CN111142556A - 一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统及其自动作业方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统及其自动作业方法，航测系统包括搭载在无人机上的航测控制器及与其电连接的激光雷达、正射相机和高精度组合惯导，电源管控单元为上述的各部件供电；此外航测控制器既可通过无人机的通信数据链与地面系统的数据处理计算机实时通信，也可通过网线与地面系统的数据处理计算机有线通信。本发明所公开的航测系统搭载于无人飞行平台，可以有效的降低航测作业时飞行平台的载重量，并进一步降低航测作业的油耗，延长航测作业时间，提高经济效益。因为重量较小可以选择较小的飞行平台实现低空航测作业，而低空航测作业因为飞行高度较低，申请空域相对容易，受恶劣天气的影响也较小，可有效提高航测作业效率。

Description

一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统及其自动作业 方法
技术领域
本发明属于自动控制领域，特别涉及该领域中的一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统及其自动作业方法。
背景技术
随着激光雷达、倾斜摄影等技术在近些年的飞速发展，空中三维航测技术已广泛应用于智慧城市、轨道交通、电力巡线、抢险救灾等与社会生活息息相关的方面，航测系统挂载于飞行器作业，可实现大区域的空中快速测量。
目前机载激光雷达航测系统的作业方式主要有两种：1)低空飞行(约300-500米)对目标区域展开空间地理信息测量；2)在电力线上空(200米)沿电力线架设方向，对电力线进行巡检。上述两种作业方式具有显著的共同特征：1)搭载于有人机作业，2)依靠操作员发送指令的方式控制激光雷达实施作业。
由于采用有人飞行平台挂载，航测作业主要依赖作业人员的机上操作完成，具有飞行负载大、作业复杂度高、人员依赖性大且无法在危险环境下实施作业的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统及其自动作业方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统，其改进之处在于：包括搭载在无人机上的航测控制器及与其电连接的激光雷达、正射相机和高精度组合惯导，电源管控单元为上述的各部件供电；此外航测控制器既可通过无人机的通信数据链与地面系统的数据处理计算机实时通信，也可通过网线与地面系统的数据处理计算机有线通信。
一种自动作业方法，基于上述的航测系统，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)地面准备：
(11)选择地面基准点，架设GNSS基站，开机并等待至GNSS基站正常工作；
(12)根据航测作业要求，规划无人机飞行航线，并输出含影像航摄点、雷达开/关机点的航测作业文件；
(13)飞行航线导入无人机飞行控制单元；
(14)航测系统加电，数据处理计算机通过网线与航测系统直接连接；
(15)航测作业文件导入航测系统；
(16)设置航测系统飞行作业参数，包括数据、状态传输速率，激光雷达、相机工作参数，设置数据传输方式为直连通信；
(17)数据处理计算机通过网线对航测系统发送控制指令，并实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认航测系统各模块工作正常；
(18)设置航测系统数据传输方式为数据链通信；
(19)数据处理计算机通过数据链对航测系统发送控制指令，并实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认无人机数据链工作正常；
(2)起飞：
(21)固定翼无人机关电起飞：
(211)数据处理计算机通过数据链对航测系统发送关机指令；
(212)数据处理计算机通过数据链监测航测系统无状态、数据返回后对航测系统断电；
(213)固定翼无人机弹射起飞；
(214)电源管控单元延时对航测系统加电；
(215)数据处理计算机通过数据链实时接收航测系统各模块状态，确认系统工作正常；
(22)无人直升机加电起飞：静置15分钟后，直升机起飞；
(3)作业准备：
(31)无人机起飞后飞“8”字；
(32)无人机飞行过程中，航测控制器实时监测无人机是否已抵达航测作业文件中的关键点；
(4)飞行作业：
(41)航测控制器监测无人机到达关键点后，自动控制激光雷达开始工作；
(42)无人机按照规划航线飞行途中，航测控制器根据航测作业文件中的航摄点信息，自动控制正射相机拍照；
(43)数据处理计算机通过数据链实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认无人机航测系统正常工作；
(44)航测控制器监测无人机离开作业区域后，自动控制激光雷达停止工作；
(5)返航：无人机飞出作业区域后飞“8”字；
(6)着陆：
(61)固定翼无人机关电着陆：
(611)飞行10分钟后，航测控制器向电源管控单元发送延时断电指令；
(612)电源管控单元接收到延时断电指令后，延时一定时间对航测系统断电；
(613)着陆；
(62)无人直升机带电着陆：着陆静置15分钟后，对航测系统断电；
