CN106043721A - 一种直升机激光雷达吊舱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机激光雷达吊舱，所述吊舱安装于直升机的机头挂架处，吊舱上部的直升机吊架通过航空螺栓与所述直升机的吊架连接，并由航空防松螺母可靠固定；所述吊舱的外壳由吊舱整流罩、四面弧形围壳和底面支撑板形成流线型的外形；所述吊舱的吊装板和四个适合悬吊安装的六维等刚度减振器形成内置的减振结构；所述吊舱的激光扫描仪、数字相机和惯性导航模块由传感器支撑结构刚性固联。该激光雷达吊舱既保证了吊舱的多种传感器刚性连接和坐标转换关系固定，又减小了因飞行平台振动和风阻变化引起的设备抖动，从而提高了传感器的数据采集精度。

Description

一种直升机激光雷达吊舱

技术领域

本发明涉及激光雷达测量技术领域，尤其涉及一种在航空遥感及电力巡线中使用的直升机激光雷达吊舱。

背景技术

在直升机航空遥感中,激光雷达作为高效、高精度的航测传感器逐渐得到广泛使用。对于高压输变电线路巡检，由于其三维测量精度高和测量点密度大，机载激光雷达能够快速高效地获取电力线路及沿线周边的高精度激光点云数据，可以定点、定量化评估电力线、塔架及周边建筑和植被的空间形态和三维关系。

目前的电力巡线机载激光雷达的吊舱结构与直升机型号尺寸相关，仅适用于特定型号的直升机。一方面，由于该激光雷达吊舱集成度低、尺寸大，安装定位只能通过两侧吊耳和尾部插针悬挂在直升机腹部，造成风阻系数大，从而影响使用和操控性能；另一方面，吊装在直升机腹部，与地面安全距离短，飞机起飞降落过程中高速气流携带颗粒污染甚至损伤传感器镜头和空速管气孔。另外，激光雷达吊舱内激光扫描仪和相机等传感器之间由于没有固联的支撑结构，飞机平台的运动和振动会引起吊舱内传感器间相对运动，无法精确标定传感器之间的空间关系，降低了传感器空间信息获取的精度。因此，当前的吊舱结构不能获得高精度的空间信息产品，也无法实现各种直升机平台应用的通用化。

发明内容

本发明的目的是提供一种通用的直升机激光雷达吊舱，该吊舱可以搭载各类直升机平台，实现高质量、高精度的激光雷达、航空数字影像等空间数据获取，有效提高航空测绘作业效能。

一种直升机激光雷达吊舱，所述吊舱包括适用于直升机连接的直升机吊架、减振结构、气动外形结构、传感器支撑结构和吊舱传感器，其中：

所述直升机吊架位于所述吊舱的上部，所述吊舱安装在直升机的机头挂架处或悬吊于直升机侧面或腹部的载荷挂钩处；

所述减振结构位于直升机吊架之下，由吊装板、减振器和整流罩组成，为所述吊舱提供减振；

所述气动外形结构经四个弧面壳体与吊舱内部框架连接，形成流线型的气动外形结构；

所述传感器支撑结构将所述吊舱内部框架与传感器设备固联，形成传感器设备标定的基准，保证不同传感器采集的数据，转换到统一的传感器支撑结构形成的设备坐标系；

所述吊舱传感器包括激光扫描仪、数字相机、惯导模块、空速传感器及温湿度测量单元，用于获取激光点云、数字影像、GPS、姿态、风速、温湿度等测量数据。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述结构的激光雷达吊舱具有如下优点：

1)以传感器支撑结构为基准，构建了传感器统一设备坐标系，利于精确标定传感器之间的空间关系，提高了系统空间数据获取精度；

2)采用低阻气动外形结构，重量轻，对飞行操控影响小；

3)吊舱与直升机吊架简便、可靠连接，易于安装和拆卸；该吊舱结构便于数字相机数据卡的插拔，提高了灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供直升机激光雷达吊舱的整体外形图；

