CN109186557A - 一种无人机3d扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机3D扫描成像系统，涉及无人机图像采集技术领域，旨在解决现有技术中三维激光扫描仪能获取捕捉物体的3D视觉信息的能力有限的问题，其技术要点在于：包括装设于无人机上的大场定位子系统、小场扫描子系统，以及一控制端，所述大场定位子系统、小场扫描子系统通过CAN总线将采集到的数据信号送至所述控制端；所述小场扫描子系统包括一组基础成像传感器、至少两组亮度采集传感器，所述基础成像传感器、亮度采集传感器均与所述控制端连接。本发明能在最短的时间内定位具体位置并扫描成像，实现三维图像的采集，提高视觉效果，并提高无人机的使用效率和应用途径。

Description

一种无人机3D扫描成像系统

技术领域

本发明涉及无人机图像采集技术领域，尤其涉及一种无人机3D扫描成像系统。

背景技术

无人直升机具有起降灵活，可自由悬停等诸多优点，但现阶段国内大载荷无人直升机技术还不成熟，国外成熟产品又处于对华禁售的状态。因此存在着如下问题；1、现有的固定翼无人机电力巡检系统只采用可见光图像和视频对输电线路走廊进行巡视，检测手段单一，对于输电线路交跨线间距离、导线与地面建筑物（植被）间距离、 输电线路弧垂和输电线路风偏等参数则无法测量。2、利用有人直升机搭载三维激光扫描仪对输电线路进行巡视，使用成本高，不利于生产实际中推广使用。

针对上述问题，现有公告号为CN202494924U的中国专利公开了一种基于三维激光扫描系统的固定翼无人机电力巡检系统，包括固定翼无人机机体和与之通信并控制飞行状态、处理检测信息的地面测控中心，所述固定翼无人机机体上搭载有飞行控制系统和陀螺增稳吊舱，两者间相互通信；其中飞行控制系统通过机载第一通讯模块与地面测控中心通信；在陀螺增稳吊舱上设有成像装置与三维激光扫描仪，成像装置与三维激光扫描仪通过机载第二通讯模块与地面测控中心通信。

但是该方案中的三维激光扫描仪能获取捕捉物体的3D视觉信息的能力有限，例如，能提取关于捕捉范围内物体近似的深度信息，但不能获得关于这些物体表面的详细几何信息；或者能估算捕捉范围内物体的距离，但不能精确产生物体的3D形状；又或者能获取和产生捕捉范围内物体表面的详细信息，但不能提取深度和远视角信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机3D扫描成像系统，能在最短的时间内定位具体位置并扫描成像，实现三维图像的采集，提高视觉效果，并提高无人机的使用效率和应用途径。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种无人机3D扫描成像系统，包括装设于无人机上的大场定位子系统、小场扫描子系统，以及一控制端，所述大场定位子系统、小场扫描子系统通过CAN总线将采集到的数据信号送至所述控制端；

所述小场扫描子系统包括一组基础成像传感器、至少两组亮度采集传感器，所述基础成像传感器、亮度采集传感器均与所述控制端连接，所述基础成像传感器用于采集偏振色差图像，并采集至少一个物体的表面信息，并将所述偏振色差图像及所述表面信息发送至控制端，所述亮度采集传感器用于采集亮度图像，并将所述亮度图像发送至控制端，所述控制端用于根据所述偏振色差图像、所述亮度图像生成所得的深度信息，并根据所述深度信息和至少一个表面信息合成3D图像信息。

通过采用上述技术方案，大场定位子系统可对无人机进行实时定位，而小场扫描子系统可获取扫描物体的图像参数信息，然后两者将采集到的数据信号通过CAN总线传输到控制端中进行存储、调度、处理，以图形化、可视化的数据展示方法为参照，在最短的时间内定位具体位置并扫描成像，提高无人机的使用效率和应用途径；具体地，控制端将第一亮度图像与第二亮度图像进行对比，并根据图像颜色深度改变，逐步生成物体的深度信息，最后结合物体的表面信息，也就是平面信息坐标，得到3D图像信息，实现了三维图像的采集，提高了视觉效果。

