CN104237922A - 一种gnss/imu一体化无人机测绘的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS/IMU一体化无人机测绘方法和系统，通过将GNSS系统和IMU系统进行一体化整合安装在无人机上，并在测绘地区设置一个地面静态GNSS基站，实现了地面静态GNSS基站参数、机载GNSS终端参数和无人机IMU参数的同步采集和记录，并将上述参数导入到常规的无人机测绘软件进行自动化处理，达到了无人机测绘成像精度要求，解决了在山地、丘陵等地形恶劣区开展无人机测绘无法通过设置地面控制点保障测绘精度的问题。

Description

一种GNSS/IMU一体化无人机测绘的方法和系统
技术领域
本发明涉及小型无人机测绘技术，尤指一种GNSS/IMU一体化无人机测绘的方法和系统。
背景技术
目前，无人机测绘是测绘领域较为常用的技术手段。由于无人机平台稳定性较之大型飞机差，因此无人机测绘十分依赖于地面控制点的布设，对其应用区域造成了很大限制，尤其是在多山、林密的地区，地形艰险，地面控制点采集人员无法到达采集地区，导致成图的精度难以满足测绘工程需要。随着全球定位技术与惯性导航技术的迅速发展，以及无人机机载GNSS(Global Navigation Satellite System；全球卫星导航系统)/IMU(Inertial MeasurementUnit；惯性测量单元)设备的研究与应用，利用这些新技术可以支持无人机平台获取到更为精确的航片定位数据，并记录外方位元素。尤其是在地形复杂区域利用小型无人机进行测绘时，利用以上数据可以实现减少地面控制点甚至无地面控制点的无人机测绘工作，能有效减少外业作业的工作量，提高系统的作业效率，缩短测绘周期。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种高精度的无人机测绘方法。本发明的第二目的在于提供一种实现上述方法的系统。
为实现上述目的，一种GNSS/IMU一体化无人机测绘方法，其特征在于，所述方法包括：
1)根据测绘区域的形状和面积，设置地面静态GNSS基站，用于记录无人机飞行时的GPS数据；
2)对机载GNSS终端进行校准，确保机载GNSS终端与所述静态GNSS基站的数据同步记录；
3)将所述机载GNSS终端与无人机IMU一体化安装，并定义接口文件规范；
4)利用无人机对所述测绘区域进行影像拍摄，并实时记录及存储拍照曝光点的机载GNSS终端参数和无人机IMU参数；
5)影像拍摄结束后，收集地面静态GNSS基站参数、拍照曝光点的机载GNSS终端参数和无人机IMU参数，并对收集的参数进行解算，从而得出拍照曝光点位置信息；
6)根据所述曝光点位置信息对所述拍摄影像进行拼接。
进一步，步骤2)中所述机载GNSS终端与所述静态GNSS基站的数据同步记录的时间阈值在1ms以内。
进一步，步骤3)中所述接口文件规范为：以机载GNSS终端与无人机IMU为参考基准，通过在所述相机传感器间设置误差配准模型，将所述机载GNSS终端、无人机IMU和所述相机传感器规算到同一个绝对参考坐标系。
进一步，所述拍照曝光点的机载GNSS终端参数、无人机IMU参数和所述地面静态GNSS基站的数据为同步采集和存储。
一种实施上述方法的无人机测绘系统，包括：地面静态GNSS基站、图像采集设备、机载GNSS终端、无人机IMU、控制单元和存储装置；
所述地面静态GNSS基站用于记录无人机飞行时的GPS数据；
所述图像采集设备用于在无人机飞行中采集图像，并在采集图像时将所述图像采集设备的曝光点信息发送至控制单元；
所述机载GNSS终端用于采集无人机飞行时的GPS数据，并将所述GPS数据发送至控制单元；
所述无人机IMU用于采集无人机飞行时的IMU数据，并将所述IMU数据发送至控制单元；
所述控制单元用于接收所述曝光点信息、GPS数据和IMU数据，并在接收到所述曝光点信息时记录机载GNSS终端的无人机的GPS数据和IMU数据；并将所述GPS数据和IMU数据发送至存储装置。
进一步，所述地面静态GNSS基站记录的无人机GPS信息、所述机载GNSS终端采集的无人机GPS信息和所述IMU数据通过无人机数据处理软件进行解算，得出所述图像采集设备拍照曝光点位置信息，并根据所述曝光点位置信息对所述拍摄影像进行拼接。
