小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統及方法
2023-12-09 22:12:51 4
專利名稱：小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統及方法
技術領域：
本發明涉及地形測繪的技術領域，特別涉及一種可以實現全自動、無接觸和動態實時的小型無人直升機超低空數字地形測繪系統及方法。
背景技術：
機載雷射雷達技術，是一種集高精度動態DGPS技術、雷射測距技術、高精度載體姿態測量技術和計算機技術於一體的新興測量技術。通過雷射測距儀得到的測距信息聯合姿態測量模塊得到的姿態信息和高精度差分GPS得到的位置信息能夠解算獲得精確的物體三維坐標和高解析度數字地形模型。它為人們對地球空間信息的連續自動獲取，提供了一種新型遙感技術方法，相比傳統的人工單點數據獲取方式，其在自動化和智能化方面前進了一大步，使觀測精度和速度顯著提高。·
目前，利用機載雷射雷達技術獲得地球空間信息給傳統的測繪帶來了一場新的技術革新，雷射雷達設備的研製受到國內外科技企業和科研單位的高度重視，也取得了一定的成果。目前大多數作業的機載雷射雷達系統都是大型機載系統，一般工作在高空，設備體積大、質量重，容易受到空域管制和天氣影響。這些設備無法實時生成數字高程數據，無法根據採集的數據現場改變飛行航線，作業效率低，易造成人力和物力的浪費。所以開發小型、高度集成的雷射雷達設備，基於小型無人直升機平臺進行作業，挖掘低空領域的應用很有必要。此小型無人直升機超低空數字地形測繪系統，是一個基於小型無人直升機的低成本、全自動、在線生成高程模型的雷射雷達數字地形測繪系統。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統。本發明的另一目的在於，提供一種小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪方法。為了達到上述第一發明目的，本發明採用以下技術方案—種小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統，包括負責各傳感器數據的正確採集、對傳感器數據進行同步處理以及無人直升機的導航控制，並通過無線收發設備實現與地面站系統數據交互的機載系統，和用於接收和處理來自機載雷射雷達硬體系統的數據，或離線查看和處理數據文件的地面站系統，所述機載系統由協處理器模塊和主處理器模塊組成；所述協處理器模塊用於採集系統的姿態數據和位置數據，以及實現對機載系統的導航控制，所述的主處理器模塊用於採集協處理器模塊與雷射傳感器的信號，並實現通過無線收發設備轉發數據；所述的地面站系統實現與機載系統通信，接受來自機載系統的數據，並發送控制指令給機載系統，此外，地面站系統還實現了三維成圖顯示、數據編輯、數據濾波以及數據格式轉換。優選的，所述協處理器模塊包括CPU處理器，與處理器信號連接的電子羅盤、IMU、GPS差分板以及通道舵機。優選的，所述主處理器模塊包括雙核CPU處理器，與CPU處理器連接的協處理器模塊，與CPU處理器模塊連接的無線收發模塊，通過USB轉RS442與CPU處理器連接的雷射掃描儀。 優選的，所述機載平臺的處理器系統採用三層結構搭建，底層是協處理器電路板，實現數據採集和向上層傳輸；中間層是一個連接板，實現上下層數據的通訊橋梁；頂層是一個主處理器電路板，實現數據的同步設計和數據轉發。優選的，所述地面站系統包括可攜式計算機伺服器和無線通信設備。優選的，還包括供電裝置，所述供電裝置為兩個鋰電池，根據需要分壓到提供12V、9V、5V及3. 3V的四種電壓。