CN109115183A - 一种较大范围矩阵式低成本无人机航测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机遥感综合应用领域，具体涉及一种较大范围矩阵式低成本无人机航测系统及方法。一种较大范围矩阵式低成本无人机航测系统及方法，包括消费级无人机、带有GIS系统的智能终端；还包括外挂式GPS导航盒，所述外挂式GPS导航盒为地面操作人员提供高精度定位服务，同时为消费级无人机优选起降点；所述智能终端包括手机、电脑及平板电脑。本发明能够使低成本消费级无人机实现大范围、适应不同地形的最大效率的拼接飞行，代替人工勘测，提高生产效率。移动终端使用简单，使用安全、轻便，适用丘陵山区等不便使用大型GPS设备的地方，能锁定卫星，密林山区复杂地形不轻易丢失定位信号。

Description

一种较大范围矩阵式低成本无人机航测系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机遥感综合应用领域，具体涉及一种较大范围矩阵式低成本无人机航测方法。

背景技术

消费级无人机自2015年开始兴起，得到广泛应用，这几年国家出台相关政策监管并支持发展这一新兴产品。“真正成熟”的消费级无人机产品的显著特征就是在低成本与可靠性能之间达到平衡（本文所述均以此类无人机为设定并展开讨论，不涉及玩具类），其具备应用扩展空间，但是目前其主要应用领域还局限在无人机航拍影视制作领域。针对地面地理空间信息获取，如果采用传统的人工方式进行丈量、调查等，劳动强度大、生产效率低。尤其是面对复杂的街区，山地等不利条件，人工面临直接无法完成的问题。而采用工业级无人机航测，虽然作业范围广又存在门槛偏高的问题。如何利用消费级无人机进行较大范围航测综合应用，则是目前大多数相关领域单位或个人的难点。本发明旨在扩展消费级无人机应用，解决航测设备性价比矛盾，在推进社会信息数据获取等方面有着积极的优势。得益于消费级无人机的蓬勃发展，一些无人机领域商业公司开始进行消费级无人机航测方案的销售，但由于研发成本高，造成入手门槛高等原因导致难以低成本推广。因此，根据生产生活实际，设计一种成本低廉，能综合应用消费级无人机进行航测，并将GNSS定位、RS遥感、GIS地理信息应用、结合地面智能终端功能为一体的，并且使用简单、移动方便的消费级无人机应用技术方法，来实现消费级无人机低成本服务于生产生活，扩展消费级无人机应用，具有现实需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种能综合应用消费级无人机进行航测、并将GNSS定位、RS遥感、GIS地理信息应用、结合地面智能终端为一体的一种能实现较大范围矩阵式低成本无人机航测技术方法，并且使用简单、移动方便的消费级无人机应用方法。

本发明的技术方案在于：

一种较大范围矩阵式低成本无人机航测系统，包括消费级无人机、带有GIS系统的智能终端；还包括外挂式GPS导航盒，所述外挂式GPS导航盒为地面操作人员提供高精度定位服务，同时为消费级无人机优选起降点；所述智能终端包括手机、电脑及平板电脑。

所述智能终端为带有轻量化GIS系统的Windows系统电脑、带有移动GIS系统的安卓系统手机及带有飞行控制软件的IOS系统的苹果平板电脑。

所述外挂式GPS导航盒包括高灵敏度的GPS芯片、移动电源以及带有MCX接口的GPS有源天线；所述GPS芯片通过USB连接移动电源，GPS有源天线通过MCX接口与GPS芯片相连；外挂式GPS导航盒通过蓝牙协议输出NMEA0183标准的高精度GPS信号，供带有移动GIS系统的安卓系统手机使用。

一种较大范围矩阵式低成本无人机航测方法，使用如上所述的航测系统，测试方法包括如下步骤：

（1）：通过智能终端在测区内，首先建立一个边长不超过1000m方形矩阵，并将该方形矩阵复制并相接或者适当相交，排列成n纵n横的方形矩阵阵列，并测出每个子矩阵的顶点坐标及边长；

（2）：导入获取的卫星影像，将地面特征与长方形矩阵进行信息融合匹配，以确定每个子矩阵适合飞行作业的起降点及行动路线；

（3）：依次在每个子矩阵内设定若干平行的飞行航线；该飞行航线从子矩阵任意一顶点出发沿飞行航线飞行直至飞行航线结束，每个子矩阵的飞行航线至少在一个角度上呈平行线状，在垂直于平行线方向上呈锯齿状；

（4）：载入测区路网信息，通过带有移动GIS系统的安卓系统手机结合通过外挂式GPS导航盒找出步骤（3）中所述该子矩阵对应在现实中的起始点、终点及飞行航线，并利用带有飞行控制软件的IOS系统的苹果平板电脑控制无人机沿步骤（3）设定的飞行航线对应在现实中位置进行飞行；实际飞行轨迹应与所设飞行航线一致，误差不得超过5m；

