CN109917433A - 一种可飞行的测量系统和飞行测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可飞行的测量系统和测量方法，解决现有RTK测量系统无法在凹陷地形进行准确测量的技术问题。系统包括：GNSS接收机，用于接收卫星信号、基准站数据链和修正数据，形成定位数据；激光测距装置，用于测量无人机悬停时与地面间的高度差，形成修正数据；无人机，用于承载GNSS接收机和激光测距装置，受控悬停至指定位置。利用无人机悬停高度避免了同源无线信号的多径干扰提高了无线信号接收灵敏度。利用激光测距的成熟技术获得无人机与地面被测位置的相对高差形成修正数据，使得无人机可以灵活调整悬停高度克服复杂的近场障碍，保证了地面位置的定位测量精度，为实现灵活的定点测量和范围测量提供了可靠保障。

Description

一种可飞行的测量系统和飞行测量方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种可飞行的测量系统和测量方法。

背景技术

现有技术中，野外高精度定位测量主要使用RTK(Real-time kinematic，实时动态)测量系统。一般的RTK测量系统包括GNSS(Global Navigation Satellite System))接收机，GNSS接收机采用载波相位差分技术，利用至少四颗卫星信号结合基准站数据链计算出精准的厘米级定位数据。但是当待定位位置位于局部遮蔽地形或在一些山谷、沟壑底部等近场受限地形时进行测量会因地形而导致GNSS接收机无法连接到足够的卫星信号和基准站的无线数据链从而导致无法得出可靠定位数据。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种可飞行的测量系统和测量方法，解决现有RTK测量系统无法在凹陷地形进行准确测量的技术问题。

本发明实施例的可飞行的测量系统，包括：

GNSS接收机，用于接收卫星信号、基准站数据链和修正数据，形成定位数据；

激光测距装置，用于测量无人机悬停时与地面间的高度差，形成所述修正数据；

无人机，用于承载所述GNSS接收机和所述激光测距装置，受控悬停至指定位置。

本发明一实施例中，所述激光测距装置包括：

增益水平云台，用于建立所述无人机悬停高度的水平承载面，悬垂固定负荷物；

激光测距仪，用于将激光形成测距信号获得所述水平承载面至地面的垂直高度，并利用所述激光形成预置光学图案；

水平仪，用于采集所述水平承载面的实时水平夹角；

温度补偿装置，用于提供工况温度保持所述水平仪的稳定工况；

第一轴向取景器，用于在所述水平承载面的X轴端部采集所述预置光学图案在地面形成的投影图案；

第二轴向取景器，用于在所述水平承载面的Y轴端部采集所述预置光学图案在地面形成的投影图案；

测距处理器，用于根据所述水平承载面的水平误差修正所述测距信号形成所述修正数据。

本发明一实施例中，所述测距处理器中部署以下模块：

取景图像判断模块，用于量化识别所述第一轴向取景器和所述第二轴向取景器同步获取的所述投影图像在投影平面中两个垂直方向上的形变程度，形成所述增益水平云台的图形误差数据；

