CN106542106A - 一种可配置直升机激光雷达吊舱 - Google Patents

一种可配置直升机激光雷达吊舱 Download PDF

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张智武
杨燕林
张建刚
冯鸫
徐云鹏
莫兵兵
毛强
李翔
余德泉
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Abstract

本发明公开了一种可配置直升机激光雷达吊舱，吊舱包括激光雷达舱和数字相机舱，激光雷达舱和数字相机舱的上部有与直升机连接的吊柄组件；激光雷达舱包括激光扫描仪、惯性导航模块、上减振器、侧减振器、吊板、吊舱前板、吊舱后板和吊架；数字相机舱包括相机组件和相机罩。激光扫描仪为激光点云数据获取传感器；惯性导航模块为位置和姿态数据获取传感器；相机组件为数字图像获取传感器。还包括可配置传感器，可配置传感器为可见光摄像机、红外摄像机或日盲紫外摄像机。该可配置直升机激光雷达吊舱针对可搭载吊舱的飞行平台设计，外形采用流线型设计，可以获取高精度的激光雷达、数字影像数据和数字视频图像，用于航空测绘、电力巡检等作业，有效提高作业效能。

Description

一种可配置直升机激光雷达吊舱
技术领域
本发明涉及一种机载激光雷达测量技术，尤其涉及一种可配置直升机激光雷达吊舱。
背景技术
基于激光雷达、IMU和数字相机的集成传感器已经成为航空遥感和信息获取的重要手段，而直升机搭载激光雷达集成传感器用于电力巡线也逐步在电力行业推广应用。对于高压输变电线路巡检，机载激光雷达三维测量精度高、测量点密度大，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。
目前的机载激光雷达设备主要用测绘地理空间信息采集，用于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；用于导航的多线激光雷达产品测量距离有限，且没有与IMU和数字相机的一体化集成产品，无法满足电力系统电力巡检的需求。另外，激光雷达吊舱的激光扫描仪和相机等传感器之间由于不是刚性连接，无法一次性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和效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以获取高精度的激光雷达、数字影像数据和数字视频图像的可配置直升机激光雷达吊舱。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的可配置直升机激光雷达吊舱，所述吊舱包括激光雷达舱和数字相机舱，所述激光雷达舱和数字相机舱的上部有与直升机连接的吊柄组件；
所述激光雷达舱包括激光扫描仪、惯性导航模块、上减振器、侧减振器、吊板、吊舱前板、吊舱后板和吊架；
所述数字相机舱包括相机组件和相机罩。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的可配置直升机激光雷达吊舱，针对可搭载吊舱的飞行平台设计，可以获取高精度的激光雷达、数字影像数据和数字视频图像，用于航空测绘、电力巡检等作业，有效提高作业效能。
附图说明
图1为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的整体外形结构示意图；
图2为本发明实施例所提供可配置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可配置直升机激光雷达吊舱的吊柄组件整体结构示意图；
图4为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的内部减振结构组成结构示意图；
图5为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的传感器整体集成结构示意图。
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。
本发明的可配置直升机激光雷达吊舱，其较佳的具体实施方式是：
所述吊舱包括激光雷达舱和数字相机舱，所述激光雷达舱和数字相机舱的上部有与直升机连接的吊柄组件；
所述激光雷达舱包括激光扫描仪、惯性导航模块、上减振器、侧减振器、吊板、吊舱前板、吊舱后板和吊架；
所述数字相机舱包括相机组件和相机罩。
所述激光扫描仪为激光点云数据获取传感器；
所述惯性导航模块为位置和姿态数据获取传感器；
所述相机组件为数字图像获取传感器。
所述吊柄组件为刚性结构，通过航空防松螺母固定于直升机的下部。
所述惯性导航模块通过刚性支架固定于所述激光扫描仪的壳体上部，所述激光扫描仪的壳体上部和侧面安装有内置减振结构。
所述相机组件通过刚性支架固联于所述激光扫描仪的壳体后部，与所述激光扫描仪和惯性导航模块集成一体。
所述吊舱还包括可配置传感器，所述可配置传感器为可见光摄像机、红外摄像机或日盲紫外摄像机。
所述吊架留有连接机构和接口，所述可配置传感器通过所述连接机构和接口固联于所述激光雷达舱的下方。
该可配置直升机激光雷达吊舱的外形采用流线型设计。
本发明的可配置直升机激光雷达吊舱，采用内部减振、外形流体设计，由航空防松螺母可靠固定连接于直升机；激光扫描仪、惯性导航(IMU)和数字相机一体化集成刚性连接，集成传感器间坐标转换关系固定，经一次设备标定后，其参数可以重复用于激光雷达吊舱采集数据的全局统一地理空间坐标数据获取；激光雷达吊舱可以配置红外、日盲紫外摄像机，将电力巡线的各种传感器有效集成于一套吊舱系统。因此，本发明所述激光雷达吊舱在保证地理空间数据获取精度的基础上，可以提高电力巡检的效率。该激光雷达吊舱针对可搭载吊舱的飞行平台设计，可以获取高精度的激光雷达、数字影像数据和数字视频图像，用于航空测绘、电力巡检等作业，有效提高作业效能。
本发明的可配置直升机激光雷达吊舱，一方面通过所述激光扫描仪、IMU和数字相机集成一体设计，有效构建了系统的统一坐标系，利于不同传感器之间空间关系的标定，提高系统空间数据的获取精度；另一方面，所述激光雷达吊舱采用内部减振、外形流体设计，有效降低飞行平台振动和风阻变化对设备作业的影响。
下面将结合附图，对本发明作进一步的描述。
具体实施例：
如图1所示，为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的整体外形图。
如图2所示，为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的各部件分解结构图，所述激光雷达吊舱包括：直升机连接的吊柄组件1、激光雷达舱、数字相机舱和可配置传感器4(可选)，其中：
激光雷达舱由激光扫描仪2-1、IMU2-2、上减振器2-3、侧减振器2-4、吊板2-5、吊舱前板2-6、吊舱后板2-7和吊架2-8组成；
数字相机舱由相机组件3-1和相机罩3-2组成。
可配置传感器4为可见光、红外或日盲紫外摄像机。
所述直升机连接吊柄组件1，用于所述激光雷达吊舱与直升机连接。
所述激光雷达舱内为固联的激光扫描仪2-1和IMU2-2传感器，用于获取激光点云和位姿数据；所述激光扫描仪2-1和IMU2-2传感器通过吊板2-5、吊舱前板2-6、吊舱后板2-7和吊架2-8形成密封的流线舱体。
所述数字相机舱内为数字相机组件3-1，用于获取数字影像；所述数字相机组件3-1由相机罩3-2密封于相机舱体。
可配置传感器4用于获取目标的可见光、红外或紫外视频图像。
如图3所示，为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的吊柄组件整体结构图，所述吊柄组件1上部设计有四个航空螺栓，激光雷达吊舱通过四个航空螺栓直接与直升机连接，所述吊柄组件1底部为圆形设计，可直接固定连接于所述激光雷达舱的吊板2-5上，使吊柄组件1与激光雷达舱、数字相机舱为一个集成的整体。
如图4所示，为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的内部减振结构组成图，所述激光扫描仪2-1上部两侧及其侧面分别安装有两部减振器，四部减振器用于抑制直升机平台振动和风阻变化，以及经吊柄组件1传导至激光雷达舱内的振动，保证IMU2-2的位置和姿态测量的精度。
如图5所示，为本发明实施例所提供可配置直升机激光雷达吊舱的传感器整体集成结构图，所述数字相机组件3-1通过圆形刚性支架与激光扫描仪2-1固联，所述IMU2-2通过矩形刚性支架与激光扫描仪2-1固联，使激光扫描仪2-1、IMU2-2和数字相机组件3-1集成为一体；所述可配置传感器4通过吊架连接机构固联于所述激光雷达舱的下方。
所述可配置直升机激光雷达吊舱以激光扫描仪2-1设备坐标为基准，使激光扫描仪2-1、IMU2-2和数字相机3-1采集的数据，通过标定参数统一转换到激光点云为基准的空间坐标，进一步得到全局统一的空间坐标系数据。
作为一种具体实施的示例，激光点云为基准的点云影像配准和全局空间坐标数据转换步骤如下：
a)利用成像模型和激光雷达标定参数解算激光点云到激光雷达设备坐标系；
b)利用IMU位姿数据和激光雷达安置标定参数，解算激光雷达设备坐标系激光点云到北天东坐标系，转换过程为：
其中，ΔX、ΔY、ΔZ为GPS天线中心到IMU坐标原点的安置参数；RΔhΔpΔr为激光雷达设备坐标系到IMU坐标系安置参数组成的旋转矩阵；XG、YG、ZG为任意时刻GPS测量坐标；RIMU为对应时刻IMU测量的姿态角组成的旋转矩阵；Xeq、Yeq、Zeq为激光点云设备坐标；
c)通过数字影像和北天东激光雷达点云同名目标点空间坐标，定标解算数字相机与激光雷达设备的安置参数，实现激光点云和数字影像配准，安置参数定标模型为：
其中，XN、YN、ZN为目标的激光点云空间坐标；Xm、Ym、Zm为目标的影像解算空间坐标；ΔX、ΔY、ΔZ、Δω、Δκ为数字相机与激光雷达设备的安置参数；
d)将北天东坐标系激光点云数据转换到全局统一的空间坐标系。
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)