图2为本发明实施例所提供直升机激光雷达吊舱的各部件分解结构示意图；

图3为本发明实施例所提供直升机激光雷达吊舱的上部结构示意图；

图4为本发明实施例所提供直升机激光雷达吊舱的内部结构示意图；

图5为本发明实施例所提供直升机激光雷达吊舱的整体示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供直升机激光雷达吊舱的整体外形图；如图2为各部件分解结构示意图，结合图1和2，所述激光雷达吊舱包括适用于直升机连接的直升机吊架、减振结构、气动外形结构、传感器支撑结构和吊舱传感器设备，该吊舱所包含的主要部件有：直升机吊架1、吊装板2、减振器3、整流罩4、空速传感器5、感器支撑结构6、前壳7、数字相机8、航空快卸销9、惯导模块10、内部框架11、激光扫描仪12、后壳13和侧壳14，具体各部分的连接关系为：

所述直升机吊架1位于直升机激光雷达吊舱的上部，所述吊舱可以安装在直升机的机头挂架处，或悬吊于直升机侧面或腹部的载荷挂钩处；

所述减振结构位于直升机吊架之下，由吊装板2、减振器3和整流罩4组成，为激光雷达吊舱提供减振；

所述吊舱气动外形及减振结构经四个弧面壳体(前壳7、侧壳13和后壳14)与吊舱内部框架连接，形成流线型的气动外形结构；

所述传感器支撑结构6将激光雷达吊舱内部框架11与传感器设备固联，形成传感器设备标定的基准，保证不同传感器采集的数据，转换到统一的传感器支撑结构形成的设备坐标系；

所述吊舱传感器包括激光扫描仪12、数字相机8、惯导模块10、空速传感器5及温湿度测量单元，用于获取激光点云、数字影像、GPS、姿态、风速、温湿度等测量数据。

如图3所示为本实施例提供的激光雷达吊舱上部结构示意图，所述吊舱上部的吊装板2通过航空螺栓15与直升机的吊架连接，并由航空防松螺母可靠固定；所述吊装板的下部安装有四个适合悬吊安装的六维等刚度减振器3，组成了所述吊舱的内部减振结构；所述吊装板的外侧为整流罩4，为减振结构和传感器提供良好的防护。

如图4所示为本实施例提供的激光雷达吊舱的内部结构示意图，所述吊舱的内部结构包括吊装板2、连接吊舱减振结构的螺栓16、传感器支撑结构6、数字相机8、惯性导航模块10和激光扫描仪12；所述传感器支撑结构作为传感器设备标定的基准，保证不同传感器采集的数据，转换到统一的设备坐标系；作为一种具体实施的示例，激光点云以传感器支撑结构为基准的设备坐标系到全局坐标系的转换步骤如下：

a)将原始激光雷达点云，利用成像模型和标定参数解算到传感器支撑结构为基准的设备坐标系；

b)将任意GPS时刻的设备坐标系激光点云数据转换到该时刻IMU坐标系，转换模型为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_{IUMi}\\ Y_{IMUi}\\ Z_{IMUi}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right]+R_{\mathrm{\Δ}h\mathrm{\Δ}p\mathrm{\Δ}r}\left[\begin{array}{c}{X}_{eq}\\ Y_{eq}\\ Z_{eq}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，ΔX、ΔY、ΔZ为GPS天线中心到IMU坐标原点的位移；R_ΔhΔpΔr为传感器支撑结构的设备坐标系到IMU坐标系转换的旋转矩阵；

c)将任意GPS时刻的IMU坐标系激光点云数据转换到北天东坐标系，转换过程为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_{NUEi}\\ Y_{NUEi}\\ Z_{NUEi}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_{GPSi}\\ Y_{GPSi}\\ Z_{GPSi}\end{array}\right]+R_{IMU}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right]+R_{IMU}{R}_{\mathrm{\Δ}h\mathrm{\Δ}p\mathrm{\Δ}r}\left[\begin{array}{c}{X}_{eq}\\ Y_{eq}\\ Z_{eq}\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，X_GPSi、Y_GPSi、Z_GPSi为任意时刻GPS测量坐标；R_IMU为对应时刻IMU测量的姿态角组成的旋转矩阵；

d)将北天东坐标系激光点云数据转换到国家2000坐标系/UTM坐标系。

作为一种具体实施的示例，影像数据以传感器支撑结构为基准的设备坐标系到全局坐标系的转换步骤如下：

1)通过数字相机成像的图像，以及单幅图像中布设的3个以上控制点，计算数字相机的外方位元素，解算模型为：

$x_i-x_0=-f\frac{a_1(X_i-X_s)+b_1(Y_i-Y_s)+c_1(Z_i-Z_s)}{a_3(X_i-X_s)+b_3(Y_i-Y_s)+c_3(Z_i-Z_s)}$

