CN103217188A - 遥感遥测手持机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥感遥测手持机，包括安装在机壳内的电路板、电路板插接件和安装在机壳外的图像采集系统组成；所述电路板由各单元模块焊接组成，包括高速处理单元，以及与之连接的三维姿态感测模块、激光测距模块、显示模块、GPS模块、GPS天线、通信模块、图像接收模块、电源管理模块、多路接口；所述电源管理模块连接上述其他模块的电源输入端；所述电路板插接件插接在电路板上；所述图像采集系统包括安装在图像接收模块上的多路接口以及与多路接口连接的光学镜头和红外/微光夜视仪。本发明产品是一种多系统一体化、携带操作方便、高效多功能、高精度、高可靠性、低成本的遥感遥测手持机。

Description

遥感遥测手持机

技术领域

本发明涉及一种遥感遥测手持机，主要用于全球定位、姿态测量、激光测距、长焦距光学/微光/红外摄影摄像、宽带无线通信等功能的地面遥感遥测型设备。

背景技术

目前市场上只有三类相关产品：单一功能仪器、用于夜视观测的多功能红外热成像仪器、用于道路摄影测量数据采集的设备集成系统。

单一功能仪器：如测距仪、摄像机、照相机、折返镜头、望远镜、红外观测仪、微光观测仪、定位仪、三维姿态仪、惯性导航仪、通信设备等。这些设备存在功能单一，只能完成某一种或几种特定的功能，若想实现高端功能(如物方坐标与影像的同步获取、摄影测量等)，就只能购置多种仪器进行设备集成，造成极高成本和人力、物力、财力的浪费，性价比低；要实现高端功能需要集成多种单一功能仪器，实际上无法在野外工作中使用。

多功能红外热成像仪器：红外热像仪是一种探测目标红外热辐射并将其转换成实时视频图像的设备，由于是被动接受目标自身的红外热辐射，因此无论是白天还是黑夜均可以正常工作，不受光线、雨、雪、雾、烟等各种环境的影响，这使它成为在全黑环境、恶劣气候条件下观测的理想工具。随着经济的发展，认知程度的提升，红外热像仪在交通、警用执法、消防、医疗、建筑、预防性维护等民用领域得到了广泛应用；但是该种类型的设备存在实时定位误差大于米级；在完全没有任何磁干扰时的理想的航向误差值大于等于0.5°(当手持机与目标物间的距离为3000米时，引起大于53米的物方坐标误差)，所以精度低；不具备通信功能，不能协同工作；不能在有磁干扰的环境中工作：a.不能在有磁干扰的环境中进行姿态测量：手持式红外热像仪采用电子罗盘进行姿态测量，存在小的磁干扰，电子罗盘的航向测量值就会发生自身不可感知、不可评估、不可改正的大误差；b.不能在有磁干扰的环境中进行物方坐标测量：因磁干扰引起的电子罗盘的航向误差值导致物方坐标测量值误差大到不可接受的地步；不适用于测量，适用于观察、取证等用途：只能在无精度要求的前提下适用于公安、缉私、消防、执法和海关部门。不能完成有精度要求的工作任务。

