CN103888738B - 一种多源多面阵无人车gis数据采集平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源多面阵无人车GIS数据采集平台，包括移动运载云台、多源多面阵传感器、定位定姿及其控制模块和供电装置。利用支撑杆和支撑平台将多源多面阵旋转云台安装在无人电动车上，通过遥控进行移动测量。平台在数据采集时可任意调节摄影基线，并能在近似半球的区域内360°灵活旋转作业。多面阵云台的特殊布置结构为等边三角形，在等边三角形的三个端点处放置普通相机，在等边三角形三心合一的位置放置单反相机，其最大优点是可同时提高数据处理的自动化和精度。另设一个Kinect相机，便构成多源传感模式并结合DGPS/IMU可进行GIS数据同步采集。本发明具有科学灵活、精确度高、适应性强、高效可靠且性价比高等优点，能极大提高数据采集与后处理效率。

Description

一种多源多面阵无人车GIS数据采集平台

技术领域

本发明属于测绘地理信息领域，涉及一种多源多面阵无人车GIS数据采集平台。

背景技术

当前，智慧城市的建设正在如火如荼的进行着。如何快速、经济、精确的获取地理空间信息，特别是高分辨率、高精度的三维地理信息是建立智慧城市中数字城市的关键基础。传统的基于航空航天遥感平台无法获得完整的建筑物几何信息，对于城市高层建筑遮挡区、高层建筑物立面，以及城市和众多工程建设所需的高精度的三维测量等问题仍未得到解决。车载移动测量系统（MMS:Mobile Mapping System）作为陆基数据获取平台中的一种，能够快速地获取地理空间信息，在数字地球建设的推进过程中产生了积极的作用，大大提高了数字三维建模的效率。但目前的车载移动测量系统还存在以下问题：

1）灵活性问题。支撑架和目标物的成像设备基本上都固定了位置和方向，不能轻易变动和调整；

2）精度问题。由于成像设备位置的固定性，给物体的摄影基线带来了局限性，故拍摄的视场角受到了限制，导致三维测图精度下降；此外，目前的车载移动测量系统使用的摄像系统一般都只采用CCD相机（例如Google公司车队获取的Street View360°全景数据），运用多源相机传感器来获取影像数据，增加红外波段和结构光等信息，使得拍摄数据更加丰富，从而提升测图精度和可靠性；

3）检校和适应性问题。传统的车载移动测量系统结构复杂，检校比较困难且费时，而且由于体积较大，在一些特殊环境下的应用并不适合，比如室内场景中三维建模的数据采集；

4）价格问题。由于硬件的组成大多都是应用当前最先进的设备和模块（例如：Lidar激光雷达），所以整个系统的总成本很昂贵，国内外系统的价格均上百万元。

以上问题在一定程度上制约着移动测量中测图的工作效率。

发明内容

本发明针对上所述的车载移动测量系统存在的问题，提出并实现了一种多源多面阵无人车GIS数据采集平台。

本发明所采用的技术方案是：一种多源多面阵无人车GIS数据采集平台，包括移动运载云台、多源多面阵传感器、定位定姿及其控制模块和供电装置；其特征在于：所述的移动运载云台由一台无人遥控电动车、支撑系统、360°多源多面阵传感器旋转云台和无线遥控器组成，所述的支撑系统设置在无人遥控电动车上，所述的360°多源多面阵传感器旋转云台可旋转地设置在所述的支撑系统上，所述的无线遥控器通过无线发射电路实现对所述的无人遥控电动车在数据采集时的行径的路线和方向进行控制；所述的多源多面阵传感器由一个单镜头反光照相机、三个普通数码相机和一个Kinect相机组成的多面阵相机构成，所述的三个普通数码相机成等边三角形布设在所述的360°多源多面阵传感器旋转云台上，所述的单镜头反光照相机设置在所述的360°多源多面阵传感器旋转云台中部、位于上述等边三角形的中心位置，所述的Kinect相机设置在所述的360°多源多面阵传感器旋转云台下部；所述的定位定姿及其控制模块与所述的多源多面阵传感器连接，用于控制并测定所述的多源多面阵传感器的位置和姿态信息；所述的供电装置与定位定姿及其控制模块的定位定姿模块连接，用于对定位定姿模块提供电力。