$y_i-y_0=-f\frac{a_2(X_i-X_s)+b_2(Y_i-Y_s)+c_2(Z_i-Z_s)}{a_3(X_i-X_s)+b_3(Y_i-Y_s)+c_3(Z_i-Z_s)}---\left(3\right)$

其中，X_i、Y_i、Z_i、x_i、y_i分别为地面控制点和对应的像点坐标；X_S、Y_S、Z_S、a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃分别为相机的外方位元素；

2)通过数字影像和激光雷达点云设备坐标系同名目标点坐标，定标解算数字相机与激光点云设备坐标系的转换参数，转换模型为：

其中，X_eqi、Y_eqi、Z_eqi为目标的激光点云坐标；X_imi、Y_imi、Z_imi为目标的影像解算坐标；ΔX、ΔY、ΔZ、Δω、Δκ为数字相机与激光点云设备坐标系的转换参数；

3)结合式(3)和式(4)，实现激光点云和数字影像的严格配准。

如图5所示为本实施例提供的激光雷达吊舱整体示意图，所述激光雷达吊舱通过直升机吊架1悬吊于直升机的机头挂架；吊舱前上部安装有空速传感器，用于测量飞行中的风速和风向，从而判断航速，确保飞行和起降安全；整流罩4和四个弧线壳体为激光雷达吊舱的传感器提供防护，降低了平台的风阻系数，减小飞行作业时吊架连接结构所承受的风推力；前壳7通过两个航空快卸销9与吊舱固定，当完成飞行时，将两个航空快卸销拔出，向下滑动前壳，可方便取出激光雷达吊舱中数字相机的数据卡。

另外，在所述激光雷达吊舱吊装板的两侧还设置有提梁，便于设备安装、运输。

所述激光雷达吊舱的内部集成了激光雷达、相机、惯导、GPS、空速传感器、温湿度计，可以同时获取激光雷达点云、数字影像、位置姿态等空间数据，具有极高的外场测绘作业效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种直升机激光雷达吊舱，其特征在于，所述吊舱包括适用于直升机连接的直升机吊架、减振结构、气动外形结构、传感器支撑结构和吊舱传感器，其中：

所述直升机吊架位于所述吊舱的上部，所述吊舱安装在直升机的机头挂架处或悬吊于直升机侧面或腹部的载荷挂钩处；

所述减振结构位于直升机吊架之下，由吊装板、减振器和整流罩组成，为所述吊舱提供减振；

所述气动外形结构经四个弧面壳体与吊舱内部框架连接，形成流线型的气动外形结构；

所述传感器支撑结构将所述吊舱内部框架与传感器设备固联，形成传感器设备标定的基准，保证不同传感器采集的数据，转换到统一的传感器支撑结构形成的设备坐标系；

所述吊舱传感器包括激光扫描仪、数字相机、惯导模块、空速传感器及温湿度测量单元，用于获取激光点云、数字影像、GPS、姿态、风速、温湿度等测量数据。

2.根据权利要求1所述直升机激光雷达吊舱，其特征在于，

所述直升机吊架由航空防松螺母可靠固定。

3.根据权利要求1所述直升机激光雷达吊舱，其特征在于，

所述减振结构的吊装板安装有四个适于悬吊的六维等刚度减振器，组成了减振的主体结构。

4.根据权利要求1所述直升机激光雷达吊舱，其特征在于，

所述传感器设备间的转换关系经一次标定完成后，标定参数多次作业可重复使用。

5.根据权利要求1所述直升机激光雷达吊舱，其特征在于，

所述数字相机为可见光相机、红外相机或多光谱相机。

6.根据权利要求1所述直升机激光雷达吊舱，其特征在于，在所述吊舱传感器中：

所述激光扫描仪和数字相机为成像传感器；

所述惯导模块为位姿传感器；

所述温湿度测量单元为飞行环境传感器；

所述空速传感器为风速、风向传感器。

7.根据权利要求1所述直升机激光雷达吊舱，其特征在于，

所述吊舱前板的外壳部件能通过导轨上下滑动，并通过两个航空用快卸销与吊舱固定，所述吊舱前壳上下滑动利于装卸数字相机的存储器/卡。

8.根据权利要求1所述直升机激光雷达吊舱，其特征在于，

所述吊舱上部直升机吊架的两侧设置有外部提梁。