用于道路摄影测量数据采集的设备集成系统：目前市场上的道路摄影测量数据采集系统均为设备集成系统。国外：美国、加拿大、北欧诸国、澳大利亚、日本均有基于设备集成技术的道路摄影测量数据采集系统；国内：由武汉大学、武汉立得公司等单位联合开发的“基于3S集成技术的LD2000系列移动道路测量系统(道路摄影测量数据采集系统)；国内外的道路摄影测量数据采集系统具有相同的工作原理、系统结构、工作方法和工作结果：其硬件特征是设备集成。它将位置测量设备(GPS)、姿态测量与定位补偿设备(INS或航位推算系统)、视频设备(CCD系统)、车载计算机系统设备连接在一起，安装在汽车上，在车辆的行进之中采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据，如：道路中心线或边线位置坐标、目标地物的位置坐标、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志、道路设施等。数据同步存储在车载计算机系统中；软件特征是基于GPS、RS、GIS、数据的3S集成，将外业采集回来的数据进行事后编辑处理，形成各种有用的专题数据成果，如导航电子地图等等。它的显著特点是：a.独立的测成图系统。无需借助任何底图，即可独立完成路网图测量。在作业流程上形成了摄影测量的闭环控制，高精度的空间坐标数据与包含丰富属性信息的立体影像同时获得，外业与内业紧密衔接，避免了人工方式下的人为误差；b.实景三维可视化的数据成果。它以面状的方式快速采集道路及道路周边的地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像；c.与卫片/航片无缝链接，形成“天地一体化”的新一代地理信息系统；但是，仍然存在如下问题：(1)无法进行野外作业，工作范围限于道路：移动道路测量系统(道路摄影测量数据采集系统)是将GPS(全球定位系统)、CCD(视频系统)、INS(惯性导航系统或航位推算系统)、车载计算机系统等先进的传感器和设备装配在汽车上，这就意味着它仅能用于道路的摄影测量，无法进行野外环境的摄影测量；(2)系统本身的移动、操作均不便：组成系统的各设备体积大、重量大，各设备之间用电缆连接。系统的结构松散，必须固定于汽车等大型载体上，多人操作；(3)功能单一、工作效率较低：只能在道路上进行外景摄影测量数据采集且不具备数据传输功能，这种外业数据采集、内业事后处理的传统工作方式导致重复性外业劳动不可避免且耗时、耗财、耗力；(4)价格昂贵：移动道路测量系统的全部组件均系外购，这些高端设备的昂贵价格使得“移动道路测量系统”的成本居高不下，国内产品LD2000系列移动道路测量系统(道路摄影测量数据采集系统)的价格为300万元人民币/套，国外产品更贵。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种多系统一体化、携带操作方便、高效多功能、高精度、高可靠性、低成本的遥感遥测手持机。

为完成上述目的，本发明采用的技术方案是：遥感遥测手持机，包括：安装在机壳内的电路板、电路板插接件和安装在机壳外的图像采集系统组成；所述电路板由各单元模块焊接组成，包括高速处理单元，以及与之连接的三维姿态感测模块、激光测距模块、GPS模块、GPS天线、通信模块、图像接收模块、显示模块、电源管理模块、多路接口；所述电源管理模块连接上述其他模块的电源输入端；所述电路板插接件插接在电路板上；所述图像采集系统包括安装在图像接收模块上的多路接口以及与多路接口连接的光学镜头和红外/微光夜视仪。

所述高速处理单元由CPU、系统内存SDRAM、系统闪存Nand Flash组成最小处理单元，所述高速处理单元选用嵌入式ARM内核的高速CPU芯片。

所述三维姿态感测模块包括模块内电源电路、微控制器单元、加速度感测单元、磁通感测单元，其中模块内电源电路连接上述三个单元，微控制器单元连接加速度感测单元和磁通感测单元。

遥感遥测手持机还包括：存储器接口单元、扩展存储器单元、语音通话单元，以上三单元均与高速处理单元连接。

所述通信模块包括2.5G、3G、WIFI/ZigBee、蓝牙等现有通讯方式的一种或几种的组合。

本发明的遥感遥测手持机分类方法是：按照其定位定姿原理、使用环境和用途不同进行分类，可分为三种类型，每种类型均包含两种工作模式：独立工作模式(单台手持机独立工作)、协同工作模式(两台或多台手持机协同工作)；上述任一种工作模式均可利用当地参考站进行GPS差分定位、定向。

