CN107167814A - 机载遥测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机载遥测系统，包括无人机、三维遥测装置及主控存储装置。所述三维遥测装置及所述主控存储装置均安装于所述无人机上，并且所述三维遥测装置与所述主控存储装置电连接。所述无人机在控制站的控制下搭载所述三维遥测装置及所述主控存储装置飞行至需要采集数据的位置；所述三维遥测装置采集目标的点云数据，并将采集的点云数据发送至所述主控存储装置进行存储。该机载遥测系统将三维遥测装置及主控存储装置安装在无人机上，从而可以实时获取并存储地物的点云数据，不仅降低了飞行成本、减少了限制因素、操作维护简单。
Description
技术领域
本发明涉及遥测技术领域，特别是涉及一种机载遥测系统。
背景技术
机载激光雷达系统，通常应用于三维重建、城市规划、土地管理、电力线路设计、公路、铁路设计、林业、水利、文物以及数字城市等相关领域，正在发挥着越来越明显的作用。然而，传统的机载激光雷达系统通常应用在引擎小型飞机、有人直升机等，使用这些飞机来搭载激光雷达进行各种勘测，不仅价格昂贵、飞行成本高，而且飞行受航空管制、机场及天气的影响非常大。
发明内容
基于此，有必要针对传统机载激光雷达系统飞行成本高的问题，提供一种机载遥测系统。
一种机载遥测系统，包括无人机、三维遥测装置及主控存储装置；
所述三维遥测装置及所述主控存储装置均安装于所述无人机上，并且所述三维遥测装置与所述主控存储装置电连接；
所述无人机在控制站的控制下搭载所述三维遥测装置及所述主控存储装置飞行至需要采集数据的位置；
所述三维遥测装置采集目标的点云数据，并将采集的点云数据发送至所述主控存储装置进行存储。
在其中一个实施例中，所述三维遥测装置包括激光雷达。
在其中一个实施例中，所述机载遥测系统还包括减震装置；
所述激光雷达通过所述减震装置安装于所述无人机上。
在其中一个实施例中，所述减震装置包括固定机构及减震机构；
所述固定机构的一端安装于所述减震机构上，所述固定机构的另一端贯穿所述减震机构以连接所述激光雷达。
在其中一个实施例中，所述减震机构包括多个减震器及多个支撑板；
各所述支撑板从所述无人机机身底部开始向下依次设置，相邻两个所述支撑板之间设有若干所述减震器，且相邻两个所述支撑板通过设置在两者之间的所有所述减震器相互连接；
最靠近所述无人机机身的所述支撑板的顶部、底部分别对应连接所述无人机机身底部、所述固定机构。
在其中一个实施例中，所述支撑板的数量为三个。
在其中一个实施例中，所述激光雷达的线束为16线或8线。
在其中一个实施例中，所述三维遥测装置还包括与所述主控存储装置电连接的惯性导航子系统；
所述惯性导航子系统采集所述无人机的位置数据及姿态数据，并将采集到的位置数据及姿态数据发送至所述主控存储装置进行存储。
在其中一个实施例中，所述惯性导航子系统包括RTK测量仪器和惯性测量单元。
在其中一个实施例中，所述无人机包括导航控制系统及无人机平台；
所述三维遥测装置、所述主控存储装置、所述导航控制系统及所述惯性导航子系统均安装于所述无人机平台上；
所述导航控制系统控制所述无人机飞行并与所述惯性导航子系统电连接。
上述机载遥测系统具有的有益效果为：该机载遥测系统包括无人机、三维遥测装置及主控存储装置，其中，三维遥测装置及主控存储装置均安装于无人机上，并且无人机在控制站的控制下搭载三维遥测装置及主控存储装置飞行至需要采集数据的位置，三维遥测装置采集目标的点云数据，并将采集的点云数据发送至所述主控存储装置进行存储。因此，该机载遥测系统将三维遥测装置及主控存储装置安装在无人机上，从而可以实时获取并存储地物的点云数据，不仅降低了飞行成本、减少了限制因素、操作维护简单，而且由于无人机的飞行高度较低，还可以更加近距离地采集地物的三维数据，提高了数据采集的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例的附图。
