CN102381481A - 一种无人机机载激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

一种无人机机载激光雷达系统，由无人机飞行平台子系统、激光雷达子系统，地面保障与通讯分系统组成；其中，无人机飞行平台子系统以无人直升机为搭载平台；激光雷达用于获取三维空间信息和数码影像数据；由激光扫描仪、IMU、高分辨率航拍数码相机组成；地面保障与通讯保障飞行安全，及时传回系统工作状态信息；本发明可以巡视效率高、巡视手段科学、直观、准确；可及时发现隐患，保证安全运行，减少经济损失，具有成本低、操作简单、数据精度高等特点。

Description

一种无人机机载激光雷达系统

技术领域

本发明涉及一种无人机机载激光雷达系统，属于激光雷达遥感测绘领域。

背景技术

目前，在世界上有超过200台的机载激光雷达系统，多应用于城市规划、土地管理、电力线路设计、公路、铁路设计、林业、水利、文物及遗迹复原以及数字城市等相关领域，正在发挥着越来越明显的作用。

目前市场上存在的进口机载激光雷达系统，大多是有机组合的一整套系统，包括激光扫描仪、数码相机、惯性陀螺仪、控制终端、GPS、电源等设计，体积较大，重量都在100公斤以上。这种机载激光雷达系统只能使用引擎小型飞机，如运五飞机，有人直升机或其他小型飞机等，使用这些飞机来搭载激光雷达进行各种勘测，昂贵价格和飞行成本高，且飞行受航空管制，机场、天气的影响非常大。

在这种情况下，低空飞行器的搭载的小型激光雷达系统，具有潜在优势和巨大的市场，低空飞行器以其轻便，低成本、易于运作等特征，被广泛应用，在未来“十二五”开放低空领空域的憧憬下，低空飞行平台民用领域的未来发展，具有广阔的空间，将低空飞行器与小型激光雷达技术有机的结合，可以最大限度的将这种先进的技术应用到各行各业，尤其是大型基础建设行业，如电力线路设计、公路设计、铁路线路设计、以及石油管道设计等，高效、高精度的完成，各种工程设计和建设，为国民经济发展发挥重要作用。

现在，发达国家主要采用有人直升机搭载激光雷达、红外热成像仪、巡线机器人等方式，对输电线路进行综合巡测，其技术水平及应用水平较为先进。目前，已在欧美和日本等主要发达国家广泛使用。在全球大约250台激光雷达系统中，美国约有60台，日本约有35台，其它的分布在欧洲、亚洲、澳洲等地区，主要生产厂商有瑞士的Leica,加拿大的Optech,德国的IGI, 还有Toposys, Saab等，其中，最著名的两家公司Leica和Optech，都售出了超过100台的系统，销售的数量远远超过其他厂家。但这些系统体积大，价格高，一般重量为120公斤左右，平均价格超过1000万元,客户群主要是从事测绘和遥感信息技术的公司和机构。其应用领域涵盖城市规划、土地管理、电力线路设计、电力巡线、公路、铁路设计、林业、水利、文物及遗迹复原以及数字城市等各个行业。

激光雷达技术的硬件研究制造，在国内还刚起步，现有技术基础比较薄弱。可小型激光雷达系统可搭载于各种低空飞行平台，已经在电路选线、巡线和高铁、高速、城市规划等方面得到应用，充分显示了基于低空飞行平台的小型激光雷达系统，更适合中国国情，是未来发展的方向。

发明内容

本发明目的在于提供一种无人机机载激光雷达系统，可以解决有人机载激光雷达系统在高压电力线路巡线，电力线规划设计，林业调查中遇到的困难；系统重量控制在20公斤以下，巡检速度在几公里/小时到几十公里/小时可控，可以提高输电线路巡视效率、提高巡视手段的科学性，直观、准确的反映输电线路运行情况，及时发现输电线路隐患，从技术上保证相关行业的安全运行，减少故障而造成的经济损失，具有巨大的社会和经济效益。该系统具有运行成本低、使用限制少、操作维护简单、数据精度高、危险点定位准确等特点。