水平仪判断模块，用于量化识别所述水平承载面随所述无人机悬停漂移过程中的倾斜变化形成所述增益水平云台的角度误差数据；

水平度加权模块，用于根据所述图形误差数据和所述角度误差数据的误差趋势判断最佳水平度出现的时机和时间点，形成最佳水平时间；

激光测距接收模块，用于持续接收所述测距信号形成的距离数据；

时间戳生成模块，用于根据所述最佳水平时间标注所述距离数据的时间戳形成修正数据；

通信链路控制模块，用于形成受控通信链路控制修正数据的传输。

本发明一实施例中，所述GNSS接收机部署以下模块：

定位数据修正模块，用于根据所述修正数据对接收的卫星信号和/或数据链数据的解算过程进行修正，形成地面待测量位置的准确坐标数据；

坐标数据显示模块，用于将所述准确坐标数据与采集的所述地面待测量位置的图像融合形成实时定位图像，通过所述无人机通信链路向移动终端传输。

本发明实施例的飞行测量方法，利用上述的可飞行的测量系统，包括：

将所述无人机悬停在地面待测位置上方；

通过所述激光测距装置获取地面的待测位置图像；

通过所述激光测距装置获得距地高度；

所述GNSS接收机将距地高度作为修正数据进行定位解算获得定位数据；

所述GNSS接收机将所述定位数据与所述待测位置图像融合后传送至地面的移动终端。

本发明一实施例中，所述通过激光测距装置获得距地高度包括：

通过所述第一轴向取景器和所述第二轴向取景器获得同步采集的地面图像，利用所述取景图像判断模块量化地面图像中垂直方向上的形变长度；

通过所述水平仪获得同步采集的所述增益水平云台角度误差数据，利用所述水平仪判断模块量化水平承载面的倾斜角度；

在所述倾斜角度和所述形变长度同时处于最小误差范围时利用所述时间戳生成模块将处于最小误差范围内的距离数据进行时间戳标记，形成一组对应最小误差范围的修正数据。

本发明实施例的可飞行的测量系统和测量方法利用无人机承载GNSS接收机改变高度提高无线信号接收质量的同时，利用悬停高度避免了同源无线信号的多径干扰有效提高了无线信号接收灵敏度。无人机承载测距装置利用激光测距的成熟技术获得无人机与地面被测位置的相对高差形成修正数据，使得无人机可以灵活调整悬停高度克服复杂的近场障碍，保证了地面位置的定位测量精度，为实现灵活的定点测量和范围测量提供了可靠保障。

附图说明

图1所示为本发明一实施例可飞行的测量系统的架构示意图。

图2所示为本发明一实施例可飞行的测量系统中激光测距装置的架构示意图。

图3所示为本发明一实施例可飞行的测量系统激光测距装置中测距处理器和GNSS接收机信号传递的架构示意图。

图4所示为本发明一实施例飞行测量方法的测量流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例可飞行的测量系统如图1所示。在图1中，可飞行的测量系统包括：

GNSS接收机300，用于接收卫星信号、基准站数据链和修正数据，形成定位数据；

无人机200，用于承载GNSS接收机和激光测距装置，受控悬停至指定位置；

激光测距装置100，用于测量无人机悬停时与地面间的高度差，形成修正数据。

本发明实施例可飞行的测量系统利用无人机承载GNSS接收机改变高度提高无线信号接收质量的同时，利用悬停高度避免了同源无线信号的多径干扰有效提高了无线信号接收灵敏度。无人机承载测距装置利用激光测距的成熟技术获得无人机与地面被测位置的相对高差形成修正数据，使得无人机可以灵活调整悬停高度克服复杂的近场障碍，保证了地面位置的定位测量精度，为实现灵活的定点测量和范围测量提供了可靠保障。

在本发明一实施例中，GNSS接收机设置在无人机顶部，激光测距装置设置在无人机底部，GNSS接收机、无人机与激光测距装置的质心位于同一竖直轴线上。

本发明一实施例可飞行的测量系统中激光测距装置的架构如图2所示。在图2中，激光测距装置包括：

增益水平云台110，用于建立无人机悬停高度的水平承载面，悬垂固定负荷物；

激光测距仪120，用于将激光形成测距信号获得水平承载面至地面的垂直高度，并利用激光形成预置光学图案；

水平仪130，用于采集水平承载面的实时水平夹角；

温度补偿装置140，用于提供工况温度保持水平仪的稳定工况；

第一轴向取景器150，用于在水平承载面的X轴端部采集预置光学图案在地面形成的投影图案；

第二轴向取景器160，用于在水平承载面的Y轴端部采集预置光学图案在地面形成的投影图案；

测距处理器170，用于根据水平承载面的水平误差修正测距信号形成修正数据。

在本发明一实施例中，增益水平云台110的水平承载面水平时其中心位于无人机质心所在的竖直轴线上。在水平承载面的中心设置激光测距仪120，激光测距仪发射的激光垂直于水平承载面。水平仪130位于水平承载面的边缘，温度补偿装置140的热量传导部件水平仪130的测量结构接触。第一轴向取景器150设置于水平承载面上通过中心的第一轴线的端部，第二轴向取景器160设置于水平承载面上通过中心的第二轴线的端部，第一轴线与第二轴线垂直，各取景器的光学感应面的轴线与水平承载面垂直。测距处理器170与GNSS接收机300、增益水平云台110、激光测距仪120、水平仪130、温度补偿装置140、第一轴向取景器150、第二轴向取景器160间分别建立近场无线通信链路，近场无线通信采用例如蓝牙、NFC等技术。