图1为一实施方式提供的机载遥测系统涉及的电路框图；
图2为图1所示实施方式的机载遥测系统涉及的其中一种实施例的电路框图；
图3为图1所示实施方式的机载遥测系统的其中一种实施例的结构示意图；
图4为图3所示实施例的机载遥测系统内的减震装置的结构示意图；
图5为图4所示实施例的减震装置的爆炸示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式提供了一种机载遥测系统，请参考图1，包括无人机(图1中未示出)、三维遥测装置200及主控存储装置300。三维遥测装置200及主控存储装置300均安装于无人机上，并且三维遥测装置200与主控存储装置300电连接。
其中，无人机在控制站的控制下搭载三维遥测装置200及主控存储装置300飞行至需要采集数据的位置。无人机与传统的飞机相比，体积小，成本低，具有机动灵活的特点，无需驾驶员，控制方式相对简单，对起降的要求低，而且可以在云层下低空飞行，从而可以近距离采集地物数据，从而可以提高数据采集的精确度。具体地，根据目前国内低空无人机的发展状况，再结合飞行海拔高度、飞行速度、价格成本、有效载荷和系统安全系数等综合因素评估的结果，无人机可以选用多旋翼无人机。控制站也叫遥控站、地面站，可以实现指挥调度功能、任务规划功能(例如包括飞行航路规划与重规划、任务载荷工作规划与重规划等)、操作控制功能(例如包括起降操纵、飞行控制操作、数据链控制等)等功能。
三维遥测装置200采集目标的点云数据，并将采集的点云数据发送至主控存储装置300进行存储。其中，目标例如为地物(即地面上的各种有形物)。点云数据是指海量点的集合，并且，每一个点包含三维坐标。因此，点云数据能够还原目标的三维真实形态。
主控存储装置300至少具有数据存储能力和数据传输能力。可选地，主控存储装置300还可以具备显示能力。例如：主控存储装置300可以为定制的微型计算机系统。具体地，主控存储装置300与三维遥测装置200之间可以利用以太网或USB串口或其他数据传输方式交换数据。
本发明实施方式提供的上述机载遥测系统的工作原理为：无人机在控制站的控制下按照设定的航线飞行至需要采集数据的位置，之后三维遥测装置200开始采集目标(例如地物)的点云数据，并将采集的点云数据发送至主控存储装置300进行存储。当三维遥测装置200采集数据完毕，无人机则返回到起飞点降落，至此，整个机载遥测系统工作完毕。
因此，本发明实施方式提供的上述机载遥测系统，将三维遥测装置200和主控存储装置300安装在无人机上，从而可以实时获取目标的点云数据，不仅降低了飞行成本、减少了限制因素、操作维护简单，而且可以更加近距离地采集地物的点云数据，提高了数据采集的精度。
在其中一个实施例中，请参考图2，三维遥测装置200包括激光雷达210。在激光雷达210对目标进行扫描得出的点云数据中，每一个点除了包含三维坐标，还包含反射强度信息(即回波强度)。该反射强度信息与目标的表面材质、粗糙度、入射角方向，以及仪器的发射能量，激光波长有关。另外，请参考图3，激光雷达210可以安装于无人机机身的底部，从而便于对地物进行扫描。并且，主控存储装置300可以与激光雷达210安装在一起，请继续参考图3。由于激光雷达210采集的数据量较为庞大，因此将激光雷达210与主控存储装置300安装在一起，可以提高数据传输的速率和可靠性。
激光雷达210的工作原理例如为：激光器以高频率发射激光，并记录出光时间，激光经透镜改变束散角后进行扩束准直，再通过扫描镜射出并直至目标。目标反射回来的信号(即回光)通过扫描镜进入激光雷达210内部，之后，回光通过聚焦透镜聚焦于测距探测器的感光面，最后根据激光发射时间与测距探测器接收回光的时间即可计算测距距离。其中，激光发射与回光接收共用同一扫描镜，可以确保发射轴与接收轴的一致性。