进一步地，所述大场定位子系统包括图形监测单元、图形导航单元，所述图形监测单元和图形导航单元通过无线传输模块与所述控制端相连。

通过采用上述技术方案，将图形监测单元和图形导航单元通过无线传输模块与控制端相连以进行基础定位，利用图形监测单元可对地图进行基本测量操作，如长度测量、自由曲线测量、面积测量、自由形状测量等，以此确定扫描成型物体的具体位置；而图形导航单元提供鹰眼导航服务，执行地图漫游操作，查看该位置在全景地图上的区域方位，以便于工作人员进行远程操作。

进一步地，所述小场扫描子系统内设有与所述基础成像传感器连接的算法单元，所述算法单元编辑有图形分隔扫描算法。

通过采用上述技术方案，在小场扫描子系统中设置算法模块并编辑有图形分割算法，应用于较大较复杂的扫描成型物体，将复杂图形经图形分割后，再对每个子场进行扫描，进而有效提高工作效率、缩短工作时间。

进一步地，所述图形分隔扫描算法包括S形扫描和回旋扫描，所述S形扫描扫描内部，所述回旋扫描扫描边框。

通过采用上述技术方案，其中S形扫描优点是速度快，缺点使垂直于扫描方向的边沿不整齐，而回旋扫描能克服S形扫描的缺点，因此S形扫描用来扫描分割后的子场内部，回旋扫描用来扫描子场边框，进而可得到较好的图形质量和较高的效率。

进一步地，所述控制端包括至少一台智能手持终端及至少一台安装在无人机内部的可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器与所述智能手持终端通信连接实现数据同步。

通过采用上述技术方案，可编程逻辑控制器采用堆栈算法进行数据存储，实现数据的重复覆盖，即最近的数据若有新的数据到来将覆盖替换旧的数据；另外，智能手持终端及可编程逻辑控制器之间进行数据同步，防止信息丢失。

进一步地，所述可编程逻辑控制器包括自动控制单元和手动控制单元，所述自动控制单元内编辑有信息存储节点，所述手动控制单元与所述智能手持终端相连。

通过采用上述技术方案，自动控制单元内编辑有信息存储节点，利用该信息存储节点可存储基础成像传感器、亮度采集传感器的检测数据，实现智能化自动调节，有效满足人们对图像处理速度的要求。而手动控制单元与智能手持终端相连，可随时进行手动自动的模式切换，进而根据实际需求通过可编程逻辑控制器调控3D扫描成像系统。

进一步地，所述控制端与所述大场定位子系统、小场扫描子系统通过握手信号的交互进行工作状态的相互检查。

通过采用上述技术方案，在控制端每次启动时给大场定位子系统、小场扫描子系统的传感器一个信号，传感器再反馈一个信号给控制端，控制端对反馈的信号进行比对判断，并发出拒绝使用、警告或正常启用的指示信息。

进一步地，所述智能手持终端与所述可编程逻辑控制器通过心跳信号的交互进行工作状态的相互检查。

通过采用上述技术方案，实现智能手持终端与可编程逻辑控制器各自工作状态的相互检测，从而防止一方宕机而导致信息的遗漏。

进一步地，所述可编程逻辑控制器还设有以存储各基础成像传感器、亮度采集传感器的ID信息及校准数据的数据库，所述可编程逻辑控制器基于所述基础成像传感器、亮度采集传感器的ID信息进行身份识别，并根据所述基础成像传感器、亮度采集传感器的校准数据进行参数调节以实现校准。

通过采用上述技术方案，可编程逻辑控制器通过建立数据库，凭借每个传感器均具有固定的型号等信息值，在更换传感器或者系统重启时，将每个传感器的ID信息与可编程逻辑控制器数据库中的信息进行对比，检测传感器是否合法与有效，并发出拒绝使用、警告或正常启用的指示信息；另外通过上述技术方案实现了传感器的在线校准，无需将传感器拆卸下来进行校准，节约时间，降低人工成本。

进一步地，所述可编程逻辑控制器内存储无人机3D扫描成像系统中各部件的正常工作参数和/或工作寿命信息，并根据各部件的正常工作参数和/或工作寿命信息判断其是否需要更换或维修，若是，则进行本地和/或远程警示。