作为优选，所述的无人遥控电动车主要材料采用PP料、PE料和塑胶，大小规格为108*67*77cm。

作为优选，所述的支撑系统由四根伸缩式铝合金支撑架和一个木制矩形平台组成，所述的四根伸缩式铝合金支撑架下端成矩形设置在所述的无人遥控电动车上，上端与所述的木制矩形平台下表面连接。

作为优选，所述的伸缩式铝合金支撑架的伸缩范围为50～80cm。

作为优选，所述的木制矩形平台的规格为118*71*2cm。

作为优选，所述的360°多源多面阵传感器旋转云台的下部基座通过圆台转盘与所述的支撑系统可旋转地连接、上部设置有云台成像固定架，所述的云台成像固定架由铝合金方管、铝合金面板和含4个相机支撑平台构成、呈等边三角形布局，所述的单镜头反光照相机和三个普通数码相机分别设置所述的云台成像固定架的4个相机支撑平台上，所述的Kinect相机设置所述的下部基座上。本多源多面阵传感器旋转云台考虑到物体拍摄影像的丰富性和完整性，圆台转盘以及云台成像固定架可以在近似半球的区域内360°自由旋转，增加了摄影方式的灵活性、方便性和多样性。与已有的云台相比，其主要特色在于云台成像固定架呈等边三角形布局，4个相机布置于等边三角形的三个端点和中心位置，通过调节可以保证各个相机镜头的中心也满足此关系，从而保证最佳成像视角。其设计独特的原理和特点为：同时兼顾摄影测量精度和自动化程度两个方面，通过多目视觉中的长基线增大交汇角来提升测图精度。另外，通过三角形三个顶点的相机与三角形中心点的相机采用短基线布局的设计，使影像间过渡平缓，从而减少影像间的几何变形（例如：视差的断裂、突变和不连续），便于数据处理的自动化。

作为优选，所述的4个相机支撑平台中的位于三个角端的3个相机支撑平台的高度是可调节式的。

作为优选，所述的圆台转盘为铝合金材质或木质材质。

作为优选，所述的定位定姿及其控制模块包括上位机模块和四个DGPS/IMU模块，所述的四个DGPS/IMU模块分别设置在所述的三个普通数码相机下部和单镜头反光照相机上部，所述的上位机模块包括设置子模块和数据收发及显示子模块，利用上位机软件可在计算机上对DGPS/IMU模块进行时间间隔控制规划、传输存储等操作，由于DGPS/IMU模块获取了相机摄影瞬间的外方位元素，所以仅需少量控制点，便可对采集的GIS数据进行解算并完成相机的在线检校。DGPS/IMU模块通过无线网络与所述的上位机模块进行数据交换。

作为优选，所述的供电装置由四块太阳能移动电源组成，用于将太阳能转换为电能以后存储在蓄电池里面，是具有节能环保性质的新型电源，轻便且体积小，便于移动车携带。太阳能移动电源的输出接口为USB模式，与所需供电的DGPS/IMU模块匹配进行供电。

本发明的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，与现有的技术相比，有以下有益效果：科学灵活、精确度高、适用性强、高效可靠且性价比极高，可大大提高数据采集和后续处理的工作效率。