本发明的技术方案是：一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，由无人机飞行平台子系统、激光雷达子系统，地面保障与通讯分系统组成；

所述的无人机飞行平台子系统：以无人直升机为搭载平台；

所述的激光雷达子系统：用于获取三维空间信息和数码影像数据；由激光扫描仪、IMU、高分辨率航拍数码相机组成；该子系统装在无人机飞行平台上。

所述的地面保障与通讯分系统：保障飞行安全，及时传回系统工作状态信息，保障飞行探测的有效性；

所述的系统技术指标是：单次飞行测绘带宽 300m；飞行测绘速度 60km/h；飞行测绘高度 300m；

所述的激光扫描雷达参数：峰值功率 1～10kW（脉宽2ns）；1～10kW（脉宽2ns）；有效脉冲频率 大于20kHz；探测距离 大于300m；扫描方式旋转三棱镜；扫描频率 5 to 60转/ s；

扫描张角80 degrees；

所述的航拍相机参数：传感器类型 CMOS  (彩色滤波阵列)；像素数量 (22mp) 5616×3744 pixels；像素尺寸 6.4μm；镜头 24mm；拍摄频率5 frames per second；数据格式；Raw or Jpeg；数据记录媒介 CF and/or SD disk；存储容量；

所述的飞行平台参数：有效载荷>30kg（海拔2500m）；续航时间>3h；最大速度 60km/h；

巡航速度20～40km/h；目视遥控有效控制半径7.5km；智能导航系统有效通讯半径15km ；

所述的机载激光雷达子系统，包括：激光扫描器系统的控制系统；DGPS及IMU惯性导航单元；高分辨率航拍相机；系统控制及数据实时记录存储单元四部分；其中，各部分用以太网协议交换数据，用航空电池或飞行平台供电；其中，所述的系统采用分孔径发射接收；发射光路包括近红外高重复频率激光器、凸透镜和扫描镜；接收光路包括扫描镜、聚焦透镜、回光测距模块；发射光路与接收光路共用一套扫描镜，光路相互隔离，以屏蔽发射杂散光对回光信号的干扰；

所述激光扫描器系统的控制系统，控制高重复频率激光器发射激光，并记录出光时间，激光经透镜改变束散角并扩束准直，通过扫描镜发射激光至目标处；目标回光通过扫描镜接收回光，回光通过聚焦透镜聚焦于测距探测器感光面，根据激光发射时间与测距探测器接收的激光回光到达时间计算测距距离；激光发射与回光接收共用同一扫描镜面，确保发射轴与接收轴的一致性。

DGPS及IMU惯性导航单元，采用DGPS加据融合算法，达到的技术指标如下：定位精度 0.02m 1σ DGPS；速度0.02m 1σ DGPS 0.05km/RMS；mm/s??1σ；基准0.01%；线性度0.1% 1σ；滚角0.03° 1σ；倾角0.15° RMS；数据刷新率100Hz；；

所述的高分辨率航拍相机，采用CANNON-EOS III 航拍相机，通过对控制信号加以改造，设计同步外触发器，使得IMU和激光扫描仪高精度同步拍摄彩色影像数据并加时间标记。

所述的系统控制及数据实时记录存储单元，采用定制机载微型计算机系统，配合3GHz高速数据获取板卡，该板卡有宽带以太接口和扫描镜转角信息读入接口GPIO，电机转速控制（PCI）功能。

所述的无人机飞行平台子系统的遥控发射、接收设备使用12信道设备，无干扰情况下空中控制半径大于1.5km；遥控系统具备失控自动进入保护模式功能；电传系统采用抗干扰能力的调制方式；安装具备远程超视距飞行能力的自动驾驶仪；

所述的智能导航系统，安装预设航线进行自主飞行，自动完成作业任务；导航系统主要由机载子系统、通讯链路子系统和地面站子系统组成；其中，机载子系统主要包括飞控计算机、陀螺、传感器、GPS等。

