CN107976683B - 一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将激光雷达固定安装在飞艇作业区中心位置处正上方对应的艇库顶棚下表面上；2)在飞艇进入作业区前，用激光雷达对飞艇作业区平面进行一次扫描，得到飞艇作业区平面上n个点的三维坐标信息，拟合出飞艇作业区平面的平面方程；3)飞艇进入作业区后，得到包括飞艇顶部表面上的扫描点的m个点的三维坐标信息；4)求得m个点中的每一个点与飞艇作业区平面的垂直距离，最大垂直距离就是该扫描时刻的飞艇顶部离地高度。本发明的方法可非接触实时测量准确测量艇库内飞艇顶部离地高度，消除由于飞艇庞大体积带来的视场遮挡以及风载等外力带来的囊体不断晃动的影响，保证飞艇出库安全。

Description

一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法。
背景技术
近年来，随着航空技术的进步，飞艇性能有了极大改善，飞艇的尺寸也越来越向大型化发展。大型飞艇一般艇体长度大于50m，艇囊内部充满浮升气体，其外形通过调节内外压差来保持。在飞艇放飞试验任务中，飞艇需在艇库内充气，并将囊体升到一定高度后进行艇载设备安装，最后采用转运平台将飞艇转运出库放飞。由于受艇库大门高度的限制，飞艇在艇库内转运过程中顶部高度不能高于大门高度。为保证出库安全，需对飞艇顶部离地高度进行测量。现有技术中的测高测距方法难以应用于飞艇顶部高度的测量。比如基于相机的双目视觉测量方法首先需要标志点，但飞艇顶部一般没有标志点且试验时不会人为贴标志点，双目视觉需事后处理，没有实时性，相机一般放置在地面，视线受飞艇囊体影响，无法拍摄飞艇顶部；而全站仪只能单点测量，目视情况下无法知道最高点的位置，且飞艇在艇库内会产生摆动，最高点位置会不断变化，单点测量无法满足大范围测量要求，且放置在地面的全站仪受囊体视线影响，无法看到飞艇顶部。另外，受风载等外力影响，飞艇囊体不断晃动，使得离地高度不断变化，测量值在不断变化，难以用一次测量就能确定飞艇顶部离地高度。
因此，需要一种简单易行、快速准确、能多次实施的飞艇顶部离地高度的测量方法。
发明内容
本发明的发明目的是提供了一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法，可非接触实时测量准确测量艇库内飞艇顶部离地高度，消除由于飞艇庞大体积带来的视场遮挡以及风载等外力带来的囊体不断晃动的影响，保证飞艇出库安全。
本发明的具体技术方案是一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将激光雷达固定安装在飞艇作业区中心位置处正上方对应的艇库顶棚下表面上，使激光雷达能够从上而下进行扫描；
2)在飞艇进入作业区前，用激光雷达对飞艇作业区平面进行一次扫描，得到飞艇作业区平面上n个点的三维坐标信息，利用这n个点的三维坐标信息，拟合出飞艇作业区平面的平面方程；
3)飞艇进入作业区后，使飞艇囊体的顶点位于激光雷达正下方位置，用激光雷达不间断扫描作业区平面，对激光雷达的每个扫描时刻，得到包括飞艇顶部表面上的扫描点的m个点的三维坐标信息；
4)利用每个扫描时刻的m个点的三维坐标信息和飞艇作业区平面的平面方程，求得m个点中的每一个点与飞艇作业区平面的垂直距离，其中最大垂直距离对应的那个点就是飞艇囊体的顶点，该最大垂直距离就是该扫描时刻的飞艇顶部离地高度。
更进一步地，设所述的步骤2)中n个点的三维坐标为P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),……,Pn(xn,yn,zn)，设飞艇作业区平面的平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，取D＝100，采用最小二乘法拟合计算飞艇作业区平面的平面方程，用下式(I)求得飞艇作业区平面的平面方程的系数，
Figure GDA0003154562820000031
其中，
Figure GDA0003154562820000032
更进一步地，设所述的步骤3)中m个点的三维坐标为q1(xf1,yf1,zf1),q2(xf2,yf2,zf2),……,qm(xfm,yfm,zfm)，设步骤4)中m个点中的每一个点与飞艇作业区平面的垂直距离hi的集合为H，i＝1,2,……,m，则按下式(II)计算H，
Figure GDA0003154562820000033
取hi中的最大值hmax作为飞艇顶部离地高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果有以下几点：
1)本发明的方法将测量用的激光雷达固定于艇库内顶端，消除了在地面测量时囊体对视线的遮挡，能够对飞艇顶部表面进行实时高精度大范围扫描测量；
2)激光雷达能够实时工作测量，克服单一测量点值无法反映在风载等外力作用下，飞艇不断晃，飞艇高度不断变化的情况；
3)提出了一种飞艇离地高度计算方法，通过计算激光雷达坐标系下地面的平面方程，然后得到各点到平面的距离，最大距离即为飞艇顶部离地高度。与在地面测量相比，不会受艇库墙壁、顶部等高于飞艇最高点的背景的影响，无需要人工对最高点进行筛选；
4)计算算法简单，测量的所有点中，计算出离地最高点即为飞艇顶部离地高度，使实时和自动化测量成为可能。
本发明的方法简单易行，不需要其他辅助设备，不需要贴标志点与坐标转换，操作简单，快速高效，可在大风大外力、场内背景复杂条件下，对飞艇顶部离地高度进行自动化实时大范围测量。
附图说明
图1为本发明的用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法的测量示意图，
其中，1-艇库顶棚，2-激光雷达安装架，3-激光雷达，4-飞艇囊体，5-飞艇作业区平面。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步地描述。
激光雷达测量技术的基本原理为发射激光束，当到达被测物体时，激光束反射，然后激光雷达接收反射激光束，并计算发射与接收激光束之间的时间差，时间差与光速乘积的二分之一即为被测物体与激光雷达之间的距离，最后通过激光雷达记录发射激光束的角度，再根据上述计算的距离，即可得到激光雷达坐标系下被测物体的三维坐标。
如附图1所示，本发明的一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将激光雷达固定安装在飞艇作业区中心位置处正上方对应的艇库顶棚下表面上，使激光雷达能够从上而下进行扫描；
2)在飞艇进入作业区前，用激光雷达对飞艇作业区平面进行一次扫描，得到飞艇作业区平面上n个点的三维坐标信息，利用这n个点的三维坐标信息，拟合出飞艇作业区平面的平面方程。设这n个点的三维坐标为P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),……,Pn(xn,yn,zn)，设飞艇作业区平面的平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，我们知道平面方程转化为三元一次方程后，只有2个系数和1个常数项是未知的，因此，为方便计算，可取D＝100。采用最小二乘法拟合计算飞艇作业区平面的平面方程，用下式(I)求得飞艇作业区平面的平面方程的系数，
Figure GDA0003154562820000051
其中，
Figure GDA0003154562820000052
3)飞艇进入作业区后，使飞艇囊体的顶点位于激光雷达正下方位置，用激光雷达不间断扫描作业区平面，对激光雷达的每个扫描时刻，得到包括飞艇顶部表面上的扫描点的m个点的三维坐标信息。这m个点的三维坐标为q1(xf1,yf1,zf1),q2(xf2,yf2,zf2),……,qm(xfm,yfm,zfm)；
4)利用每个扫描时刻的m个点的三维坐标信息和飞艇作业区平面的平面方程，求得m个点中的每一个点与飞艇作业区平面的垂直距离，其中最大垂直距离对应的那个点就是飞艇囊体的顶点，该最大垂直距离就是该扫描时刻的飞艇顶部离地高度。具体计算方法是，设m个点中的每一个点与飞艇作业区平面的垂直距离hi的集合为H，i＝1,2,……,m，则按下式(II)计算H，
Figure GDA0003154562820000061
取hi中的最大值hmax作为飞艇顶部离地高度。