工作原理：以嵌入式ARM内核为中央处理器，在最小处理单元的基础上通过GPS模块/天线实现实时定位；通过图像接收模块实现现场图像的采集；通过加速度感测单元实时获取横滚和仰俯数据；通过WIFI或ZigBee自组网进行近程(1000M内)通信支持手持机间的差分定位和定向以获取高精度的定位数据和航向数据；通过激光测距模块实现各种距离指标上(3000米内)的实时距离测量；通过手持机中央处理器对GPS数据、三维姿态数据、激光测距数据进行联合处理，得到实时的物方三维坐标；通过红外/微光夜视仪实现300米距离内的夜视观察，远距离观察和摄取目标物影像；通过各种光学镜头实现远距离观察和摄取目标物影像并自动完成光/电信号的转换和数字/模拟信号的转换；通过2.5G或3G公用无线通信网络和有线INTERNET远程连接后方计算机服务器，实现云计算和内业外业的一体化。

本发明的有益效果：集合全球定位、激光测距、远程光学/红外/微光摄影、三维姿态测量、全天候全天象的近景/远景摄影测量、远程遥测(含物方三维坐标与立面影像的同步获取)、地理信息系统/航空航天遥感影像应用、通信网络一体化等多功能于一机；用单人随身携带、单人操作的傻瓜型手持机替代多种设备的系统集成，多功能、高效率的完成以上工作；用集成电路板取代电缆连接、用芯片取代设备，通过紧密物理结构实现高可靠性；分米级精度的实时定位、误差值为0.1度-0.001度的航向姿态数据、高精度的物方三维坐标测定；不受磁干扰的影响，可靠性高，可在各种强磁干扰环境中正常工作并实时获取误差值为0.1度-0.001度的高精度的航向姿态数据；集成度高，生产成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明电路原理框图；

图3为本发明通讯原理图。

图中：1、机壳，2、电路板，3、电路板插接件，4、图像采集系统，5、高速处理单元，6、三维姿态感测模块，7、显示模块，8、GPS模块，9、GPS天线，10、通信模块，11、图像接收模块，12、电源管理模块，13、多路接口，14、光纤陀螺或微机械陀螺，15、激光测距模块，16、光学镜头，17、红外/微光夜视仪，18、LCD触摸显示屏，19、显示芯片，20、存储接口单元，21、扩展存储器单元，22、语音通话单元，61、模块内电源电路，62、微控制器单元，63、加速度感测单元，64、磁通感测单元。

具体实施方式

如图1、2、3所示，遥感遥测手持机，包括：机壳1以及安装在机壳1内的电路板2、电路板插接件3和安装在机壳1外的图像采集系统4组成；所述电路板2由各单元模块焊接组成，包括高速处理单元5，以及与之连接的三维姿态感测模块6、激光测距模块15、显示模块7、GPS模块8、GPS天线9、通信模块10、图像接收模块11、电源管理模块12、多路接口13；所述电源管理模块12连接上述其他模块的电源输入端；所述电路板插接件3插接在电路板2上；所述图像采集系统4包括安装在图像接收模块11上的多路接口13以及与多路接口13连接的光学镜头16和红外/微光夜视仪17。

所述高速处理单元5由CPU、系统内存SDRAM、系统闪存Nand Flash组成最小处理单元，所述高速处理单元5选用嵌入式ARM内核的高速CPU芯片(0.4G-2G)。

遥感遥测手持机还包括：存储器接口单元20、扩展存储器单元21、语音通话单元22，以上三单元均与高速处理单元5连接。

所述通信模块10包括2.5G、3G、WIFI/ZigBee、蓝牙等现有通讯方式的一种或几种的组合。

所述三维姿态感测模块6包括模块内电源电路61、微控制器单元62、加速度感测单元63、磁通感测单元64，其中模块内电源电路61连接上述三个单元，微控制器单元62连接加速度感测单元63和磁通感测单元64。

所述显示模块7包括LCD触摸显示屏18和显示芯片19，显示芯片19安装在电路板2上，LCD触摸显示屏18安装在机壳1上，LCD触摸显示屏18和显示芯片19通过排线连接。