通过采用上述技术方案，实现了对无人机3D扫描成像系统各部件工作状态的预判功能，提前提醒工作人员更换或维修，防止故障发生，提高工作效率。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、通过大场定位子系统、小场扫描子系统将采集到的数据信号通过CAN总线传输到控制端中进行存储、调度、处理，以图形化、可视化的数据展示方法为参照，在最短的时间内定位具体位置并扫描成像，提高无人机的使用效率和应用途径；

2、通过设置大场定位子系统进行基础定位，以此确定扫描成型物体的具体位置，方便工作人员进行远程操作；

3、通过设置小场扫描子系统，利用基础成像传感器将采集的物体的偏振色差图像和采集的至少一个物体的表面信息均发送至控制端，然后利用亮度采集传感器将采集的物体的亮度图像发送至控制端，以使得控制端根据物体的偏振色差图像、亮度图像生成物体的深度信息，并根据深度信息和表面信息合成3D图像信息；

4、在可编程逻辑控制器内存储无人机3D扫描成像系统中各部件的正常工作参数和/或工作寿命信息，实现了系统的预判性。

附图说明

图1是本实施例一种无人机3D扫描成像系统的整体模块连接示意图；

图2是本实施例一种无人机3D扫描成像系统的另一种模块连接示意图，显示了控制端的内部结构。

图中，1、大场定位子系统；11、图形监测单元；12、图形导航单元；2、小场扫描子系统；21、基础成像传感器；22、亮度采集传感器；23、算法单元；3、控制端；31、智能手持终端；32、可编程逻辑控制器；321、自动控制单元；322、手动控制单元；323、数据库。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种无人机3D扫描成像系统，如图1所示，包括装设于无人机上的大场定位子系统1、小场扫描子系统2，以及一控制端3，大场定位子系统1、小场扫描子系统2通过CAN总线将采集到的数据信号送至所述控制端3，其中大场定位子系统1可对无人机进行实时定位，而小场扫描子系统2可获取扫描物体的图像参数信息，然后两者将采集到的数据信号通过CAN总线传输到控制端3中进行存储、调度、处理，以图形化、可视化的数据展示方法为参照，在最短的时间内定位具体位置并扫描成像，提高无人机的使用效率和应用途径。

为了既能提取关于捕捉范围内物体近似的深度信息，又能获得关于这些物体表面的详细几何信息；既能估算捕捉范围内物体的距离，又能精确产生物体的3D形状；既能获取和产生捕捉范围内物体表面的详细信息，又能提取深度和远视角信息。如图1所示，小场扫描子系统2包括一组基础成像传感器21、至少两组亮度采集传感器22，然后将基础成像传感器21、亮度采集传感器22与控制端3连接，其中在本发明此实施例中，此基础成像传感器21为CCD相机和安装在CCD相机上的偏振滤镜，可用于采集偏振色差图像，并采集至少一个物体的表面信息，并将偏振色差图像及表面信息发送至控制端3，而亮度采集传感器22为两组互补金属氧化物半导体图像传感器，第一组用于采集第一亮度图像，并将第一亮度图像发送至控制端3，第二组用于采集第二亮度图像，并将第二亮度图像发送至控制端3，控制端3根据偏振色差图像、第一亮度图像、第二亮度图像生成所得的深度信息，并根据深度信息和至少一个表面信息合成3D图像信息。具体地，控制端3将第一亮度图像与第二亮度图像进行对比，并根据图像颜色深度改变，逐步生成物体的深度信息，最后结合物体的表面信息，也就是平面信息坐标，得到3D图像信息，实现了三维图像的采集，提高了视觉效果。

如图1所示，大场定位子系统1包括图形监测单元11、图形导航单元12，将图形监测单元11和图形导航单元12通过无线传输模块与控制端3相连以进行基础定位，在本实施例中选用GPS定位系统，提供低成本、高精度、全时段、全方位的信息化服务，亦可采用中国研制的北斗卫星导航系统。其中，利用图形监测单元11可对地图进行基本测量操作，如长度测量、自由曲线测量、面积测量、自由形状测量等，以此确定扫描成型物体的具体位置；而图形导航单元12提供鹰眼导航服务，执行地图漫游操作，查看该位置在全景地图上的区域方位，以便于工作人员进行远程操作。