具体地，激光雷达210的线束可以为16线或8线，从而能够提高扫描的精度。本发明实施方式中，在采用16线或8线的激光雷达210，且主控存储装置300采用定制的微型计算机系统的情况下，激光雷达210与主控存储装置300的总重量可以控制在5Kg以下，更加适合无人机挂载，轻便，易于运输。
另外，激光雷达210的技术指标可以为：波长：905nm；激光等级：class 1；精度：±2cm；探测距离为100m；出点数：32000pts/s；垂直测角：30度；垂直角分辨率：2.0度；水平测角：360度；水平角分辨率：5HZ:0.1度，10HZ：0.2度，20HZ：0.4度；输入电压：9.45VDC；产品功率：7.2W；防护安全级别：IP67；操作温度：-10-60；规格：直径100mm，高度103mm；重量：0.6kg；采集数据：三维空间坐标/反射率；参数峰值功率：8W(脉宽2ns)；有效脉冲频率为10Hz；扫描方式旋转；扫描频率为5To 10转/S；扫描张角为30Degrees。因此，本发明实施例采用的上述激光雷达210，由于测量距离为100m，测量精度±2cm，从而保证了采集数据的质量。
进一步地，请继续参考图3，机载遥测系统还包括减震装置400。并且，激光雷达210通过减震装置400安装于无人机上(例如：激光雷达210安装在减震装置400的底部，减震装置400的顶部安装在无人机机身底部)。其中，减震装置400用于过滤无人机飞行过程中产生的震动干扰，以增强激光雷达210数据采集的稳定性，减少数据采集过程中的噪声干扰。另外，主控存储装置300也可以通过减震装置400安装在无人机上，从而增强激光雷达210与主控存储装置300之间进行数据传输的稳定性。
具体地，请参考图3、图4、图5，减震装置400包括固定机构410及减震机构420。固定机构410的一端安装于减震机构420上，固定机构410的另一端贯穿减震机构420以连接激光雷达210。其中，固定机构410可以包括相互连接的杆体(图中未标出)及连接座(图中未标出)。杆体还与减震机构420固定连接，杆体的形状可以为圆柱体、长方体或者其他不规则形状的柱体。连接座用来固定激光雷达210。可选地，连接座也可以固定安装主控存储装置300。
减震机构420主要起缓冲作用。可选地，请继续参考图4、图5，减震机构420包括多个减震器421及多个支撑板422。各支撑板422从无人机机身底部开始向下依次设置。并且，相邻两个支撑板422之间设有若干减震器421，且相邻两个支撑板422通过设置在两者之间的所有减震器421相互连接。最靠近无人机机身的支撑板422(即位于最上方的支撑板422)的顶部、底部分别对应连接无人机机身底部、固定机构410，请参考图5。可选地，固定机构410安装在位于最上方的支撑板422底部的中间位置。并且，固定机构410依次穿过其余各支撑板422的中间位置，从而提高无人机的平衡性。
其中，相邻两个支撑板422通过设置在两者之间的所有减震器421相互连接，具体是指各减震器421的顶部通过连接件(例如螺钉、螺母组件)与位于各自上方的支撑板422连接，各减震器421的底部通过连接件与位于各自下方的支撑板422连接，通过减震器421的上述安装方式，从而使得任意相邻的两个支撑板422都连接在一起，即使得所有支撑板422和减震器421连接为一个整体。因此，在上述减震机构420中，每两个支撑板422之间均设有若干减震器421，相当于共设置了多层减震器421，从而提高减震效果。具体地，支撑板422的数量可以为三个，请参考图4、图5。这时，减震机构420共有两层减震器421。
进一步地，请参考图5，位于最下方的支撑板422(即距离无人机机身最远的支撑板422)的边缘还可以设有若干支撑单元4221，以支撑位于上方的其他支撑板422和减震器421，从而提高减震机构420的稳定性。其中，支撑单元4221的高度可以与减震器421的高度相同。
