体高度（需要与提前设置在地面的已知高度的标准杆的影子相对比）的研究，不仅需要在地面提前设置高度已知的标准杆，而且还要ｇｐｓ实时获取无人机所在地理位置的纬度信息，再根据具体的时间，获取当前无人机所在地理位置的太阳高度角信息，并且将太阳高度角的值纳入计算公式，整个过程较为繁琐，效率较低。本发明则利用等比例的几何原理，太阳高度角直接无须纳入计算过程，就能够利用太阳高度角形成影子的原理快速计算得到h2的值。本发明利用的等比例的几何原理是指：由于太阳高度角相同，因此高度与影子距离图片中心点的距离的比例为定值，即h1/ｌ1= h2/ｌ2，换算后即得公式一。

23、在无人机一次作业期间执行基准拍照作业和拍照测量作业、忽略短时间内太阳高度角的微小变化进行近似计算是本发明的一个创新点，这个创新点从而为第二个创新点提供基础。第二个创新点是：在两张图片之间运用等比例的几何原理测量h2，计算过程无须通过ｇｐｓ获取纬度信息，无须获取时间信息，运算量小，程序设计和实际运算效率相较传统方法大幅提高，而且不必提前在地面或水面上设置已知高度的标准杆来作为计算依据。

24、当作业地区的太阳高度角大于等于α1度并小于等于90度时，无人机在任意水平旋转角度下垂直向下拍摄的图片，都必定带有无人机的影子。根据α1和作业地区的纬度信息，列出一年中无须旋转必定可行（无人机不需要旋转即可确保拍摄到自身的影子）的作业可选日期和时间，首先在这些日期和时间中选择具体的作业时间（如水文监测时间），可以在进行基准拍照作业及待测平面拍照测量作业中，无须使无人机原地旋转，即可确保垂直向下拍摄的图像中包含无人机的影子，可以尽量减轻作业复杂度，提高作业效率。

25、当作业地区的太阳高度角大于等于α2度并小于α1度时，无人机在任意一处位置向下垂直拍摄，如果拍摄的图片中没有自身的影子，则旋转无人机自身的角度（水平自转）垂直向下拍摄多张图片，可以确保其中至少一张图片中带有无人机自身的影子。根据α2、α1和作业地区的纬度信息，列出旋转必定可行的作业可选日期和时间，降低了对太阳高度角的要求，扩大了可以作业的日期和时间范围，更方便工作人员考虑其他作业限制条件（如是否是晴天）后在更大日期和时间范围内选择具体的作业日期和时间。

26、河流或湖泊的水面通常坡度非常小，因此可以认为无人机作业区域内的水域水面为同一水平面，进而无人机在水域作业时，可以仅在进入水域后马上进行一次拍照测量作业，将得到的无人机距离水面的高度作为作业期间的无人机相对高度，减少拍照测量作业次数，降低测高负荷，并且能够满足水域作业期间确定飞行高度的需要。

27、本专利的技术方案不需要为无人机增加硬件，只需要向无人机的飞行控制模块写入程序即可，非常适合对现有无人机进行升级改造，升级现有无人机的边际成本是零，具有显而易见的推广应用价值。