如图1所示，小场扫描子系统2内设置有与基础成像传感器21连接的算法单元23，该算法单元23编辑有图形分隔扫描算法，从而可应用于较大较复杂的扫描成型物体，将复杂图形经图形分割后，再对每个子场进行扫描，进而有效提高工作效率、缩短工作时间。

图形分隔扫描算法包括S形扫描和回旋扫描，其中S形扫描优点是速度快，缺点是垂直于扫描方向的边沿不整齐，因此用来扫描上述子场内部，回旋扫描可克服S形扫描的缺点，即用来扫描子场边框，以此来得到较好的质量和较高的效率。

如图2所示，控制端3包括至少一台智能手持终端31及至少一台安装在无人机内部的可编程逻辑控制器32，可编程逻辑控制器32与智能手持终端31通信连接实现数据同步，使用户可通过智能手持终端31对可编程逻辑控制器32进行控制操作，在本发明此实施例中，智能手持终端31为装载了远程控制APP的手机、平板或是笔记本电脑，而智能手持终端31与可编程逻辑控制器32之间利用蓝牙数据传输、红外数据传输或是电磁数据传输的方式实现通信连接以进行数据同步。但是可编程逻辑控制器32的存储数据量较小,且采用堆栈算法临时存储数据，而智能手持终端31采用硬盘存储，其存储数据量较大，可编程逻辑控制器32接收新的预设信息后即同步至智能手持终端31进行存储，以防止数据丢失，同时其自身实现了数据的重复覆盖，即最近的数据若有新的数据到来将覆盖替换旧数据，以实现数据的迭代。

如图1和图2所示，可编程逻辑控制器32包括自动控制单元321和手动控制单元322两种操作模式，其中自动控制单元321内编辑有信息存储节点，利用该信息存储节点可存储基础成像传感器21、亮度采集传感器22的检测数据，实现智能化自动调节，有效满足人们对图像处理速度的要求。而手动控制单元322与智能手持终端31相连，可随时进行手动自动的模式切换，进而根据实际需求通过可编程逻辑控制器32调控3D扫描成像系统。

为了提高系统的稳定性，如图2所示，控制端3与大场定位子系统1、小场扫描子系统2通过握手信号的交互进行工作状态的相互检查。在控制端3每次启动时给大场定位子系统1、小场扫描子系统2一个信号，大场定位子系统1、小场扫描子系统2再反馈一个信号给控制端3，该反馈信号包括各大场定位子系统1、小场扫描子系统2中传感器的ID信息，控制端3对反馈的信号与存储对应的ID信息进行比对判断，在大场定位子系统1、小场扫描子系统2存在问题时，或出现某种症状需要处理但暂时不会影响正常运行时，以及传感器的变化在误差范围内时候，做出拒绝使用、警告或正常启用的指示信息。

为了防止信息丢失，如图2所示，智能手持终端31与可编程逻辑控制器32通过心跳信号的交互进行工作状态的相互检查。即设定可编程逻辑控制器32及智能手持终端31在预设时间内相互收不到对方信号时，则判断智能手持终端31或可编程逻辑控制器32宕机，在智能手持终端31或可编程逻辑控制器32其中一方宕机的情况下，系统停止运行，等待处于宕机状态的智能手持终端31或可编程逻辑控制器32重启，或系统继续运行，但数据直接存入正常工作的智能手持终端31或可编程逻辑控制器32，待宕机方重启后，再将数据传输至宕机方。其中，判断智能手持终端31或可编程逻辑控制器32是否正常的预设时间不大于1分钟。

如图1和图2所示，可编程逻辑控制器32还设有以存储各基础成像传感器21、亮度采集传感器22的ID信息及校准数据的数据库323，可编程逻辑控制器32基于基础成像传感器21、亮度采集传感器22的ID信息进行身份识别，并根据基础成像传感器21、亮度采集传感器22的校准数据进行参数调节，以此实现了传感器的在线校准，无需将传感器拆卸下来进行校准，节约时间，降低人工成本。在更换基础成像传感器21、亮度采集传感器22或者系统重启时，由基础成像传感器21、亮度采集传感器22发送ID信息至可编程逻辑控制器32，随之系统中的每个基础成像传感器21、亮度采集传感器22的ID信息与数据库323中存储的参考ID信息进行对比，检测基础成像传感器21、亮度采集传感器22是否合法或有效，若检测到所得ID信息与数据库323中存储的参考ID信息不符，则进行本地警示，实现了对基础成像传感器21、亮度采集传感器22的身份识别。