附图说明

图1：为本发明实施例的结构原理图。

图2：为本发明实施例的结构图。

图3：为本发明实施例的正视图。

图4：为本发明实施例的侧视图。

图5：为本发明实施例的俯视图。

其中，1-无人遥控电动车，2-支撑系统，201-伸缩式铝合金支撑架，3-木制矩形平台，4-圆台转盘，5-360°多源多面阵传感器旋转云台，501-下部基座，6-Kinect相机，7-单镜头反光照相机，8-普通数码相机，9-DGPS/IMU模块，10-太阳能移动电源，11-相机支撑平台。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2、图3、图4和图5，本发明所采用的技术方案是：一种多源多面阵无人车GIS数据采集平台，包括移动运载云台、多源多面阵传感器、定位定姿及其控制模块和供电装置；移动运载云台由一台无人遥控电动车1、支撑系统2、360°多源多面阵传感器旋转云台5和无线遥控器组成，无人遥控电动车1主要材料采用PP料、PE料和塑胶，大小规格为108*67*77cm；支撑系统2由四根伸缩式铝合金支撑架201和一个木制矩形平台3组成，四根伸缩式铝合金支撑架201下端成矩形设置在无人遥控电动车1上，上端与木制矩形平台3下表面连接；伸缩式铝合金支撑架201的伸缩范围为50～80cm；木制矩形平台3的规格为118*71*2cm；支撑系统2设置在无人遥控电动车1上，无线遥控器通过无线发射电路实现对无人遥控电动车1在数据采集时的行径的路线和方向进行控制；多源多面阵传感器由一个单镜头反光照相机7、三个普通数码相机8和一个Kinect相机6组成的多面阵相机构成，多源多面阵传感器旋转云台5的下部基座501通过圆台转盘4与支撑系统2可旋转地连接、上部设置有云台成像固定架，云台成像固定架由铝合金方管、铝合金面板和含4个相机支撑平台11构成、呈等边三角形布局，三个普通数码相机8成等边三角形分别设置在云台成像固定架的3个相机支撑平台11上，单镜头反光照相机7设置在另一个云台成像固定架的相机支撑平台11上、位于上述等边三角形的中心位置，Kinect相机6设置下部基座501上；4个相机支撑平台11中的位于三个角端的3个相机支撑平台的高度是可调节式的；圆台转盘4为铝合金材质或木质材质；定位定姿及其控制模块包括上位机模块和四个DGPS/IMU模块，上位机模块包括设置子模块和数据收发及显示子模块，四个DGPS/IMU模块分别设置在三个普通数码相机8下部和单镜头反光照相机7上部、通过无线网络与上位机模块进行数据交换，用于控制并测定多源多面阵传感器的位置和姿态信息；供电装置由四块太阳能移动电源10组成，用于将太阳能转换为电能以后存储在蓄电池里面，所述的供电装置与定位定姿及其控制模块的定位定姿模块9连接，太阳能移动电源的输出接口为USB模式，与所需供电的DGPS/IMU模块匹配进行供电。

本系统在正式工作之前，首先需在便携机上利用上位机模块对DGPS/IMU模块9进行设置，主要设置数据采集时的时间间隔，时间间隔不宜过长也不宜过短，应与相机的拍摄时间同步，如此能保证各相机摄影瞬间外方位元素的准确性。

时间间隔设置完成后，对多源多面阵传感器进行上架工作，将电量充足的各相机依次放置在与之相对应的平台位置。接着，安装定位定姿及其控制模块，将定位定姿及其控制模块的数据采集开关调至关闭模式。

根据实际场景和实际需要，对拍摄高度和相机的基线进行调节。具体为将伸缩式铝合金支撑架201调节到需要拍摄的合理高度。接着，调节相机的基线，将相机支撑平台11调至合理位置。

基线调节完成后，根据需要调整多面阵传感器的视场方向，对多源多面阵传感器旋转云台5进行旋转调整，调整完成后将多源多面阵传感器旋转云台5固定。

此时，将各相机设置为摄影模式或者等时间间隔拍摄模式。完成后，利用太阳能移动电源10给DGPS/IMU模块9供电，DGPS功能模块开始工作，准备接收卫星信号，待整个DGPS/IMU模块9上的蓝灯开始闪烁时，定位定姿及其控制模块可以进行数据采集。至此，整个多源多面阵无人车GIS数据采集平台正式开始工作。

接着，将DGPS/IMU模块9上的数据采集开关调至开启模式，该模块开始采集位置信息和姿态信息，获取的数据存储于外置的内存卡中。开启后，使相机开始摄像，正式开始数据采集工作。无人遥控电动车1在无线遥控的控制下，在目标场地内开始启动并移动行走，进行GIS数据采集。DGPS/IMU模块9接收的卫星数据，包括80坐标下的经度、纬度、高程（单位：米）等三维空间位置信息和年、月、日、时、分、秒等时间信息，还包括摄影瞬间的姿态角度ω、κ（单位：度），存储于DGPS/IMU模块9内置的内存卡上。相机获取物体的影像数据包括CCD影像、红外影像和深度影像的多源数据，存储于相机内部存储卡中。