為了達到上述第二目的，本發明採用以下技術方案小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪方法，包括下述步驟SI、協處理器模塊採集傳感器的數據，為了得到機載系統的正確狀態，在對多傳感器系統進行數據融合處理前，需要保證不同傳感器數據的同步性，即要求各個傳感器的數據在進行三維點雲數據解算時是同一時刻的，協處理器模塊不斷主動通過SPI 口採集IMU的數據，在一次協處理器模塊CPU更新周期裡面多次採樣IMU數據，保證發送給主處理器模塊的IMU數據是最新的；S2、協處理器模塊在將採集到的傳感器數據打包成一個自定義的字符形式數據包，並將該數據包傳給主處理器的模塊，協處理器的數據包包括HMR3000航向角、IMU三軸角速度、IMU三軸加速度、GPS模式和GPS星數信息；S3、主處理器模塊採集協處理器模塊和雷射傳感器的數據，分別對兩種數據加入時間屬性的標記，並通過無線收發模塊把數據轉發到地面站系統；S4、地面站系統收到兩種數據後保存數據，對於協處理器模塊的數據進行擴展卡爾曼數據融合算法實現，選取小型無人直升機的非線性導航模型的系統在導航坐標系中的3個位置信息(x，y，z)，3個速度信息(U，V, W)，用四元數描述的機載系統姿態信息(q0, Q1, Q2, Q3)和當地重力加速度g作為系統的狀態向量；選取3個位置信息(x，y, z)，3個速度信息(U，V，W)，三個用歐拉角表示的機載系統姿態信息(的θ, ψ)作為系統的觀測向量；S5、地面站系統利用卡爾曼數據融合後的姿態和位置信息，聯合雷射測距儀的測距信息進行三維解算，得到三維點雲數據。優選的，步驟SI中，保證數據實時性和同步性的具體方法是GPS差分板和電子羅盤採用中斷方式，有數據更新就產生中斷，然後協處理器模塊更新數據和各自的數據更新標誌位，這樣主處理器可以通過判斷標誌位來判斷此時協處理器模塊傳來的GPS差分板或電子羅盤數據是不是最新的，這樣數據到達主處理器模塊的時間延遲就近似只有協處理器串口傳送數據的時間，在主處理器模塊的數據接收時刻減去這個時間就可以實現數據的同步性。優選的，步驟S4中，在參數的選擇中歐拉角表示的姿態角在機載平臺大幅度姿態變化的時候會使歐拉角方程出現奇異現象，針對這一情況，用四元數來表示機載系統的姿態角，採用這種方法表示系統的姿態運動能消除這種奇異；四元數本質是一個向量，它的維度是4，其中的三個維度定義了空間中的一個轉動軸，第四個維度是表示繞該轉動軸的角度，四元素和歐拉角表示的姿態角可以通過下面兩式相互轉化
權利要求
1.一種小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統，其特徵在於，包括負責各傳感器數據的正確採集、對傳感器數據進行同步處理以及無人直升機的導航控制，並通過無線收發設備實現與地面站系統數據交互的機載系統，和用於接收和處理來自機載雷射雷達硬體系統的數據，或離線查看和處理數據文件的地面站系統，所述機載系統由協處理器模塊和主處理器模塊組成；所述協處理器模塊用於採集系統的姿態數據和位置數據，以及實現對機載系統的導航控制，所述的主處理器模塊用於採集協處理器模塊與雷射傳感器的信號，並實現通過無線收發設備轉發數據；所述的地面站系統實現與機載系統通信，接受來自機載系統的數據，並發送控制指令給機載系統，此外，地面站系統還實現了三維成圖顯示、數據編輯、數據濾波以及數據格式轉換。
2.根據權利要求I所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統，其特徵在於，所述協處理器模塊包括CPU處理器，與處理器信號連接的電子羅盤、IMU、GPS差分板以及通道舵機。
3.根據權利要求I所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統，其特徵在於，所述主處理器模塊包括雙核CPU處理器，與CPU處理器連接的協處理器模塊，與CPU處理器模塊連接的無線收發模塊，通過USB轉RS442與CPU處理器連接的雷射掃描儀。
4.根據權利要求I所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統，其特徵在於，所述機載平臺的處理器系統採用三層結構搭建，底層是協處理器電路板，實現數據採集和向上層傳輸；中間層是一個連接板，實現上下層數據的通訊橋梁；頂層是一個主處理器電路板，實現數據的同步設計和數據轉發。
5.根據權利要求I所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統，其特徵在於，所述地面站系統包括可攜式計算機伺服器和無線通信設備。