如图2所示，可编程逻辑控制器32中存储有无人机3D扫描成像系统中各部件的正常工作参数和/或工作寿命信息，可根据各部件的正常工作参数和/或工作寿命信息判断其是否需要更换或维修，若是，则进行本地警示，实现了对各部件工作状态的预警功能，提前提醒工作人员更换或维修，防止故障发生，提高工作效率。

本无人机3D扫描成像系统的工作原理：首先凭借大场定位子系统1对无人机进行实时定位，确定扫描成型物体的具体位置，随之利用小场扫描子系统2获取扫描物体的图像参数信息，即基础成像传感器21将采集的物体的偏振色差图像和采集的至少一个物体的表面信息均发送至控制端3，第一组亮度采集传感器22将采集的物体的第一亮度图像发送至控制端3，第二组亮度采集传感器22将采集的物体的第二亮度图像发送至控制端3，以使得控制端3根据物体的偏振色差图像、第一亮度图像和第二亮度图像生成物体的深度信息，并根据深度信息和表面信息合成3D图像信息。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：包括装设于无人机上的大场定位子系统（1）、小场扫描子系统（2），以及一控制端（3），所述大场定位子系统（1）、小场扫描子系统（2）通过CAN总线将采集到的数据信号送至所述控制端（3）；

所述小场扫描子系统（2）包括一组基础成像传感器（21）、至少两组亮度采集传感器（22），所述基础成像传感器（21）、亮度采集传感器（22）均与所述控制端（3）连接，所述基础成像传感器（21）用于采集偏振色差图像，并采集至少一个物体的表面信息，并将所述偏振色差图像及所述表面信息发送至控制端（3），所述亮度采集传感器（22）用于采集亮度图像，并将所述亮度图像发送至控制端（3），所述控制端（3）用于根据所述偏振色差图像、所述亮度图像生成所得的深度信息，并根据所述深度信息和至少一个表面信息合成3D图像信息。

2.根据权利要求1所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述大场定位子系统（1）包括图形监测单元（11）、图形导航单元（12），所述图形监测单元（11）和图形导航单元（12）通过无线传输模块与所述控制端（3）相连。

3.根据权利要求1所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述小场扫描子系统（2）内设有与所述基础成像传感器（21）连接的算法单元（23），所述算法单元（23）编辑有图形分隔扫描算法。

4.根据权利要求3所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述图形分隔扫描算法包括S形扫描和回旋扫描，所述S形扫描扫描内部，所述回旋扫描扫描边框。

5.根据权利要求1所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述控制端（3）包括至少一台智能手持终端（31）及至少一台安装在无人机内部的可编程逻辑控制器（32），所述可编程逻辑控制器（32）与所述智能手持终端（31）通信连接实现数据同步。

6.根据权利要求5所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制器（32）包括自动控制单元（321）和手动控制单元（322），所述自动控制单元（321）内编辑有信息存储节点，所述手动控制单元（322）与所述智能手持终端（31）相连。

7.根据权利要求5所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述控制端（3）与所述大场定位子系统（1）、小场扫描子系统（2）通过握手信号的交互进行工作状态的相互检查。

8.根据权利要求5所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述智能手持终端（31）与所述可编程逻辑控制器（32）通过心跳信号的交互进行工作状态的相互检查。

9.根据权利要求5所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制器（32）还设有以存储各基础成像传感器（21）、亮度采集传感器（22）的ID信息及校准数据的数据库（323），所述可编程逻辑控制器（32）基于所述基础成像传感器（21）、亮度采集传感器（22）的ID信息进行身份识别，并根据所述基础成像传感器（21）、亮度采集传感器（22）的校准数据进行参数调节以实现校准。

10.根据权利要求5所述的一种无人机3D扫描成像系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制器（32）内存储无人机3D扫描成像系统中各部件的正常工作参数和/或工作寿命信息，并根据各部件的正常工作参数和/或工作寿命信息判断其是否需要更换或维修，若是，则进行本地和/或远程警示。