具体地，减震器421的制作材料可以为橡胶，但并不局限于橡胶，也可以由具有弹性的其他材料制成。另外，减震器421的数量没有限制，可以根据减震装置400的挂载物(例如：激光雷达210，或激光雷达210和主控存储装置300)的重量来合理选择所需的数量。可选地，任意相邻两个支撑板422之间的空间内至少在四周均匀设置一个减震器421，例如：如果支撑板422的形状为矩形，那么分别在与支撑板422的4个角相对的位置处设置一个减震器421。
可以理解的是，减震装置400的具体结构不限于上述情况，例如：固定机构410也可以为两个，并且这两个固定机构410分别穿过各支撑板422，以共同连接激光雷达210，或共同连接激光雷达210和主控存储装置300。
在其中一个实施例中，请参考图2，三维遥测装置200还包括与主控存储装置300电连接的惯性导航子系统220。惯性导航子系统220采集无人机的位置数据及姿态数据，并将采集到的位置数据及姿态数据发送至主控存储装置300进行存储。其中，位置数据及姿态数据例如包括经度、纬度、高程、线加速度、角加速度等数据。
进一步地，惯性导航子系统220还可以将采集到的位置数据和姿态数据利用多传感器数据融合技术进行融合，并将采集的位置数据和姿态数据和融合后的数据同时发送至主控存储装置300。可以理解的是，也可以由主控存储装置300将惯性导航子系统220采集的位置数据和姿态数据利用多传感器数据融合技术进行融合。另外，主控存储装置300还可以将惯性导航子系统220发送的数据和激光雷达210采集的点云数据进行坐标变换等预处理过程，从而最终得到处理后的点云数据，以根据不同的行业和应用目的进行后续处理。
具体地，惯性导航子系统220包括RTK(Real time kinematic，载波相位差分技术)测量仪器和惯性测量单元(IMU，Inertial measurement unit)。另外，RTK测量仪器配套的电传系统采用抗干扰能力的调制方式。其中，惯性导航子系统220的技术指标可以包括以下内容：定位精度：水平：1cm+1ppm；垂直：2cm+1ppm；测速精度(RMS)：0.03m/s；俯仰/滚动精度：0.015°RMS；航向精度：0.08°RMS；使用频点：GPS L1&L2，GLONASS F1&F2；电流电压：0.45A(@12V)；功耗：5.2W；RTK测量仪器尺寸：112.3mm×63mm×18.6mm；RTK测量仪器重量：139.5g；工作环境温度：0℃至45℃；储存环境温度：-40℃至85℃。
可以理解的是，惯性导航子系统220也可以采用其他能够测量实时位置的传感器。
在其中一个实施例中，无人机包括导航控制系统110(请参考图2)及无人机平台120(请参考图3)。三维遥测装置200、主控存储装置300、导航控制系统110及惯性导航子系统220均安装于无人机平台120上。导航控制系统110还与惯性导航子系统220电连接，并且导航控制系统110控制无人机飞行。
其中，导航控制系统110在控制站的控制下按照预设航线控制无人机进行自主飞行，从而自动完成作业任务，导航控制系统110可以保障无人机飞行的安全性，及时向控制站回传无人机的工作状态信息，以保障飞行探测的有效性。另外，惯性导航子系统220采集的位置数据和姿态数据还发送至导航控制系统110，从而使得导航控制系统110能够及时精确获取无人机的空间位置信息和姿态角度信息，进而实现高精度的飞行航线控制和高飞行稳定性，保证了数据采集过程的稳定。
具体地，导航控制系统110例如包括机载子系统及通讯链路子系统。其中，机载子系统例如包括飞控计算机等。通讯链路子系统用来与控制站进行通信，例如使用跳频扩频半双工数传电台，并配备定向天线，稳定工作距离不小于7Km。
进一步地，无人机还包括遥控接收设备。遥控接收设备用来与地面操作人员持有的遥控发射设备进行通信。遥控接收设备与遥控发射设备共同构成遥控系统，该遥控系统使用12信道，无干扰情况下空中的控制半径大于7km。另外，无人机还具有失控保护功能，失控保护是指当无人机接收不到控制信号时，无人机进入到自动驾驶模式，自动返回到起飞点降落。进一步地，无人机还安装具备远程超视距飞行能力的自动驾驶仪。