（5）重复步骤（3）及（4），使得无人机在测区内所有子矩阵内进行飞行；

（6）：将无人机与带有轻量化GIS系统的Windows系统电脑进行数据传输，划出无人机实际航行轨迹，检查是否覆盖所有子矩阵的所有顶点，如果符合则外业任务完成；

（7）：将本次所获取的所有影像及定位信息进行内业测图，形成正射影像。

本发明的技术效果在于：

本发明能够使低成本消费级无人机实现大范围、适应不同地形的最大效率的拼接飞行，代替人工勘测，提高生产效率。移动终端使用简单，使用安全、轻便，适用丘陵山区等不便使用大型GPS设备的地方，能锁定卫星，密林山区复杂地形不轻易丢失定位信号。

附图说明

图1为本发明测区示意图。

图2为本发明建立正方形矩阵并划分子矩阵示意图。

图3为本发明卫星影像与长方形矩阵进行信息融合匹配示意图。

图4为本发明飞行航线的示意图。

图5为本发明飞行轨迹的立体示意图。

图6为本发明放电曲线迁移图。

图7为本发明外挂式GPS导航盒精度示意图。

图8为本发明普通移动设备自带GPS密林失锁精度对比示意图。

图9-图11为本发明效果图。

具体实施方式

一种较大范围矩阵式低成本无人机航测系统，包括消费级无人机、带有GIS系统的智能终端；还包括外挂式GPS导航盒，所述外挂式GPS导航盒为地面操作人员提供高精度定位服务，同时为消费级无人机优选起降点；所述智能终端包括手机、电脑及平板电脑。

所述智能终端为带有轻量化GIS系统的Windows系统电脑（为了降低操作门槛，为普通非专业人士提供便利）、带有移动GIS系统的安卓系统手机（基于国外先进的移动GIS系统结合自制地面地理大数据展开应用）和带有飞行控制软件的IOS系统的苹果平板电脑（利用iOS系统的封闭稳定性为消费级无人机提供稳定的飞行软件控制环境，保证野外不会因为软件系统受到开放系统环境设置问题造成崩溃，从而造成不可预见的飞行风险）。

其中，所述外挂式GPS导航盒包括高灵敏度的GPS芯片、移动电源以及带有MCX接口的GPS有源天线；所述GPS芯片通过USB连接移动电源，GPS有源天线通过MCX接口与GPS芯片相连。GPS芯片接收灵敏度平均值是-159dbm，通过蓝牙协议输出NMEA0183标准的高精度GPS信号，供带有移动GIS系统的安卓系统手机使用。因为GPS模块用电电流较小，故而选用可以支持小电流模式的移动电源。带有MCX接口的GPS有源天线，内置两级GPS信号放大电路，实测能明显提高 GPS接收性能，以3.3-5V宽电压输入。GPS以NMEA形式发放给移动设备。

一种较大范围矩阵式低成本无人机航测方法，使用如上所述的航测系统，测试方法包括如下。

步骤1：通过智能终端在测区内，首先建立一个边长不超过1000m方形矩阵，并将该方形矩阵复制并相接或者适当相交，排列成3纵3横的方形矩阵阵列，并测出每个子矩阵的顶点坐标及边长；具体实现步骤为：

（1）为充分表述该项技术，特选取一任意行政村范围为例，面积约为3.2平方公里，附比例尺，该区域以下简称“测区”；如图1所示；

（2）以正方形矩阵为例，也可以是长方形，建立正方形矩阵，又根据消费级无人机电力能力，航高依据一般应用（100-200米之间）特点，航飞边长不超过1000米为宜，如图设置边长为1000米的3纵3横的矩阵，矩阵从北到南依次按照A1、A2、A3，B1、B2、B3，C1、C2、C3编号；该操作在轻量化GIS软件中完成，矩阵每个顶点坐标均可读出，边长均固定或可测出，如图2所示。

步骤2：导入获取的卫星影像，将地面特征与长方形矩阵进行信息融合匹配，以确定每个子矩阵适合飞行作业的起降点及行动路线；如图3所示。

步骤3：依次在每个子矩阵内设定若干平行的飞行航线；该飞行航线从子矩阵任意一顶点出发沿飞行航线飞行直至飞行航线结束，每个子矩阵的飞行航线至少在一个角度上呈平行线状，在垂直于平行线方向上呈锯齿状；如图4所示；无人机将由A或D点进入开始航测航线飞行，各航线平行，无人机将严格沿线飞行。消费级无人机的配置特点目前主要是卡片相机，故而空间飞行具有特定的航道特点，图5为飞行轨迹的立体示意图。

优选地，操作人员在起飞点（A或D）附近起飞无人机后，应尽量移动在降落点附近接机，以高效完成所有举例矩阵的航飞，以做到航飞电力最大限度的节约和安全保障；消费级无人机应该有足量的电力冗余，以防止空着失去动力坠毁，锂电池随着使用次数增加和个体差异、外部温度的综合影响具有一定的不可控性，具体是放电曲线迁移，如图6所示。