1.一种可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于，所述吊舱包括激光雷达舱和数字相机舱，所述激光雷达舱和数字相机舱的上部有与直升机连接的吊柄组件(1)；
所述激光雷达舱包括激光扫描仪(2-1)、惯性导航模块(2-2)、上减振器(2-3)、侧减振器(2-4)、吊板(2-5)、吊舱前板(2-6)、吊舱后板(2-7)和吊架(2-8)；
所述数字相机舱包括相机组件(3-1)和相机罩(3-2)。
2.根据权利要求1所述可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于：
所述激光扫描仪(2-1)为激光点云数据获取传感器；
所述惯性导航模块(2-2)为位置和姿态数据获取传感器；
所述相机组件(3-1)为数字图像获取传感器。
3.根据权利要求1所述可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于，所述吊柄组件(1)为刚性结构，通过航空防松螺母固定于直升机的下部。
4.根据权利要求1所述可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于，所述惯性导航模块(2-2)通过刚性支架固定于所述激光扫描仪(2-1)的壳体上部，所述激光扫描仪(2-1)的壳体上部和侧面安装有内置减振结构。
5.根据权利要求1所述可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于，所述相机组件(3-1)通过刚性支架固联于所述激光扫描仪(2-1)的壳体后部，与所述激光扫描仪(2-1)和惯性导航模块(2-2)集成一体，空间关系固定。
6.根据权利要求1至5任一项所述可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于，所述吊舱还包括可配置传感器(4)，所述可配置传感器(4)为可见光摄像机、红外摄像机或日盲紫外摄像机。
7.根据权利要求6所述可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于，所述吊架(2-8)留有连接机构和接口，所述可配置传感器(4)通过所述连接机构和接口固联于所述激光雷达舱的下方。
8.根据权利要求1所述可配置直升机激光雷达吊舱，其特征在于，该可配置直升机激光雷达吊舱的外形采用流线型设计。
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