遥感遥测手持机按照其定位定姿原理、使用环境和用途分为三种类型：A型、B型和C型，每种类型的手持机均具有两种工作方式：独立工作模式、协同工作模式，其中，A型和B型手持机适用于静态野外摄影测量，C型手持机则同时适用于静态野外摄影测量和动态的道路摄影测量(置于汽车上，在移动中完成工作任务)

A型

A型手持机采用单GPS模块8、单GPS天线9(体积＜＝60*50*16mm、重量＜＝110g)、磁通感测单元64、加速度感测单元63配合。

其独立工作模式下：

磁通感测单元测量航向：在磁干扰弱的环境中航向测量误差小于0.5度；现场存在强磁性干扰时，误差随磁场强度变化(城市中存在大量磁干扰因素，比如建筑物的钢筋、汽车等；在野外环境下，金属矿场是着强地磁干扰源之一)；或利用当地的参考站(如Cors网)差分定向。

横滚、仰俯数据测量：加速度感测单元63测定横滚、仰俯数据。

GPS定位：误差小于或等于1.5M的GPS单点定位，或利用当地的参考站(如Cors网)差分定位达到分米级精度。

GPS观测环境：可收到4颗以上的GPS卫星信号。

其协同工作模式下：

GPS相位差分测量航向：每台A型手持机通过WIFI/ZigBee自组网自动连续发送自身的GPS信息、自动接收其它手持机发来的GPS信息(收发同步)并据此自动解算出自身的实时航向数据。测量精度与两台手持机之间的距离(基线长)相关：基线长2米时测量误差为0.1度，基线长20米时测量误差为0.01度，依此类推。基线长等于或大于200米时测量误差为0.001度。使用GPS相位差分方法测量航向角不受磁干扰的影响，可在各种强磁干扰环境中正常工作，获取高精度的航向角数据。

横滚、仰俯数据测量：加速度感测单元63测定横滚、仰俯数据。

在WIFI/ZigBee自组网或当地参考站的支持下实现分米级精度的GPS差分定位。GPS观测环境：可收到4颗以上的GPS卫星信号。

B型

B型手持机采用一个GPS模块8(或双GPS模块8)、两个中心距为20cm的GPS天线9、加速度感测单元63配合。

其独立工作模式下：

GPS相位差分测量航向：在没有WIFI、ZigBee自组网或当地参考站支持的情形下，B型手持机可独立完成航向角数据的测量，不受磁干扰的影响，可在各种强磁干扰环境中正常工作，获取测量误差为0.5度左右的航向角数据。

横滚、仰俯数据测量：加速度感测单元63测定横滚、仰俯数据。

GPS定位：亚米级精度的GPS定位。

GPS观测环境：可收到4颗以上的GPS卫星信号。

其协同工作模式下：

GPS相位差分测量航向：与A型手持机的协同工作模式相同。

横滚、仰俯数据测量：加速度感测单元63测定横滚、仰俯数据。

GPS定位：在WIFI/ZigBee自组网的支持下实现分米级精度的GPS差分定位。

GPS观测环境：可收到4颗以上的GPS卫星信号。

C型

C型手持机采用一个光纤陀螺或微机械陀螺14、一个GPS模块8(或双GPS模块8)、两个中心距为20cm的GPS天线9、一个加速度感测单元63配合。

其独立工作模式下：

航向测量：在没有WIFI/ZigBee自组网和当地参考站支持的情形下，C型手持机可独立完成航向角测量，不受磁干扰的影响，可在各种强磁干扰环境中正常工作，同时获取两组航向角数据：(1)获取测量误差为0.5度左右的基于GPS相位差分的航向角数据；(2)获取测量误差小于或等于0.1度的基于光纤陀螺或微机械陀螺的航向角数据。