步骤4：载入测区路网信息，通过带有移动GIS系统的安卓系统手机结合通过外挂式GPS导航盒找出步骤3中所述该子矩阵对应在现实中的起始点、终点及飞行航线，并利用带有飞行控制软件的IOS系统的苹果平板电脑控制无人机沿步骤（3）设定的飞行航线对应在现实中位置进行飞行；实际飞行轨迹应与所设飞行航线一致，误差不得超过5m；即作业人员一般通过具体路网确定如何最大限度的接近起飞点，并选择离降落点最近地点以收回无人机。本矩阵式航测一个技术点就是动态地选择无人机起飞点和回收点，呈现出起飞点与降落点在可能区域里的灵活机动性。

为实行这一技术要点，必须能给以作业人员足够的位置定位能力，以确定正确的位置，但是目前高精度GPS因为天线巨大携带并不方便携带，并且价格昂贵。为解决这一问题，采取移动GIS系统结合外挂式GPS导航盒来解决。

如图7所示，实际卫星信号，所述外挂式GPS导航盒精度达到了显示的1米，在实际测试中发现，这款外挂式GPS导航盒在窗边都能很快的接收到6－8个左右的有效卫星，完全满足在复杂地面遮蔽情况下定位任务，这对野外作业，特别是无人机飞行中对时间的紧迫性，具有极大的现实意义。

反之，一般的移动设备自带GPS则可能因为不能有效引导地面作业人员移动定位，从而导致严重飞行事故，如图因为树木遮蔽导致GPS信号微弱，定位误差达到惊人的400米，这几乎是本测区的一个边长的长度。如图8所示。

步骤5：重复步骤（3）及（4），使得无人机在测区内所有子矩阵内进行飞行。

步骤6：将无人机与带有轻量化GIS系统的Windows系统电脑进行数据传输，划出无人机实际航行轨迹，检查是否覆盖所有子矩阵的所有顶点，如果符合则外业任务完成；如图9所示；

步骤7：将本次所获取的所有影像及定位信息进行内业测图，形成正射影像；如图10-11所示。

航飞后对数据及时进行处理：

航飞要求如下表所示：

经检验，满足实际需求。

Claims (4)

1.一种较大范围矩阵式低成本无人机航测系统，其特征在于：包括消费级无人机、带有GIS系统的智能终端；还包括外挂式GPS导航盒，所述外挂式GPS导航盒为地面操作人员提供高精度定位服务，同时为消费级无人机优选起降点；所述智能终端包括手机、电脑及平板电脑。

2.根据权利要求1所述的较大范围矩阵式低成本无人机航测系统，其特征在于：所述智能终端为带有带有轻量化GIS系统的Windows系统电脑、带有移动GIS系统的安卓系统手机及带有飞行控制软件的IOS系统的苹果平板电脑。

3.根据权利要求2所述的较大范围矩阵式低成本无人机航测系统，其特征在于：所述盒包括高灵敏度的GPS芯片、移动电源以及带有MCX接口的GPS有源天线；所述GPS芯片通过USB连接移动电源，GPS有源天线通过MCX接口与GPS芯片相连；外挂式GPS导航盒通过蓝牙协议输出NMEA0183标准的高精度GPS信号，供带有移动GIS系统的安卓系统手机使用。

4.一种较大范围矩阵式低成本无人机航测方法，其特征在于：使用如上权利要求3所述的航测系统，测试方法包括如下步骤：

（1）：通过智能终端在测区内，首先建立一个边长不超过1000m方形矩阵，并将该方形矩阵复制并相接或者适当相交，排列成n纵n横的方形矩阵阵列，并测出每个子矩阵的顶点坐标及边长；

（2）：导入获取的卫星影像，将地面特征与长方形矩阵进行信息融合匹配，以确定每个子矩阵适合飞行作业的起降点及行动路线；

（3）：依次在每个子矩阵内设定若干平行的飞行航线；该飞行航线从子矩阵任意一顶点出发沿飞行航线飞行直至飞行航线结束，每个子矩阵的飞行航线至少在一个角度上呈平行线状，在垂直于平行线方向上呈锯齿状；

（4）：载入测区路网信息，通过带有移动GIS系统的安卓系统手机结合通过外挂式GPS导航盒找出步骤（3）中所述该子矩阵对应在现实中的起始点、终点及飞行航线，并利用带有飞行控制软件的IOS系统的苹果平板电脑控制无人机沿步骤（3）设定的飞行航线对应在现实中位置进行飞行；实际飞行轨迹应与所设飞行航线一致，误差不得超过5m；

（5）重复步骤（3）及（4），使得无人机在测区内所有子矩阵内进行飞行；

（6）：将无人机与带有轻量化GIS系统的Windows系统电脑进行数据传输，划出无人机实际航行轨迹，检查是否覆盖所有子矩阵的所有顶点，如果符合则外业任务完成；

（7）：将本次所获取的所有影像及定位信息进行内业测图，形成正射影像。