2.1 .1Mục đích khảo sát
3.1.3. Nghiên cứu ứng dụng UAV trong công tác thành lập bản đồ
máy bay không người lái trong thành lập bản đồ. Có rất nhiều hãng cơng nghệ tham gia vào mảng nghiên cứu ứng dụng ảnh chụp từ thiết bị UAV để xây dựng nhiều loại bản đồ khác nhau như: hiện trạng sử dụng đất, mơ hình 3D độ chính xác cao, bản đồ địa hình tỷ lệ lớn, bình đồ ảnh trực giao, mơ hình số mặt đất DEM,...
Một vài hãng công nghệ nổi tiếng đã và đang nghiên cứu công nghệ này như: Trimble của Mỹ, SenseFly của Thụy Sĩ, MosaicMill Oy của Phần Lan, Racurs của Nga, Microdrones GmbH của Đức, QuestUAV Ltd của Anh,... Tuy nhiên mỗi hãng lại có những hướng nghiên cứu riêng cho ra các sản phẩm khác nhau; hãng thì chỉ tập trung nghiên cứu phần mềm hỗ trợ xử lý ảnh chụp từ UAV, có hãng cho ra cả một hệ thống bay chụp ảnh bằng UAV kèm theo bộ phần mềm xử lý chuyên dụng được tối ưu với chính hệ thống họ tạo ra.
Các hãng nghiên cứu hiện nay chủ yếu tạo ra những thiết bị bay không người lái được thiết kế chuyên dụng trong chụp ảnh trên không bằng việc sử dụng máy ảnh kỹ thuật số phổ thơng có giá thành tương đối rẻ. Thiết bị bay chuyên dụng này được thiết kế tối ưu nhất cho cân bằng áp suất cũng như độ ổn định của máy bay nhằm giảm thiểu sai số bay chụp. Bên cạnh đó thì kích thước, trọng lượng của thiết bị cũng được chú trọng làm sao để có thể cơ động trong sử dụng và thời lượng bay chụp được lâu nhất. Bộ thu GPS độ chính xác cao cũng được tích hợp để phục vụ cho dẫn đường và định vị vị trí tâm ảnh bay chụp; hai phương pháp đo được sử dụng là định vị độc lập và đo pha động thời gian thực RTK.
Dưới đây là vài ví dụ về các thành quả nghiên cứu của các hãng công nghệ lớn:
- Hệ thống bay chụp ảnh eBee cùng bộ phần mềm xử lý ảnh sau bay chụp Postflight Terra 3D của hãng SenseFly.
Hình 3.9: Thiết bị bay chụp không người lái eBee
- Hệ thống bay chụp ảnh MD4-1000 của hãng Microdrones GmbH.
Hình 3.10: Thiết bị bay chụp khơng người lái MD4-1000
- Hệ thống bay chụp ảnh Q-200 của hãng QuestUAV Ltd.
Hình 3.11: Thiết bị bay chụp không người lái Q-200 3.1.4. Hệ thống bay chụp UAV bằng máy bay eBee Sensefly 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 không.
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 toàn 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 khơng 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 công 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 thơng.
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. Ngồi 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 thơng 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 không (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 công 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