通讯链路使用跳频扩频半双工数传电台，配备定向天线，稳定工作距离不小于30km。

所述的飞行系统技术指标是：尺寸 125×70×45mm（LХWХH）；重量 ≤300g（不含电池、接收机、天线和舵机，含外壳）电路板部分100g；工作温度 -10℃～+40℃；存储温度 -40℃～+70℃；工作湿度10～95%；存储湿度10～95%；输入电压6～9VDC；工作电流≤300mA；串行通信口2个RS232（数据传输电台内置）；舵机输入控制9通道遥控接收机PWM信号；舵机输出控制15通道舵机控制PWM信号(后8路可以作为I/O口输出)；具有的控制功能有：滚转角速率；俯仰角速率；偏航角速率；滚转加速度；俯仰加速度；偏航加速度；滚转角；俯仰角；偏航角；电压监控；温度监控；气压高度；GPS地速；GPS高度；空速；外部温度监控传感器校零；外电监控；副翼控制；升降舵控制；方向舵控制；油门控制；襟翼控制舵面中立比例设置；任务舵机输出3；任务控制输出（TTL）；低电压告警；超时超距告警；控制循环速率50Hz；数据传输距离30km；飞行参数记录4h；数据传输电台传输速率9600bps。

本发明的有益效果是：

本发明解决了有人机载激光雷达系统在相关行业中遇到的困难；系统重量可以控制在20公斤以下，只相当于传统系统的1/5，轻便，易于运输；无人机机载激光雷达系统尽管体积和重量都比传统机栽激光雷达系统小， 但获取数据的精度及衍生的产品与传统系统获取的结果相差无几；该系统具有运行成本低、使用限制少、操作维护简单、数据精度高、危险点定位准确等特点。

附图说明

图1是本发明一种无人机机载激光雷达系统的飞行平台外观示意图。

图2是本发明一种无人机机载激光雷达系统的原理框图。

图3是本发明一种无人机机载激光雷达系统的激光扫描雷达系统工作原理框图。

图4是本发明一种无人机机载激光雷达系统的激光扫描器工作原理图。

图5是本发明一种无人机机载激光雷达系统激光扫描器发射光路系统外形图。

图6是本发明一种无人机机载激光雷达系统的激光扫描器接收光路系统外形图。

图7是本发明一种无人机机载激光雷达系统的DGPS及IMU惯性导航单元立体效果图。

图8本发明一种无人机机载激光雷达系统的航拍相机效果图。

图9是本发明一种无人机机载激光雷达系统的高速数据获取单元原理框图。

图10是本发明一种无人机机载激光雷达系统的传感器跟瞄系统框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行详细的说明；图1是本发明一种无人机机载激光雷达系统的及飞行平台外观示意图。图2是激光雷达系统原理框图。

从图可以看到，一种无人机机载激光雷达系统，按功能划分主要由无人机飞行平台子系统（主要为无人直升机平台）、激光雷达子系统，地面保障与通讯分系统等组成。图2为系统组成框图。

无人机飞行平台子系统：激光雷达系统主要以无人直升机为搭载平台，根据目前国内低空无人机飞行器发展状况，从飞行海拔高度、飞行速度、价格成本、有效载荷和系统安全系数等综合因素评估，选择无人直升机作为激光雷达系统的主要搭载飞行平台。

激光雷达子系统：获取三维空间信息和数码影像数据。主要由激光扫描仪、IMU、高分辨率航拍数码相机等组成。

地面保障与通讯分系统：保障飞行安全，及时传回系统工作状态信息，保障飞行探测的有效性。

本发明所述系统的主要技术指标如表1所示：

表1  系统技术指标及分系统指标

本发明各子系统的实施技术方案分述如下：

图3为激光雷达系统原理框图。机载激光三维雷达子系统包括以下四部分：机载激光扫描雷达单元；DGPS及IMU惯性导航单元；高分辨率航拍相机；系统控制及数据实时记录存储单元。各部分用以太网协议交换数据，供电可选用航空电池或飞行平台供电。