Claims (3)

1.一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将激光雷达固定安装在飞艇作业区中心位置处正上方对应的艇库顶棚下表面上，使激光雷达能够从上而下进行扫描；
2)在飞艇进入作业区前，用激光雷达对飞艇作业区平面进行一次扫描，得到飞艇作业区平面上n个点的三维坐标信息，利用这n个点的三维坐标信息，拟合出飞艇作业区平面的平面方程；
3)飞艇进入作业区后，使飞艇囊体的顶点位于激光雷达正下方位置，用激光雷达不间断扫描作业区平面，对激光雷达的每个扫描时刻，得到包括飞艇顶部表面上的扫描点的m个点的三维坐标信息；
4)利用每个扫描时刻的m个点的三维坐标信息和飞艇作业区平面的平面方程，求得m个点中的每一个点与飞艇作业区平面的垂直距离，其中最大垂直距离对应的那个点就是飞艇囊体的顶点，该最大垂直距离就是该扫描时刻的飞艇顶部离地高度。
2.如权利要求1所述的一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法，其特征在于，设所述的步骤2)中n个点的三维坐标为P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),……,Pn(xn,yn,zn)，设飞艇作业区平面的平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，取D＝100，采用最小二乘法拟合计算飞艇作业区平面的平面方程，用下式(I)求得飞艇作业区平面的平面方程的系数，
Figure FDA0003154562810000011
其中，
Figure FDA0003154562810000021
3.如权利要求1所述的一种用激光雷达实时测量艇库内飞艇顶部离地高度的方法，其特征在于，设所述的步骤3)中m个点的三维坐标为q1(xf1,yf1,zf1),q2(xf2,yf2,zf2),……,qm(xfm,yfm,zfm)，设步骤4)中m个点中的每一个点与飞艇作业区平面的垂直距离hi的集合为H，i＝1,2,……,m，则按下式(II)计算H，
Figure FDA0003154562810000022
取hi中的最大值hmax作为飞艇顶部离地高度。
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