在本发明一实施例中，激光测距仪120发射可见光和非可见光两个激光束，第一激光束(非可见光)作为测距信号，第二激光束(可见光)经过透镜扩散形成平行光，通过预置图案通孔形成预置光学图案。预置光学图案可以是与取景器设置位置对应的十字图案或十字型图案。第一激光束位于预置光学图案中心第一激光束与预置光学图案共轴。在实际使用中，通常在地面待测位置进行简单标记，取景器捕获预置光学图案在地面的投影图像的同时也获得了地面图像，在操作过程中将预置光学图案对称中心对准简单标记，就可以实现地面待测位置和地面待测位置上的投影图像的位置匹配。将地面图像传送至移动终端进行观察，就可以适时位移调整水平承载面使得预置光学图案的对称中心与地面待测位置的简单标记重合，使得作为测距信号的第一激光束对准简单标记完成距离测量。

本发明实施例可飞行的测量系统利用增益水平云台在无人机悬停保持初步稳定的基础上进一步形成具有更高动态稳定精度的水平承载面，使得激光测距仪具有获得更准确垂直高度的基准。由于受温度变化、自然风向和无人机系统稳定性影响水平承载面会一直处于动态调整状态，使得测距信号保持漂移，本发明实施例采用同步投影的光学图案指示地面定位位置利用两个取景器采集负相关的成对地面投影图案，通过图像分析可以获得投影图案在不同方向上的形变，获得地面测量的量化漂移数据。同时利用工况稳定的水平仪获取水平承载面本体的水平度误差，获得水平承载面受无人机悬停摆动影响出现的角度变化数据，通过图像形变和角度变化两种途径的误差信号修正第一激光束的测距信号形成修正数据，保证悬停状态的GNSS接收机卫星信号接收误差和测量的与地面间的高度误差得以最大限度消除。

本发明一实施例可飞行的测量系统的测距处理器中部署的处理模块如图3所示，测距处理器通过以下处理模块实现对应的数据处理过程：

取景图像判断模块171，用于量化识别第一轴向取景器和第二轴向取景器同步获取的投影图像在投影平面中两个垂直方向上的形变程度，形成增益水平云台的图形误差数据；

图形误差数据体现测距信号对地面测量位置的直观对准误差，具有对地面定位位置实时反馈的测量优势。通过在两个垂直方向上的形变程度可以确定当前测量信号的漂移方位和距离。

水平仪判断模块173，用于量化识别水平承载面随无人机悬停漂移过程中的倾斜变化形成增益水平云台的角度误差数据；

角度误差数据体现了无人机悬停漂移姿态对水平承载面本体基准影响的方向和程度，具有实时感知无人机姿态变化的测量优势。可以帮助增益水平云台提供前反馈信号，提高水平承载面调平响应效率。

水平度加权模块172，用于根据图形误差数据和角度误差数据的误差趋势判断最佳水平度出现的时机和时间点，形成最佳水平时间；

激光测距接收模块174，用于持续接收测距信号形成的距离数据；

时间戳生成模块175，用于根据最佳水平时间标注距离数据的时间戳形成修正数据；

通信链路控制模块176，用于形成受控通信链路控制修正数据的传输。

本发明实施例可飞行的测量系统利用角度误差和图像误差结合实时测距信号的测量过程，将同时符合最小误差的角度误差和图像误差的测距信号作为准确高度距离数据，使得无人机悬停漂移和摆动的误差因素得以克服，有效提高了修正数据的准确性。

在本发明一实施例中，如图3所示，GNSS接收机300部署以下处理模块：

定位数据修正模块310，用于根据修正数据对接收的卫星信号和/或数据链数据的解算过程进行修正，形成地面待测量位置的准确坐标数据；

坐标数据显示模块320，用于将准确坐标数据与采集的地面待测量位置的图像融合形成实时定位图像，通过无人机通信链路向移动终端传输。

本发明实施例可飞行的测量系统将GNSS接收机解算后的定位数据和取景器获得的地面图像相融合，并实时传输至地面的移动终端，使得定位过程的测量自由度有了较大的提升，尤其可以适用于进场障碍物较多的地面区域范围测量。

