3.1.4. Hệ thống bay chụp UAV bằng máy bay eBee Sensefly
Tổng quan về công nghệ
UAV là viết tắt của (Unmanned Aerial Vehicle - Phương tiện hàng không
không người lái hay thường gọi là máy bay không người lái) máy bay không
người lái được sử dụng cho nhiều mục đích từ bay giám sát, quân sự… đến dân sự chụp ảnh bản đồ, quay phim …
UAV được hiểu là: Máy bay khơng có người trực tiếp vận hành trên khoang lái, có thể được điều khiển từ xa bằng sóng radio từ các trạm mặt đất
hoặc bay tự động theo một chương trình (quỹ đạo bay) đã định sẵn và được ứng dụng nhiều trong ngành trắc địa bản đồ, quân sự, do thám, thu thập dữ liệu mặt đất, bay ở những vùng không gian nguy hiểm…
UAV được rất nhiều tổ chức trong, ngồi nước nghiên cứu và đã có các kết cơng bố nhất định về tính ưu nhược điểm cũng như tính chun nghiệp trong áp dụng. Trong khn khổ đề tài tập trung Nghiên cứu ứng dụng trên loại thiết bị máy bay cất cánh thẳng đứng bằng cánh quạt hay thường được gọi là Drone / UAV được dùng nhiều nhất cho lĩnh vực điện ảnh… và thống nhất gọi tên gọi là UAV.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Cấu tạo chung của hệ thống chụp ảnh bằng UAV bao gồm 4 phần chính: + Hệ thống máy bay;
+ Máy ảnh kỹ thuật số; + Trạm điều khiển mặt đất;
+ Trạm xử lý ảnh tạo mơ hình số.
Máy bay Máy ảnh
kỹ thuật số
Trạm điều khiển mặt
đất
Trạm xử lý ảnh
Hình 3.12: Thiết bị bay chụp khơng người lái eBee Sensefly Hệ thống máy bay (nguyên lý chung)
Hình 3.13: Thành phần hệ thống thiết bị bay chụp không người lái eBee Sensefly eBee Sensefly
- Mơ phỏng tính năng của hệ thống:
Hình 3.14: Tính năng của thiết bị bay chụp khơng người lái eBee Sensefly Central body – thân chính: Đây là phần chính của eBee và có chứa tất
cả các bộ phận điện tử, bộ phận truyền động và truyền thông trên máy bay.
Winglets - cánh: Cấu trúc tạo độ ổn định khí động học của máy bay khi
bay.
Ailerons – cánh vẫy: dùng điều khiển eBee trong khi bay.
Servo connection mechanism – cơ chế kết nối servo: các cánh vẫy được
Propeller – cánh quạt: Dùng để tạo lực đẩy trong khi bay.
Chú ý: Khi được gắn vào động cơ cánh quạt quay ở tốc độ cao có thể
nguy hiểm nếu tiếp xúc trực tiếp với cơ thể. Chú ý tránh đưa tay vào phạm vi hoạt động của cánh quạt khi đã gắn pin cho eBee.
Battery compartment – khoang pin: Máy bay eBee được cấp nguồn bởi
một pin LiPo (Lithium Polymer) đặt trong ngăn chứa pin.
Camera compartment – khoang máy ảnh: eBee có máy ảnh tích hợp để
chụp ảnh trên khơng.
Data Link Antenna: Dùng để liên lạc giữa máy bay và phần mềm
eMotion thông qua modem USB.
Pitot probe - ống Pitot: Cảm biến được eBee sử dụng để phát hiện tốc độ
khơng khí, gió và độ cao. Nó phải được giữ sạch sẽ và khơng có các vật cản đểhoạt động đúng.
Đèn LED trạng thái: Đèn LED mầu hiển thị trạng thái của máy bay. Ground sensor – cảm biến độ cao mặt đất: Các cảm biến độ cao mặt
đất, bao gồm một cảm biến quang học và ống kính tốc độ cao, được sử dụng để phát hiện độ cao của mặt đất.
- Hệ thống máy bay bao gồm: Thân máy bay, trên máy bay được gắn các thiết bị cảm biến như đầu thu GPS, cảm biến tốc độ gió, cảm biến độ cao, cảm biến áp xuất, cảm biến cân bằng, bộ thu phát tín hiệu và pin cung cấp nguồn điện cho tồn bộ các thiết bị trên máy bay.