（a）     激光扫描雷达单元原理及技术实施方案：

激光扫描器系统工作原理如图5、图6所示，控制系统控制高重复频率激光器发射激光并记录出光时间，激光经透镜改变束散角至2.7mrad并扩束准直（发射窗口处光束直径为42mm），通过扫描镜发射激光至目标处。目标回光通过扫描镜接收回光，接收孔径42mm，回光通过聚焦透镜聚焦于测距探测器感光面，根据激光发射时间与测距探测器接收的激光回光到达时间计算测距距离。激光发射与回光接收共用同一扫描镜面，确保了发射轴与接收轴的一致性。

系统采用分孔径发射接收。发射光路包括近红外高重复频率激光器、凸透镜和扫描镜。接收光路包括扫描镜、聚焦透镜、回光测距模块。发射光路与接收光路共用一套扫描镜，光路相互隔离，以屏蔽发射杂散光对回光信号的干扰。

   （b）DGPS及IMU惯性导航单元技术实施方案

    采用DGPS加惯性导航系定制改造，辅以特殊数据融合算法，其能够达到的技术指标如下：

表2..DGPS及IMU惯性导航技术参数

图7为DGPS加惯性导航单元内部结构图，该单元融合了DGPS和惯性导航系以及特殊数据处理算法，可以达到表2所列的精度。

（c）航拍高分辨率相机技术实施方案

采用CANNON-EOS III 航拍相机，主要技术参数完全达到系统设计要求。通过对控制信号加同步外触发器，使得IMU和激光扫描仪高精度同步拍摄彩色影像数据，并加上时间标记。

（d）系统控制及数据实时记录存储单元技术实施方案

采用定制机载微型计算机系统，配合研制的3GHz高速数据获取板卡（原理见图9），该板卡有宽带以太接口和扫描镜转角信息读入接口GPIO，电机转速控制（PCI）功能。该板的采样率最高达5Gsps，前端模拟带宽可高达3GHz，实时存储容量可达32GB。该产品不但具有高精度时间间隔测量，而且具有全波形测量功能，该功能可以使产品拓展到对地面反射目标进行识别的功能，可以应用于林业估产，农业估产乃至军事侦查等。

从图9高速数据获取单元原理框图可知，根据提高精度时间飞行测量的需要，特别采用高稳定的时钟，时钟的稳定性很大程度上决定了高程的测量精度。

全系统软件系统，根据在不同部位设计优化的需要，采用多种语言编程，包括FPGA编程设计、C++编程设计和单片机程序设计等。

自动跟瞄云台控制技术实施方案：

图10为传感器跟瞄系统框图。其硬件主要由激光扫描仪、视频摄像机和系统电脑组成。

以上全面介绍了本发明及具体的实施方式，应当说明的是，以上的介绍只是本发明的构思中的一例，本领域技术人员，可以在所述构思的指导下，推导出多个技术方案，但是，任何，推导出的技术方案，都在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，由无人机飞行平台子系统、激光雷达子系统，地面保障与通讯分系统组成；

所述的无人机飞行平台子系统：以无人直升机为搭载平台；

所述的激光雷达子系统：用于获取三维空间信息和数码影像数据；由激光扫描仪、IMU、高分辨率航拍数码相机组成；该子系统装在无人机飞行平台上；

所述的地面保障与通讯分系统：保障飞行安全，及时传回系统工作状态信息，保障飞行探测的有效性。

2.按照权利要求1所述的一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，本发明的系统技术指标是：单次飞行测绘带宽 300m；飞行测绘速度 60km/h；飞行测绘高度 300m；

所述的激光扫描雷达参数：峰值功率 1～10kW（脉宽2ns）；1～10kW（脉宽2ns）；有效脉冲频率 大于20kHz；探测距离 大于300m；扫描方式旋转三棱镜；扫描频率 5 to 60转/ s；

扫描张角80 degrees；

所述的航拍相机参数：传感器类型 CMOS  (彩色滤波阵列)；像素数量 (22mp) 5616×3744 pixels；像素尺寸 6.4μm；镜头 24mm；拍摄频率5 frames per second；数据格式；Raw or Jpeg；数据记录媒介 CF and/or SD disk；存储容量；