(7)数据处理：
(71)采集数据导出，包括雷达数据、正射影像、位置姿态数据及GNSS基站数据；
(72)位置姿态数据联合解算；
(73)雷达数据解算；
(74)影像数据解算；
(75)三维建模。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的航测系统搭载于无人飞行平台，可以有效的降低航测作业时飞行平台的载重量，并进一步降低航测作业的油耗，延长航测作业时间，提高经济效益。因为重量较小可以选择较小的飞行平台实现低空航测作业，获得厘米级精度的三维测绘模型。另一方面，低空航测作业因为飞行高度较低，申请空域相对容易，受雾、霾等恶劣天气的影响也较小，可有效提高航测作业效率。而无人飞行平台因为可以在塌方滑坡、堰塞湖、核辐射区等危险区域作业，更能适应抢险救灾等特殊领域的要求，也可适用于军事地形侦察领域。
本发明所公开的自动作业方法同样适用于有人机搭载多类型航测载荷作业，实现有人机搭载的“无人化”作业，降低作业时对航测操作员的依赖，提高有人机航测作业的自动化水平，具有较高的推广价值。
附图说明
图1是本发明航测系统的组成框图；
图2是本发明自动作业方法中地面准备步骤的流程示意图；
图3是本发明激光雷达的工作流程示意图；
图4是本发明航测控制器的工作流程示意图；
图5是本发明自动作业方法中飞行作业方式的示意图；
图6是本发明信息交互方式的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统，包括搭载在无人机上的航测控制器及与其电连接的激光雷达、正射相机和高精度组合惯导，电源管控单元为上述的各部件供电；此外航测控制器既可通过无人机的通信数据链与地面系统的数据处理计算机实时通信，也可通过网线与地面系统的数据处理计算机有线通信。
如图4所示，航测控制器的功能如下：能接收并转发对激光雷达、电源管控单元的控制指令；能接收并转发激光雷达、电源管控单元发送的状态指令；能接收并转发激光雷达发送的实时传输数据；能接收并解析对航测控制器及相机的控制指令，并执行相应动作；能生成航测控制器及相机的状态并发送；能接收并解析实时位置数据，用于判断无人机实时位置，以控制激光雷达开/关机，并控制相机拍照；能接收并存储原始位置、姿态数据，原始影像数据。
如图3所示，激光雷达的功能如下：能进行对地扫描，获得并存储激光扫描的原始波形数据；能接收并解析对激光雷达的控制指令，并执行相应动作；能生成激光雷达的状态指令，并发送给航测控制器；能进行实时激光数据的解算，并将解算结果发送给航测控制器。
高精度组合惯导的功能：可将实时位置数据发送给航测控制器；可将原始GNSS数据实时传输给航测控制器；可将原始IMU数据实时传输给航测控制器；可将PPS信号、实时位置数据发送给激光雷达。
电源管控单元的功能：能接收并解析对电源管控单元的控制指令，并执行相应动作；能生成并发送电源管控单元的状态；可控制对激光雷达、正射相机、航测载荷器、高精度组合惯导的加/断电。
数据处理计算机完成地面辅助控制工作，用于机上作业异常时的人工纠正。地空实时通信借助无人机的通信数据链完成，数据处理计算机、航测控制器分别完成与数据链机下端、机上端的信息交互。
如图6所示，航测系统内部的信息交互方式如下：
Figure BDA0002327212170000041
Figure BDA0002327212170000051
航测系统与地面处理计算机可通过网线直接连接进行信息交互，也可以通过无人机的机载数据链进行信息交互。航测系统通过其内部的航测控制器实现对外部的信息交互，可用于飞行作业时的地空交互，以便于及时发现作业异常并进行人工纠正。
如图5所示，执行飞行航测作业时，无人机搭载航测系统在目标地域按照预设航线飞行，通过在目标地域的上方空域进行多次折返飞行的方式作业，形成多个测量的航带，不同航带之间的激光雷达扫描数据及航摄影像具有一定的旁向重叠度，每个航带上相邻的航摄影像也具有一定的航向重叠度。
激光雷达按照固定的扫描角度对地面目标区域进行圈形扫描，扫描圈沿着无人机飞行方向前进，并获得对目标地域的闭合扫描数据，航测控制器在指定的航摄点控制正射相机自动拍照，获得航摄影像。
本实施例还公开了一种自动作业方法，基于上述的航测系统，包括如下步骤：
(1)如图2所示，地面准备：
(11)选择地面基准点，架设GNSS基站，开机并等待至GNSS基站正常工作；
(12)根据航测作业要求，规划无人机飞行航线，并输出含影像航摄点、雷达开/关机点的航测作业文件；
(13)飞行航线导入无人机飞行控制单元；
(14)航测系统加电，数据处理计算机通过网线与航测系统直接连接；
(15)航测作业文件导入航测系统；
(16)设置航测系统飞行作业参数，包括数据、状态传输速率，激光雷达、相机工作参数，设置数据传输方式为直连通信；
(17)数据处理计算机通过网线对航测系统发送控制指令，并实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认航测系统各模块工作正常；
(18)设置航测系统数据传输方式为数据链通信；
(19)数据处理计算机通过数据链对航测系统发送控制指令，并实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认无人机数据链工作正常；
(2)起飞：
(21)固定翼无人机关电起飞：
(211)数据处理计算机通过数据链对航测系统发送关机指令；