横滚、仰俯数据测量：加速度感测单元63测定横滚、仰俯数据

GPS定位：误差小于或等于1.5M的GPS单点定位，或利用当地的参考站(如Cors网)差分定位达到分米级精度。

GPS观测环境：可收到4颗以上的GPS卫星信号。

微机械陀螺辅助定位定姿：以最近接收到的GPS信号为基准，通过微机械陀螺仪测得手持机的角速度，通过高速处理单元算出手持机的三维位置、速度和姿态，为手持机处于以下状态时提供短时间的定位定姿服务：GPS信号受地形影响淹没、建筑物密集的市区、无信号的室内或地铁中、载体做大机动运动时，可能出现的GPS信号错误而不能满足实施要求等。当GPS信号恢复正常时，手持机自动回复到用GPS和加速度感测芯片联合定位定姿的工作常态。

其协同工作模式下：

GPS相位差分测量航向：与A型手持机的协同工作模式相同。

横滚、仰俯数据测量：加速度感测单元63测定横滚、仰俯数据。

GPS定位：在WIFI/ZigBee自组网的支持下实现分米级精度的GPS差分定位。

GPS观测环境：可收到4颗以上的GPS卫星信号。

Claims (10)

1.遥感遥测手持机，其特征在于，包括：安装在机壳(1)内的电路板(2)、电路板插接件(3)和安装在机壳(1)外的图像采集系统(4)组成；所述电路板(2)由各单元模块焊接组成，包括高速处理单元(5)，以及与之连接的三维姿态感测模块(6)、激光测距模块(15)、显示模块(7)、GPS模块(8)、GPS天线(9)、通信模块(10)、图像接收模块(11)、电源管理模块(12)、多路接口(13)；所述电源管理模块(12)连接上述其他模块的电源输入端；所述电路板插接件(3)插接在电路板(2)上；所述图像采集系统(4)包括安装在图像接收模块(11)上的多路接口(13)以及与多路接口(13)连接的光学镜头(16)和红外/微光夜视仪(17)。

2.根据权利要求1所述的遥感遥测手持机，其特征在于：所述高速处理单元(5)由CPU、系统内存SDRAM、系统闪存Nand Flash组成最小处理单元，所述高速处理单元(5)选用嵌入式ARM内核的高速CPU芯片。

3.根据权利要求1所述的遥感遥测手持机，其特征在于：遥感遥测手持机还包括：存储器接口单元(20)、扩展存储器单元(21)、语音通话单元(22)，以上三单元均与高速处理单元(5)连接。

4.根据权利要求1所述的遥感遥测手持机，其特征在于：所述通信模块(10)包括2.5G、3G、WIFI/ZigBee、蓝牙等现有通讯方式的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1所述的遥感遥测手持机，其特征在于：所述三维姿态感测模块(6)包括模块内电源电路(61)、微控制器单元(62)、加速度感测单元(63)、磁通感测单元(64)，其中模块内电源电路(61)连接上述三个单元，微控制器单元(62)连接加速度感测单元(63)和磁通感测单元(64)。

6.根据权利要求1所述的遥感遥测手持机，其特征在于：所述显示模块(7)包括LCD触摸显示屏(18)和显示芯片(19)，显示芯片(19)安装在电路板(2)上，LCD触摸显示屏(18)安装在机壳(1)上，LCD触摸显示屏(18)和显示芯片(19)通过排线连接。

7.遥感遥测手持机，其特征在于：分类方法是：按照其定位定姿原理、使用环境和用途不同进行分类，可分为三种类型(A型、B型、C型)，每种类型均包含两种工作模式：独立工作模式、协同工作模式。

8.根据权利要求7所述的遥感遥测手持机，其特征在于：所述A型手持机采用单GPS模块(8)、单GPS天线(9)、磁通感测单元(64)、加速度感测单元(63)配合。

9.根据权利要求7所述的遥感遥测手持机，其特征在于：所述B型手持机采用一个GPS模块(8)/或双GPS模块(8)、两个中心距为20cm的GPS天线(9)、加速度感测单元(63)配合。

10.根据权利要求7所述的遥感遥测手持机，其特征在于：所述C型手持机采用一个光纤陀螺或微机械陀螺(14)、一个GPS模块(8)/或双GPS模块(8)、两个中心距为20cm的GPS天线(9)、一个加速度感测单元(63)配合。

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