所述的飞行平台参数：有效载荷>30kg（海拔2500m）；续航时间>3h；最大速度 60km/h；

巡航速度20～40km/h；目视遥控有效控制半径7.5km；智能导航系统有效通讯半径15km 。

3.按照权利要求1所述的一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，所述的机载激光雷达子系统，包括：激光扫描器控制系统；DGPS及IMU惯性导航单元；高分辨率航拍相机；系统控制及数据实时记录存储单元四部分；其中，各部分用以太网协议交换数据，用航空电池或飞行平台供电；其中，所述的系统采用分孔径发射接收；发射光路包括近红外高重复频率激光器、凸透镜和扫描镜；接收光路包括扫描镜、聚焦透镜、回光测距模块；发射光路与接收光路共用一套扫描镜，光路相互隔离，以屏蔽发射杂散光对回光信号的干扰。

4.按照权利要求3所述的一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，所述激光扫描器控制系统，控制高重复频率激光器发射激光，并记录出光时间，激光经透镜改变束散角并扩束准直，通过扫描镜发射激光至目标处；目标回光通过扫描镜接收回光，回光通过聚焦透镜聚焦于测距探测器感光面，根据激光发射时间与测距探测器接收的激光回光到达时间计算测距距离；激光发射与回光接收共用同一扫描镜面，确保发射轴与接收轴的一致性。

5.按照权利要求3所述的一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，DGPS及IMU惯性导航单元，采用DGPS加据融合算法，达到的技术指标如下：定位精度 0.02m 1σ DGPS；速度0.02m 1σ DGPS 0.05km/RMS；mm/s??1σ；基准0.01%；线性度0.1% 1σ；滚角0.03° 1σ；倾角0.15° RMS；数据刷新率100Hz。

6.按照权利要求3所述的一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，所述的高分辨率航拍相机，采用CANNON-EOS III 航拍相机，通过对控制信号加同步外触发器，使得IMU和激光扫描仪高精度同步拍摄彩色影像数据并加时间标记。

7.按照权利要求3所述的一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，所述的系统控制及数据实时记录存储单元，采用定制机载微型计算机系统，配合3GHz高速数据获取板卡，该板卡有宽带以太接口和扫描镜转角信息读入接口GPIO，电机转速控制（PCI）功能。

8.按照权利要求1所述的一种无人机机载激光雷达系统，其特征在于，所述的无人机飞行平台子系统的遥控发射、接收设备使用12信道设备，无干扰情况下空中控制半径大于1.5km；遥控系统具备失控自动进入保护模式功能；电传系统采用抗干扰能力的调制方式；安装具备远程超视距飞行能力的自动驾驶仪；

所述的智能导航系统，安装预设航线进行自主飞行，自动完成作业任务；导航系统主要由机载子系统、通讯链路子系统和地面站子系统组成；其中，机载子系统主要包括飞控计算机、陀螺、传感器、GPS等。

通讯链路使用跳频扩频半双工数传电台，配备定向天线，稳定工作距离不小于30km。

所述的飞行系统技术指标是：尺寸 125×70×45mm（LХWХH）；重量 ≤300g（不含电池、接收机、天线和舵机，含外壳）电路板部分100g；工作温度 -10℃～+40℃；存储温度 -40℃～+70℃；工作湿度10～95%；存储湿度10～95%；输入电压6～9VDC；工作电流≤300mA；串行通信口2个RS232（数据传输电台内置）；舵机输入控制9通道遥控接收机PWM信号；舵机输出控制15通道舵机控制PWM信号(后8路可以作为I/O口输出)；具有的控制功能有：滚转角速率；俯仰角速率；偏航角速率；滚转加速度；俯仰加速度；偏航加速度；滚转角；俯仰角；偏航角；电压监控；温度监控；气压高度；GPS地速；GPS高度；空速；外部温度监控传感器校零；外电监控；副翼控制；升降舵控制；方向舵控制；油门控制；襟翼控制舵面中立比例设置；任务舵机输出3；任务控制输出（TTL）；低电压告警；超时超距告警；控制循环速率50Hz；数据传输距离30km；飞行参数记录4h；数据传输电台传输速率9600bps。

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