(212)数据处理计算机通过数据链监测航测系统无状态、数据返回后对航测系统断电；
(213)固定翼无人机弹射起飞；
(214)电源管控单元延时对航测系统加电；
(215)数据处理计算机通过数据链实时接收航测系统各模块状态，确认系统工作正常；
(22)无人直升机加电起飞：静置15分钟后，直升机起飞；
(3)作业准备：
(31)无人机起飞后飞“8”字；
(32)无人机飞行过程中，航测控制器实时监测无人机是否已抵达航测作业文件中的关键点；
(4)飞行作业：
(41)航测控制器监测无人机到达关键点后，自动控制激光雷达开始工作；
(42)无人机按照规划航线飞行途中，航测控制器根据航测作业文件中的航摄点信息，自动控制正射相机拍照；
(43)数据处理计算机通过数据链实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认无人机航测系统正常工作；
(44)航测控制器监测无人机离开作业区域后，自动控制激光雷达停止工作；
(5)返航：无人机飞出作业区域后飞“8”字；
(6)着陆：
(61)固定翼无人机关电着陆：
(611)飞行10分钟后，航测控制器向电源管控单元发送延时断电指令；
(612)电源管控单元接收到延时断电指令后，延时一定时间对航测系统断电；
(613)着陆；
(62)无人直升机带电着陆：着陆静置15分钟后，对航测系统断电；
(7)数据处理：
(71)采集数据导出，包括雷达数据、正射影像、位置姿态数据及GNSS基站数据；
(72)位置姿态数据联合解算；
(73)雷达数据解算；
(74)影像数据解算；
(75)三维建模。
本实施例针对激光雷达搭载于长航时无人机作业的应用场景，由于长航时无人机的飞行距离较远，很难保证在无人机作业过程中，无线通信传输线路一直处于良好的运行状态，因而现有的机载激光雷达航测系统作业需要较多人工干预的缺点将严重影响到系统的作业效果。本实施例设计了一种基于长航时、长航距无人机自动作业的方法，在无人机机载激光雷达航测系统工作过程中的实时控制、错误监测、数据分析等方面实现了自动化。

Claims (2)

1.一种基于激光雷达及长航时无人机的航测系统，其特征在于：包括搭载在无人机上的航测控制器及与其电连接的激光雷达、正射相机和高精度组合惯导，电源管控单元为上述的各部件供电；此外航测控制器既可通过无人机的通信数据链与地面系统的数据处理计算机实时通信，也可通过网线与地面系统的数据处理计算机有线通信。
2.一种自动作业方法，基于权利要求1所述的航测系统，其特征在于，包括如下步骤：
(1)地面准备：
(11)选择地面基准点，架设GNSS基站，开机并等待至GNSS基站正常工作；
(12)根据航测作业要求，规划无人机飞行航线，并输出含影像航摄点、雷达开/关机点的航测作业文件；
(13)飞行航线导入无人机飞行控制单元；
(14)航测系统加电，数据处理计算机通过网线与航测系统直接连接；
(15)航测作业文件导入航测系统；
(16)设置航测系统飞行作业参数，包括数据、状态传输速率，激光雷达、相机工作参数，设置数据传输方式为直连通信；
(17)数据处理计算机通过网线对航测系统发送控制指令，并实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认航测系统各模块工作正常；
(18)设置航测系统数据传输方式为数据链通信；
(19)数据处理计算机通过数据链对航测系统发送控制指令，并实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认无人机数据链工作正常；
(2)起飞：
(21)固定翼无人机关电起飞：
(211)数据处理计算机通过数据链对航测系统发送关机指令；
(212)数据处理计算机通过数据链监测航测系统无状态、数据返回后对航测系统断电；
(213)固定翼无人机弹射起飞；
(214)电源管控单元延时对航测系统加电；
(215)数据处理计算机通过数据链实时接收航测系统各模块状态，确认系统工作正常；
(22)无人直升机加电起飞：静置15分钟后，直升机起飞；
(3)作业准备：
(31)无人机起飞后飞“8”字；
(32)无人机飞行过程中，航测控制器实时监测无人机是否已抵达航测作业文件中的关键点；
(4)飞行作业：
(41)航测控制器监测无人机到达关键点后，自动控制激光雷达开始工作；
(42)无人机按照规划航线飞行途中，航测控制器根据航测作业文件中的航摄点信息，自动控制正射相机拍照；
(43)数据处理计算机通过数据链实时接收航测系统各模块状态及实时采集的雷达数据，确认无人机航测系统正常工作；
(44)航测控制器监测无人机离开作业区域后，自动控制激光雷达停止工作；
(5)返航：无人机飞出作业区域后飞“8”字；
(6)着陆：
(61)固定翼无人机关电着陆：
(611)飞行10分钟后，航测控制器向电源管控单元发送延时断电指令；
(612)电源管控单元接收到延时断电指令后，延时一定时间对航测系统断电；
(613)着陆；
(62)无人直升机带电着陆：着陆静置15分钟后，对航测系统断电；
(7)数据处理：
(71)采集数据导出，包括雷达数据、正射影像、位置姿态数据及GNSS基站数据；
(72)位置姿态数据联合解算；
(73)雷达数据解算；
(74)影像数据解算；
(75)三维建模。
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