- Hệ thống truyền nhận dữ liệu (data link) đóng vai trị khá quan trọng cho UAV. Chính hệ thống này bảo đảm cho trạm điều khiển kết nối với máy bay và điều khiển các hoạt động của máy bay.. Nếu hệ thống này bị hỏng, trạm mặt đất sẽ mất liên lạc với máy bay và có thể lạc mất máy bay. Hệ thống này bao gồm bộ thu phát tín hiệu video do camera thu được và bộ truyền nhận dữ liệu, tín hiệu điều khiển máy bay.
- Hệ thống định vị (Navigation) dùng để xác định vị trí máy bay giúp cho việc định hướng máy bay cũng như xác định vị trí chính xác tâm ảnh. Độ chính
xác của hệ thống định vị rất quan trọng để có thể điều khiển tự động cho máy bay. Ngoài hệ thống định vị vệ tinh thì trên máy bay thường được lắp thêm hệ thống định vị quán tính INS.
- Về cơ bản UAV là một hệ thống phức tạp, khi hoạt động nhiều thông số thay đổi liên tục phụ thuộc lớn vào biến động mơi trường (như sức gió, độ cao, sự biến động của các luồng khơng khí…) được xây dựng dựa trên:
+ Hệ thống cơ: các động cơ điều khiển hướng, điều khiển lực nâng của máy bay trong không gian…
+ Hệ thống các sensor phản hồi: tốc độ dịch chuyển, toạ độ của UAV trong không gian, quỹ đạo bay…
- Với những chiếc UAV tầm gần, việc điều khiển có thể thực hiện thơng qua sóng radio, tương tự như máy bay mơ hình mà ta hay thấy.
- Nhưng với những chiếc máy bay tầm xa thì khác, do điều kiện thời tiết, vật cản và cả độ cong của bề mặt trái đất mà tín hiệu radio khơng thể đi trực tiếp từ trạm đến máy bay được, chính vì thế người ta phải thông qua một vệ tinh trung gian nhằm đảm bảo tín hiệu vẫn đủ mạnh, khi đó máy bay mới có thể bay xa hàng trăm, hàng nghìn kilomet mà vẫn nằm trong tầm kiểm sốt.
- Máy bay không người lái có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó tùy từng cơng việc cụ thể mà người sử dụng lựa chọn loại máy bay phù hợp và được chia ra làm 2 loại chính theo cấu tạo là máy bay cánh cố định (Fixed Wing UAV) và máy bay cánh quay (Rotary Wing UAV - UAV).
Máy bay 4 cánh quay Máy bay Fixed Wing UAV
Hình 3.15: Phantom 3 Professional và Trimble UX5
quay tạo ra lực nâng nâng máy bay lên thẳng đứng hoặc di chuyển theo hướng bất kỳ.
Ưu điểm:
- UAV cánh quay có khả năng cất cánh, hạ cánh theo chiều thẳng đứng và rất cơ động trong quá trình bay. Điều này cho phép người dùng hoạt động ở những địa hình chật hẹp mà khơng cần phải bố trí đường băng cất cánh, hạ cánh như loại cánh bằng, cũng như có thể thay đổi độ cao và chuyển hướng bay một cách dễ dàng.
- Khả năng bay tại chỗ và khả năng bay cơ động làm cho UAV cánh quay rất phù hợp với cơng tác bay chụp ở địa hình phức tạp và có diện tích nhỏ.
- Giá thành thiết bị thấp nhưng vẫn cho ra được những sản phẩm phục vụ được đa mục đích trong các dự án giao thông.
Nhược điểm:
- Máy bay cánh quay có cấu tạo liên quan đến cơ khí và điện tử phức tạp do đó u cầu q trình bảo trì và sửa chữa phức tạp hơn so với máy bay cánh cố định.
- Do tốc độ thấp và thời gian bay ngắn vì vậy sẽ phải bay nhiều chuyến bay hơn so với máy bay cánh cố định.
- Với thời tiết khơng mưa và tốc độ gió nhỏ hơn 25km/h (7m/s) mới đảm bảo điều kiện cho công tác bay chụp, nếu với các điều kiện ngược lại sẽ làm chao đảo rung lắc hệ thống ống kính làm ảnh hưởng tới chất lượng ảnh chụp và không bay chụp trong điều kiện thời tiết mưa do UAV bay tầm thấp.
Máy ảnh kỹ thuật số
- Thông thường các máy ảnh sử dụng để chụp ảnh mặt đất bằng UAV là các loại máy ảnh kỹ thuật số có kích thước nhỏ gọn, có tiêu cự cố định và khả năng lấy nét tự động.