进一步地，在上述机载遥测系统中，采用高能量高密度的锂电池对各装置进行供电。具体地，无人机的技术指标可以包括以下内容：单次飞行测绘带宽60m；飞行测绘速度6km/H；飞行测绘高度70m；有效载荷>6kg(海拔2000m)；续航时间>25min；最大速度60km/H；巡航速度4-12km/H；目视遥控有效控制半径5km；导航控制系统110有效通讯半径7km；重量11.7Kg，外形尺寸1668mm*1518mm*759mm；最大旋转角速度:俯仰轴：300°/s，航向轴：150°/s；最大俯仰角度：25°；最大上升速度：5m/s；最大下降速度：3m/s；最大可承受风速：8m/s；最大飞行海拔高度：2500m；最大水平飞行速度：18m/s(无风环境)；具有的控制功能包括：滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率、滚转加速度、俯仰加速度、偏航加速度、滚转角、俯仰角、偏航角、电压监控、温度监控、气压高度、GPS地速、GPS高度、空速、任务控制输出(TTL)、低电压告警、超时超距告警；无线透传的数据传输速率为9600bps。
因此，本发明实施例提供的上述无人机的巡检速度在几公里/小时到几十公里/小时可控，可以提高三维建模巡视效率，提高巡视手段的科学性，能够直观、准确的建模，具有巨大的社会和经济效益。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种机载遥测系统，其特征在于，包括无人机、三维遥测装置及主控存储装置；
所述三维遥测装置及所述主控存储装置均安装于所述无人机上，并且所述三维遥测装置与所述主控存储装置电连接；
所述无人机在控制站的控制下搭载所述三维遥测装置及所述主控存储装置飞行至需要采集数据的位置；
所述三维遥测装置采集目标的点云数据，并将采集的点云数据发送至所述主控存储装置进行存储。
2.根据权利要求1所述的机载遥测系统，其特征在于，所述三维遥测装置包括激光雷达。
3.根据权利要求2所述的机载遥测系统，其特征在于，所述机载遥测系统还包括减震装置；
所述激光雷达通过所述减震装置安装于所述无人机上。
4.根据权利要求3所述的机载遥测系统，其特征在于，所述减震装置包括固定机构及减震机构；
所述固定机构的一端安装于所述减震机构上，所述固定机构的另一端贯穿所述减震机构以连接所述激光雷达。
5.根据权利要求4所述的机载遥测系统，其特征在于，所述减震机构包括多个减震器及多个支撑板；
各所述支撑板从所述无人机机身底部开始向下依次设置，相邻两个所述支撑板之间设有若干所述减震器，且相邻两个所述支撑板通过设置在两者之间的所有所述减震器相互连接；
最靠近所述无人机机身的所述支撑板的顶部、底部分别对应连接所述无人机机身底部、所述固定机构。
6.根据权利要求5所述的机载遥测系统，其特征在于，所述支撑板的数量为三个。
7.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的机载遥测系统，其特征在于，所述激光雷达的线束为16线或8线。
8.根据权利要求2至6中任一权利要求所述的机载遥测系统，其特征在于，所述三维遥测装置还包括与所述主控存储装置电连接的惯性导航子系统；
所述惯性导航子系统采集所述无人机的位置数据及姿态数据，并将采集到的位置数据及姿态数据发送至所述主控存储装置进行存储。
9.根据权利要求8所述的机载遥测系统，其特征在于，所述惯性导航子系统包括RTK测量仪器和惯性测量单元。
10.根据权利要求8所述的机载遥测系统，其特征在于，所述无人机包括导航控制系统及无人机平台；
所述三维遥测装置、所述主控存储装置、所述导航控制系统及所述惯性导航子系统均安装于所述无人机平台上；
所述导航控制系统控制所述无人机飞行并与所述惯性导航子系统电连接。
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