本发明通过将应用于大飞机航测的GNSS/IMU技术首次应用在无人机上，通过提高飞机GNSS系统精度，增加地面静态GNSS接收站的方法来取代人工采集像控点的方法；突破了建立地面静态GNSS站点和机上的动态GNSS点和飞行姿态数据准确信息关联性的难点，进而解决了无人机测绘后期依赖人工采集像控进行成图校正的精度低的问题，解决了利用少量地面控制点实现了高精度无人机测绘的行业难题，并在实际应用中验证了系统精度。
附图说明
图1为本发明方法的具体实施方式流程图；
图2为本发明无人机GNSS/IMU一体化系统各部分的连接示意图；
具体实施方式
GNSS定位技术与惯性导航技术(IMU)是无人机系统实现减少地面控制点甚至无地面控制点要求的核心技术。在大飞机航测领域，基于IMU/DGNSS(差分定位系统)集成的POS定位定向技术在这一背景下得到充分重视和发展,POS系统和数字航空摄影仪的集成已成为航空摄影测量必不可少的方式,它可以进行直接地理定位,实现无地面控制点直接定向安置测图。而在无人机领域，POS系统获取的位置和姿态参数存在系统误差,而且这些定位定向参数并不是航空像片的外方位元素,需要根据航摄系统和POS系统的空间位置关系进行转换,需要对集成系统各项误差进行检校补偿。
本发明将GNSS设备与无人机IMU设备进行一体化整合，确保其数据采集的精确同步；同时采取在测区搭建GNSS基站的方式，大幅提高机载GNSS系统的定位精度，使飞机姿态数据与地理空间数据紧密关联，从而有效提高在无控制点情况下的自动测图精度。
为更进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图，对本发明作详细说明。
如图1所示，该发明的GNSS/IMU一体化无人机测绘方法的具体实施步骤如下：
1)根据测绘区域的形状和面积，设置地面静态GNSS基站，用于记录无人机飞行时的GPS数据；一般根据测绘区域的形状和面积等因素，在测绘区域中间位置布置一个静态的GNSS基站；
2)对机载GNSS终端进行校准，确保机载GNSS终端与所述静态GNSS基站的数据同步记录，二者信号实现实时同步，时间阈值在1ms以内；
3)将所述机载GNSS终端与无人机IMU一体化安装，并定义接口文件规范；以机载GNSS终端与无人机IMU为参考基准，通过在所述相机传感器间设置误差配准模型，将所述机载GNSS终端、无人机IMU和所述相机传感器规算到同一个绝对参考坐标系；
4)利用无人机对所述测绘区域进行影像拍摄，并实时记录及存储拍照曝光点的机载GNSS终端参数和无人机IMU参数；
5)影像拍摄结束后，收集地面静态GNSS基站参数、拍照曝光点的机载GNSS终端参数和无人机IMU参数，并对收集的参数进行解算，从而得出拍照曝光点位置信息；其中，拍照曝光点的机载GNSS终端参数、无人机IMU参数和地面静态GNSS基站的数据为同步采集和存储；最大限度的缩小时间误差，保证测绘精度；解算的过程为：将采集的地面静态GNSS基站参数、拍照曝光点的机载GNSS终端参数和无人机IMU参数分别导入到专用的无人机数据处理软件，通过软件进行解算，得出精确的无人机空间信息坐标数据；
6)根据解算出的无人机空间信息坐标数据对拍摄的图片进行处理。
如图2所示，实施本发明方法的无人机测绘系统包括：地面静态GNSS基站、图像采集设备、机载GNSS终端、无人机IMU、控制单元和存储装置；
地面静态GNSS基站用于记录无人机飞行时的GPS数据；
图像采集设备用于在无人机飞行中采集图像，并在采集图像时将图像采集设备的曝光点信息发送至控制单元；以便控制单元记录曝光点的机载GNSS终端和无人机IMU参数；
机载GNSS终端用于采集无人机飞行时的GPS数据，并将GPS数据发送至控制单元；
无人机IMU用于采集无人机飞行时的IMU数据，并将IMU数据发送至控制单元；
控制单元用于接收所述曝光点信息、GPS数据和IMU数据，并在接收到曝光点信息时记录机载GNSS终端的无人机的GPS数据和IMU数据；并将GPS数据和IMU数据发送至存储装置。
其中，地面静态GNSS基站记录的无人机GPS信息、机载GNSS终端采集的无人机GPS信息和IMU数据通过无人机数据处理软件进行解算，得出图像采集设备拍照曝光点位置信息，并根据曝光点位置信息对所述拍摄影像进行拼接。