6.根據權利要求I所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪方法，其特徵在於，還包括供電裝置，所述供電裝置為兩個鋰電池，根據需要分壓到提供12V、9V、5V及.3.3V的四種電壓。
7.根據權利要求I所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統的測繪方法，其特徵在於，包括下述步驟 S1、協處理器模塊採集傳感器的數據，為了得到機載系統的正確狀態，在對多傳感器系統進行數據融合處理前，需要保證不同傳感器數據的同步性，即要求各個傳感器的數據在進行三維點雲數據解算時是同一時刻的，協處理器模塊不斷主動通過SPI 口採集IMU的數據，在一次協處理器模塊CPU更新周期裡面多次採樣IMU數據，保證發送給主處理器模塊的頂U數據是最新的； S2、協處理器模塊在將採集到的傳感器數據打包成一個自定義的字符形式數據包，並將該數據包傳給主處理器的模塊，協處理器的數據包包括HMR3000航向角、IMU三軸角速度、IMU三軸加速度、GPS模式和GPS星數信息； S3、主處理器模塊採集協處理器模塊和雷射傳感器的數據，分別對兩種數據加入時間屬性的標記，並通過無線收發模塊把數據轉發到地面站系統； S4、地面站系統收到兩種數據後保存數據，對於協處理器模塊的數據進行擴展卡爾曼數據融合算法實現，選取小型無人直升機的非線性導航模型的系統在導航坐標系中的3個位置信息(X，y, z) ,3個速度信息(u,v,w),用四元數描述的機載系統姿態信息(qQ, Q1, q2, q3)和當地重力加速度g作為系統的狀態向量；選取3個位置信息(X，y, z) ,3個速度信息(U，V，W)，三個用歐拉角表示的機載系統姿態信息#，θ, ψ)作為系統的觀測向量； S5、地面站系統利用卡爾曼數據融合後的姿態和位置信息，聯合雷射測距儀的測距信息進行三維解算，得到三維點雲數據。
8.根據權利要求7所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪方法，其特徵在於，步驟SI中，保證數據實時性和同步性的具體方法是GPS差分板和電子羅盤採用中斷方式，有數據更新就產生中斷，然後協處理器模塊更新數據和各自的數據更新標誌位，這樣主處理器可以通過判斷標誌位來判斷此時協處理器模塊傳來的GPS差分板或電子羅盤數據是不是最新的，這樣數據到達主處理器模塊的時間延遲就近似只有協處理器串口傳送數據的時間，在主處理器模塊的數據接收時刻減去這個時間就可以實現數據的同步性。
9.根據權利要求7所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪方法，其特徵在於，步驟S4中，在參數的選擇中歐拉角表示的姿態角在機載平臺大幅度姿態變化的時候會使歐拉角方程出現奇異現象，針對這一情況，用四元數來表示機載系統的姿態角，採用這種方法表示系統的姿態運動能消除這種奇異；四元數本質是一個向量，它的維度是4，其中的三個維度定義了空間中的一個轉動軸，第四個維度是表示繞該轉動軸的角度，四元素和歐拉角表示的姿態角可以通過下面兩式相互轉化
10.根據權利要求7所述的小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪方法，其特徵在於，構建的小型無人直升機的非線性導航模型如下
全文摘要
本發明公開了一種小型無人直升機超低空雷射雷達數字地形測繪系統及方法，包括負責各傳感器數據的正確採集、對傳感器數據進行同步處理以及無人直升機的導航控制，並通過無線收發設備實現與地面站系統數據交互的機載系統和用於接收和處理來自機載雷射雷達硬體系統的數據，或離線查看和處理數據文件的地面站系統，所述機載系統由協處理器和主處理器的組成，所述協處理器用於採集系統的姿態數據和位置數據，或實現對機載系統的導航控制。本發明採用協處理器配合主處理器的模式，既保證了對小型無人直升機導航控制的實時性和穩定性要求，也使得系統更加靈活,可以方便的擴展機載系統的功能，同時具備低功耗、低成本、高度集成、高效率等優點。
文檔編號G01S17/89GK102928846SQ20121041152
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者裴海龍, 吳文升 申請人:華南理工大學