Hình 3.16: Hệ thống máy ảnh Sony Cyber-shot gắn trên eBee
- Máy ảnh Sony Cyber-shot được gắn đồng bộ trên thiết bị UAV còn máy ảnh.
Trạm điều khiển mặt đất
- Hệ thống máy bay UAV nói chung và UAV nói riêng với các thiết bị điều khiển mặt đất gồm:
+ Máy tính bảng hoặc laptop hoặc điều khiển cầm tay được cài đặt phần mềm lập trình bay và điều khiển bay. Đây là các phần mềm chuyên dụng để thiết kế bay, điều khiển bay và có thể lập kế hoạch vị trí hướng cất cánh, hạ cánh tại thực địa.
+ Laptop được kết nối với máy bay thơng qua bộ điều khiển có thiết bị thu phát tín hiệu.
+ Hệ thống điện - điều khiển: Thu thập dữ liệu từ sensor, tính tốn các thơng số an toàn, cân bằng, ổn định cho UAV để điều khiển hệ thống cơ dựa trên quỹ đạo (hoặc vùng bay) đã định trước, hoặc được điều khiển nhờ các tín hiệu phản hồi về các trạm trạm dữ liệu mặt đất.
+ Trạm điều khiển mặt đất (GCS) có khả năng giao tiếp thời gian thực với máy bay thông qua các hệ thống truyền nhận dữ liệu. Trạm mặt đất được dùng để theo dõi các trạng thái thực của máy bay. Ngoài ra, trạm điều khiển này cịn
có chức năng điều khiển trực tiếp, can thiệp vào quá trình bay tự động của máy bay (lập trình, thay đổi quỹ đạo bay…. Dữ liệu, các thông số của chuyến bay được lưu trữ trên máy bay hệ thống lưu trữ (hộp đen máy bay). GCS có thể mơ phỏng lại các thông số trạng thái đã lưu trữ để phân tích.
+ Hình ảnh một số thiết bị và phần mềm điều khiển UAV phổ biến ở Việt Nam.
Điều khiển mặt đất dùng để kết nối với máy bay, máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh được cài đặt phần mềm điều khiển DJI GO hoặc phần mềm điều khiển khác…
Điều khiển mặt dùng để điều khiển đi kèm thiết bị UAV Trimble UX5
Thiết bị điều khiển cầm tay, hoặc điều khiển bằng laptop thông qua model TP link mặt đất đi kèm thiết bị UAV eBee Sensefly
Hình 3.17: Thiết bị kết nối điều khiển mặt đất Phantom 3 Professional Trạm xử lý ảnh Trạm xử lý ảnh
- Trạm xử lý số liệu ảnh máy bay bao gồm máy tính trạm Workstation có cấu hình mạnh được cài đặt phần mềm chuyên xử lý ảnh máy bay để tạo mơ hình số mặt đất. Đặc điểm chung của các phần mềm xử lý này là từ các bức ảnh số được chụp từ UAV với độ phủ từ 70 - 90% sau khi xử lý sẽ tạo ra mơ hình
đám mây điểm (Point Cloud), mơ hình số bề mặt (DSM), mơ hình số độ cao (DEM) và ảnh trực giao (Orthomosaic).
Một số phần mềm chuyên xử lý ảnh:
- Trimble Business Center Photogramettry. - Inpho UASMaster của hãng Trimble. - Agisoft PhotoScan của hãng Geoscan Nga. - Pix4D mapper của Thụy Sỹ.
Chất lượng ảnh chụp
Tỷ lệ ảnh:
- Tỷ lệ của ảnh hàng khơng (S) được tính bằng tỷ số của khoảng cách đo trên ảnh (L) chia cho khoảng cách thực trên mặt đất (D),
D L
S .
- Khoảng cách này có thể xác định theo bản đồ. Nếu bản đồ cùng khu vực trên cùng khu đo với tỷ lệ của ảnh có thể tính bằng cách đo khoảng cách giữa hai điểm trên bản đồ và trên ảnh, tỷ lệ ảnh được tính theo cơng thức:
S= khoảng cách trên ảnh/khoảng cách trên bản đồ/tỷ lệ bản đồ (nếu khoảng cách của hai điểm trên bản đồ bằng khoảng cách hai điểm trên ảnh thì tỷ lệ của bản đồ và của ảnh bằng nhau.
- Tỷ lệ ảnh sẽ dao động từ điểm này đến điểm khác tùy thuộc vào độ cao vật trên mặt đất, độ cao càng lớn thì tỷ lệ ảnh càng lớn.