测距处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。

本发明一实施例飞行测量方法如图4所示。在图4中，飞行测量方法利用本发明实施例的可飞行的测量系统，包括：

步骤10：将无人机悬停在地面待测位置上方；

步骤20：通过激光测距装置获取地面的待测位置图像；

步骤30：通过激光测距装置获得距地高度；

步骤40：GNSS接收机将距地高度作为修正数据进行定位解算获得定位数据；

步骤50：GNSS接收机将定位数据与待测位置图像融合后传送至地面的移动终端。

本发明实施例飞行测量方法有效克服了进场障碍形成的测量缺陷，较好改善了测量过程的自由度。

在本发明一实施例中，如图4所示，步骤30包括：

步骤31：通过第一轴向取景器和第二轴向取景器获得同步采集的地面图像，利用取景图像判断模块量化地面图像中垂直方向上的形变长度；

步骤32：通过水平仪获得同步采集的增益水平云台角度误差数据，利用水平仪判断模块量化水平承载面的倾斜角度；

步骤33：在倾斜角度和形变长度同时处于最小误差范围时利用时间戳生成模块将处于最小误差范围内的距离数据进行时间戳标记。形成一组对应最小误差范围的修正数据。

本发明实施例飞行测量方法形成的对应最小误差范围的修正数据可以进一步提高定位测量的解算精度形成与最小误差范围对应的时间范围内的修正数据，利用符合精度逼近趋势的数据提高最终测量精度。

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揭露的技术范围内，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 (6)

1.一种可飞行的测量系统，其特征在于，包括：

GNSS接收机，用于接收卫星信号、基准站数据链和修正数据，形成定位数据；

激光测距装置，用于测量无人机悬停时与地面间的高度差，形成所述修正数据；

无人机，用于承载所述GNSS接收机和所述激光测距装置，受控悬停至指定位置。

2.如权利要求1所述的可飞行的测量系统，其特征在于，所述激光测距装置包括：

增益水平云台，用于建立所述无人机悬停高度的水平承载面，悬垂固定负荷物；

激光测距仪，用于将激光形成测距信号获得所述水平承载面至地面的垂直高度，并利用所述激光形成预置光学图案；

水平仪，用于采集所述水平承载面的实时水平夹角；

温度补偿装置，用于提供工况温度保持所述水平仪的稳定工况；

第一轴向取景器，用于在所述水平承载面的X轴端部采集所述预置光学图案在地面形成的投影图案；

第二轴向取景器，用于在所述水平承载面的Y轴端部采集所述预置光学图案在地面形成的投影图案；

测距处理器，用于根据所述水平承载面的水平误差修正所述测距信号形成所述修正数据。

3.如权利要求2所述的可飞行的测量系统，其特征在于，所述测距处理器中部署以下模块：

取景图像判断模块，用于量化识别所述第一轴向取景器和所述第二轴向取景器同步获取的所述投影图像在投影平面中两个垂直方向上的形变程度，形成所述增益水平云台的图形误差数据；

水平仪判断模块，用于量化识别所述水平承载面随所述无人机悬停漂移过程中的倾斜变化形成所述增益水平云台的角度误差数据；

水平度加权模块，用于根据所述图形误差数据和所述角度误差数据的误差趋势判断最佳水平度出现的时机和时间点，形成最佳水平时间；

激光测距接收模块，用于持续接收所述测距信号形成的距离数据；

时间戳生成模块，用于根据所述最佳水平时间标注所述距离数据的时间戳形成修正数据；

通信链路控制模块，用于形成受控通信链路控制修正数据的传输。

4.如权利要求2所述的可飞行的测量系统，其特征在于，所述GNSS接收机部署以下模块：

定位数据修正模块，用于根据所述修正数据对接收的卫星信号和/或数据链数据的解算过程进行修正，形成地面待测量位置的准确坐标数据；

坐标数据显示模块，用于将所述准确坐标数据与采集的所述地面待测量位置的图像融合形成实时定位图像，通过所述无人机通信链路向移动终端传输。

5.一种飞行测量方法，其特征在于，利用如权利要求1至4任意所述的可飞行的测量系统，包括：

将所述无人机悬停在地面待测位置上方；

通过所述激光测距装置获取地面的待测位置图像；

通过所述激光测距装置获得距地高度；

所述GNSS接收机将距地高度作为修正数据进行定位解算获得定位数据；

所述GNSS接收机将所述定位数据与所述待测位置图像融合后传送至地面的移动终端。

6.如权利要求5所述的飞行测量方法，其特征在于，所述通过激光测距装置获得距地高度包括：

通过所述第一轴向取景器和所述第二轴向取景器获得同步采集的地面图像，利用所述取景图像判断模块量化地面图像中垂直方向上的形变长度；

通过所述水平仪获得同步采集的所述增益水平云台角度误差数据，利用所述水平仪判断模块量化水平承载面的倾斜角度；

在所述倾斜角度和所述形变长度同时处于最小误差范围时利用所述时间戳生成模块将处于最小误差范围内的距离数据进行时间戳标记，形成一组对应最小误差范围的修正数据。