申请人在广州光谷地区开展无人机航摄测试。测试区域：广州光谷，以黄埔大桥西区域，约1.4平方公里范围作为测试区域，区域内包含农田、城中村、高架桥、商业广场、道路等多种地形；无人机飞行航高400米，飞行航线14条，像片700张，共计实地测量像控点140个作为检核点。
检核点精度统计表如下：
测试结论：
平面中误差0.180米，高程中误差0.260米。
根据无人机测绘标准要求，本发明的GNSS/IMU一体化无人机测绘方法和系统方法达到1：1000成图要求，符合无人机测绘精度要求。
本发明采用了轻量化的GPS接收系统、高速微芯片技术、电子轻量化的姿态传感器，降低了系统的整体质量，将本不可能用在无人机测绘领域的GNSS/IMU一体化技术应用于无人机测绘领域，且设置了地面静态的GNSS基站，进一步提高了测绘的精度，节省了在常规无人机测绘领域需要人工到测区采集校正点校正拼图误差的工作，不仅降低了成本，而且大大提高了工作效率，大幅度降低了无人机测绘时户外作业人员的工作量；解决了在山地、丘陵等地形恶劣区域开展无人机测绘无法通过设置地面控制点保障测绘精度的难题。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种GNSS/IMU一体化无人机测绘方法，其特征在于，所述方法包括：
1）根据测绘区域的形状和面积，设置地面静态GNSS基站，用于记录无人机飞行时的GPS数据；
2）对机载GNSS终端进行校准，确保机载GNSS终端与所述静态GNSS基站的数据同步记录；
3）将所述机载GNSS终端与无人机IMU一体化安装，并定义接口文件规范；
4）利用无人机对所述测绘区域进行影像拍摄，并实时记录及存储拍照曝光点的机载GNSS终端参数和无人机IMU参数；
5）影像拍摄结束后，收集地面静态GNSS基站参数、拍照曝光点的机载GNSS终端参数和无人机IMU参数，并对收集的参数进行解算，从而得出拍照曝光点位置信息；
6）根据所述曝光点位置信息对所述拍摄影像进行拼接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中所述机载GNSS终端与所述静态GNSS基站的数据同步记录的时间阈值在1ms以内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3）中所述接口文件规范为：以机载GNSS终端与无人机IMU为参考基准，通过在所述相机传感器间设置误差配准模型，将所述机载GNSS终端、无人机IMU和所述相机传感器规算到同一个绝对参考坐标系。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拍照曝光点的机载GNSS终端参数、无人机IMU参数和所述地面静态GNSS基站的数据为同步采集和存储。
5.一种实施权利要求1-4任一项所述方法的无人机测绘系统，其特征在于，所述系统包括：地面静态GNSS基站、图像采集设备、机载GNSS终端、无人机IMU、控制单元和存储装置；
所述地面静态GNSS基站用于记录无人机飞行时的GPS数据；
所述图像采集设备用于在无人机飞行中采集图像，并在采集图像时将所述图像采集设备的曝光点信息发送至控制单元；
所述机载GNSS终端用于采集无人机飞行时的GPS数据，并将所述GPS数据发送至控制单元；
所述无人机IMU用于采集无人机飞行时的IMU数据，并将所述IMU数据发送至控制单元；
所述控制单元用于接收所述曝光点信息、GPS数据和IMU数据，并在接收到所述曝光点信息时记录机载GNSS终端的无人机的GPS数据和IMU数据；并将所述GPS数据和IMU数据发送至存储装置。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述地面静态GNSS基站记录的无人机GPS信息、所述机载GNSS终端采集的无人机GPS信息和所述IMU数据通过无人机数据处理软件进行解算，得出所述图像采集设备拍照曝光点位置信息，并根据所述曝光点位置信息对所述拍摄影像进行拼接。
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