- Thơng thường tỷ lệ của ảnh có thể xác định bằng tỷ lệ của độ dài tiêu cự máy ảnh so với độ cao của máy bay so với mặt đất = F/H (trong đó: F là tiêu cự, H là độ cao của máy bay so với mặt đất).
- Nếu ta dùng mặt nước biển làm mốc độ cao để tính độ cao của đường bay thì tỷ lệ của một ảnh bay chụp được xác định:
Tỷ lệ = F/(Hh) (3.1)
Trong đó: + H là độ cao của máy bay so với mặt nước biển; + h là độ cao của địa hình so với mặt nước biển;
Trên cơ sở công thức tỷ lệ ảnh trên ta có thể xác định được tỷ lệ ảnh chụp của trần bay UAV cho khu vực cần thực hiện làm điều kiện tham chiếu ảnh.
eBee Sensefly sử dụng máy ảnh nhỏ Sony Cyber-Shot, để có thể xác định các yếu tố đo ảnh. Độ phân giải 18,2MP, tiêu cự 25mm, độ phân giải mặt đất có thể đạt đến từ 3,5-30cm/Pixcel (giá trị này sẽ được hiển thị ngay trên phần mềm khi xử lý ảnh). Tuy nhiên sẽ không cố định mà tùy theo dạng địa hình, địa vật dưới mặt đất với độ cao bay, chất lượng sẽ không đồng nhất một hằng số mà phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: gió, độ phản xạ của địa hình, địa vật, mức độ tầng phủ mặt đất…
Quy trình tổ chức thực hiện
- Tiếp nhận thông tin dự án, tiến hành thu thập và chuẩn bị đầy đủ các nội dung cần thiết phục vụ công tác bay chụp (xem sơ đồ thực hiện dưới đây)
- Đối với cơng tác bay chụp thì việc lập kế hoạch, kiểm tra điều kiện bay là cần thiết và rất quan trọng, nó quyết định đến công tác an toàn bay và chất lượng ảnh bay chụp.
- Công tác chuẩn bị bao gồm hoạch định vị trí và phạm vi cần bay chụp, kiểm tra xem vị trí dự án có nằm trong phạm vi cấm bay hay không, tiếp đến là kiểm tra các điều kiện thời tiết có phù hợp cho công tác bay chụp hay khơng, xem xét địa hình vùng dự kiến bay...
Thông số thời tiết hiện tại
Thông số thời tiết theo giờ
Bản đồ vị trí vùng cấm bay
Hình 3.18: Các thơng số ảnh hưởng đến điều kiện bay an toàn
kế tuyến bay và điều khiển bay bằng phần mềm chuyên dụng eMotion 2.
- Sau khi có kết quả bay chụp, số liệu bao gồm ảnh và tọa độ các điểm khống chế ảnh (sử dụng các điểm khống chế mặt đất GPS, ĐC2 nếu được lập để phục vụ cho cho các phương pháp truyền thống hoặc các cặp điểm bố trí từ 250m- 300m với các vùng chỉ chụp ảnh khơng thực hiện đo đạc chi tiết để tăng độ chính xác của mơ hình) được đưa vào phần mềm xử lý ảnh Postflight Terra 3D, Agisoft Photoscan hoặc các phần mềm xử lý ảnh có chức năng tương tương tự để nắn ảnh và tạo mơ hình, ngồi ra để có được kết quả tốt hơn cịn sử dụng một số phần mềm xử lý ảnh kỹ thuật số khác như Global Mapper…
- Từ các nguyên lý chung đã nêu được xây dựng tích hợp trong các phần mềm xử lý ảnh tự động, với các phần mềm xử lý ảnh đều có nguyên lý và phương pháp xử lý như nhau. Sử dụng các phần mềm chính trong xử lý Agisoft PhotoScan và Pix4D trong đề tài do có giá thành phù hợp nhất.
Ưu nhược điểm của phần mềm: Ưu điểm:
- Dễ cài đặt và sử dụng do nguyên lý thực hiện tuần tự theo dòng chảy, các ảnh đơn tự động được phần mềm nhận dạng các điểm chung giống nhau khi ghép khối ảnh cũng như tự động loại bỏ phần méo hình biên ảnh khi chổng ảnh lân cận.
Nhược điểm:
- Phần mềm u cầu máy tính xử lý phải có cấu hình tối thiểu 16GB. - Khi chạy trên phần mềm ảnh được định vị và nắn chỉnh cùng lúc nhiều điểm khống chế làm tăng được độ chính xác của khối ảnh ghép. Tuy nhiên, khi