对所需地物数据采集完成后，关闭相机和DGPS/IMU模块9的数据采集开关。

数据的后处理，由于数据采集的过程中不确定性，难免会出现拍摄瞬间的影像和DGPS/IMU模块9获取的位置和姿态信息不能完全同步引起的误差。此时，在DGPS/IMU模块9获取的时间点附近来搜索邻近帧的影像（若为摄像模式），将最优影像提取出来进行后续处理。倘若是由于DGPS/IMU模块9不能获取信号而引起的不同步，则采用插值推估出抽取影像的外方位元素完成同步处理工作，并利用近景摄影测量理论和方法进行后续测图和三维建模处理。

尽管本文较多地使用了无人遥控电动车1，支撑系统2，伸缩式铝合金支撑架201，木制矩形平台3，圆台转盘4，360°多源多面阵传感器旋转云台5，下部基座501，Kinect相机6，单镜头反光照相机7，普通数码相机8，DGPS/IMU模块9，太阳能移动电源10，相机支撑平台11等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质特征，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种多源多面阵无人车GIS数据采集平台，包括移动运载云台、多源多面阵传感器、定位定姿及其控制模块和供电装置；其特征在于：所述的移动运载云台由一台无人遥控电动车（1）、支撑系统（2）、360°多源多面阵传感器旋转云台（5）和无线遥控器组成，所述的支撑系统（2）设置在无人遥控电动车（1）上，所述的360°多源多面阵传感器旋转云台（5）可旋转地设置在所述的支撑系统（2）上，所述的无线遥控器通过无线发射电路实现对所述的无人遥控电动车（1）在数据采集时的行径的路线和方向进行控制；所述的多源多面阵传感器由一个单镜头反光照相机（7）、三个普通数码相机（8）和一个Kinect相机（6）组成的多面阵相机构成，所述的三个普通数码相机（8）成等边三角形布设在所述的360°多源多面阵传感器旋转云台（5）上，所述的单镜头反光照相机（7）设置在所述的360°多源多面阵传感器旋转云台（5）中部、位于上述等边三角形的中心位置，所述的Kinect相机（6）设置在所述的360°多源多面阵传感器旋转云台（5）下部；所述的定位定姿及其控制模块与所述的多源多面阵传感器连接，用于控制并测定所述的多源多面阵传感器的位置和姿态信息；所述的供电装置与定位定姿及其控制模块的定位定姿模块（9）连接，用于对定位定姿模块（9）提供电力；

所述的360°多源多面阵传感器旋转云台（5）的下部基座（501）通过圆台转盘（4）与所述的支撑系统（2）可旋转地连接、上部设置有云台成像固定架，所述的云台成像固定架由铝合金方管、铝合金面板和4个相机支撑平台（11）构成、呈等边三角形布局，所述的单镜头反光照相机（7）和三个普通数码相机（8）分别设置所述的云台成像固定架的4个相机支撑平台（11）上，所述的Kinect相机（6）设置所述的下部基座（501）上。

2.根据权利要求1所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的无人遥控电动车（1）主要材料采用PP料、PE料和塑胶，大小规格为108*67*77cm。

3.根据权利要求1所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的支撑系统（2）由四根伸缩式铝合金支撑架（201）和一个木制矩形平台（3）组成，所述的四根伸缩式铝合金支撑架（201）下端成矩形设置在所述的无人遥控电动车（1）上，上端与所述的木制矩形平台（3）下表面连接。

4.根据权利要求3所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的伸缩式铝合金支撑架（201）的伸缩范围为50~80cm。

5.根据权利要求3所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的木制矩形平台（3）的规格为118*71*2cm。

6.根据权利要求1所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的4个相机支撑平台（11）中位于三个角端的3个相机支撑平台（11）的高度是可调节式的。

7.根据权利要求1所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的圆台转盘（4）为铝合金材质或木质材质。

8.根据权利要求1所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的定位定姿及其控制模块包括上位机模块和四个DGPS/IMU模块，所述的上位机模块包括设置子模块和数据收发及显示子模块，所述的四个DGPS/IMU模块分别设置在所述的三个普通数码相机（8）下部和单镜头反光照相机（7）上部，通过无线网络与所述的上位机模块进行数据交换。

9.根据权利要求1所述的多源多面阵无人车GIS数据采集平台，其特征在于：所述的供电装置由四块太阳能移动电源（10）组成，用于将太阳能转换为电能以后存储在蓄电池里面，所述的太阳能移动电源（10）的输出接口为USB模式，与所述的定位定姿模块（9）匹配进行供电。