CN111323789A - 一种基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置及方法，装置包括无人机平台、控制器和无人机下方挂设的固态雷达、卫星和惯导系统；所述的固态激光雷达包括传感器和数据处理单元，传感器扫描地面并获取扫描图像后经数据处理单元处理，形成地面被扫描区域的位置数据；控制器控制无人机按照预先设定路线进行飞行作业，并实时获取卫星和惯导系统的定位姿态数据；所述的控制器将所述位置数据和定位姿态数据融合处理后得到地面形貌数据。本发明将固态雷达与无人机平台相结合，利用固态激光雷达的无需机械旋转扫描、结构紧凑、抗振性好的特点，提高了扫描效率，同时降低了飞行能耗，提高了整体的悬空时间和航程。
Description
技术领域
本发明属于遥感测绘技术领域，具体涉及一种基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置及方法。
背景技术
矿山的勘察是矿山智能化的先决条件，其中数据的收集、处理、储藏是任何智能主体社区构建的第一步。实时的信息数据是智慧矿区的基础要素，有了最全面的信息才能做最正确的决策。只有不间断更新的空间数据和地信数据才能保证矿区智能化作业后的高效和安全，因此如何收集矿山待监测区域的各种数据信息并对相关数据信息进行处理，以实现对待监测区域的地理信息进行快速清晰的掌握是目前急需解决的技术问题。
无人机(UAV)的普及提高了人们日常工作效率。在工业应用上，通过附加摄像头，红外和LiDAR有效载荷，无人机可以提供低成本获得高精度3D数据和航拍。无人机现在普遍用于露天采矿作业，用于包括设施管理、事故报告、进度监控以及环境的评估。无人机可以为应用中的日常采矿作业增值，例如前期计划作业、监控爆破前后差异、识别事故、监测道路损害和区域的整体沉降机滑坡趋势监测。但是由于矿山地形的复杂性，目前还欠缺无人机和测绘雷达相结合，以及具体的飞行测绘的有效方案，以精确测绘得到矿区地形地貌参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置及方法，将固态雷达和无人机平台相结合，测绘得到所检测区域的地形地貌参数，为科学管理矿山提供数据支持。
本发明的技术方案如下：
一种基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置，包括无人机平台、控制器和无人机下方挂设的固态雷达、卫星和惯导系统；所述的固态激光雷达包括传感器和数据处理单元，传感器扫描地面并获取扫描图像后经数据处理单元处理，形成地面被扫描区域的位置数据；控制器控制无人机按照预先设定路线进行飞行作业，并实时获取卫星和惯导系统的定位姿态数据；所述的控制器将所述位置数据和定位姿态数据融合处理后得到地面形貌数据。
上述基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置中，所述的无人机为多旋翼无人机。
上述基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置中，卫星和惯导系统包括惯导系统INS和卫星定位系统GNSS。
上述基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置中，固态雷达为固态激光雷达。
上述基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置中，控制器还包括无线传输单元，与远端的手持式遥控器无线连接。
一种基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描方法，包括以下步骤：
【1】将无人机平台悬停至测绘场景中央，固态激光雷达调节至大视角、低空间分辨模式，获取整个场景的概况图，并结合卫星和惯导系统参数，得到场景的地形数据，同时对场景地形数据分析，得到特殊地形标记物的位置参数；
【2】根据实际需要将整个场景划分为若干块测量子区域；
【3】将固态激光雷达调节至小视角、高空间分辨模式，针对划分得到的每块测量子区域，无人机采用十字交叉双循环作业的方式进行测绘；第一次按照“之”字行进路线对测量子区域扫描第一遍，然后垂直于第一次的行进路线，再按照“之”字行进路线对测量子区域扫描第二遍；
【4】每组无人机按既定顺序依次扫描每个测量子区域后，控制器处理得到该测量子区域的激光雷达数据，结合卫星和惯导系统参数，并建模得到该测量子区域的地形数据；
【5】无人机移动至下一测量子区域，并循环反复直至完成所有的测量子区域；
【6】对于地形较复杂或局部信息缺失的测量子区域，需要预先规划或临场决策，针对性进行扫描和数据补充；
【7】结合步骤【1】的场景概况图和特殊地形标记物的位置参数，对获取的测量子区域地形数据进行数据融合，最终得到整个测绘场景的地形地貌参数。
上述基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描方法中，步骤【1】中所述的特殊地形标记物为悬空电线、灯柱或路标。
上述基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描方法中，步骤【3】中对于同一块测量子区域采用重叠扫描飞行方式。
上述基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描方法中，步骤【3】中两次交叉测绘中飞机飞行在50-100m的不同高度。
本发明具有的有益技术效果如下：
一、本发明将固态雷达与无人机平台相结合，利用固态激光雷达的无需机械旋转扫描、结构紧凑、抗振性好的特点，提高了扫描效率，同时降低了飞行能耗，提高了整体的悬空时间和航程。
二、本发明将固态雷达的小视角的精细扫描模式和大视角的粗略扫描模式相结合，并将特殊地形标记物的位置参数融合进整个测绘场景的地形地貌参数，为矿山的精确测绘提供了数据支持。
三、采用本发明的分组式区域细化飞行，能实现不小于60平方公里/小时采集效率，极大的提高数据的传输速率和处理速率。搭载激光扫描模组无人机以50-100m的低空预设飞行高度进行近地遥感测绘，可克服空中激光扫描测量距离较短、扫描区域较小的弊端，确保扫描数据的精确可靠；同时再地形诡谲多变、空拍阴影死角区域、拓扑信息量大，或有个别特殊性目的要求的测区进行反复的数据实时再收集，可克服局部测区信息量不足的问题，同时能按需求对测区场景的变化做出实时针对性反应。
附图说明
图1为本发明扫描装置的组成结构图；
图2为本发明无人机平台控制流程图；
图3为无人机飞行重叠扫描原理图；
图4为目标场景的区域划分示意图图；
图5为无人机十字交叉双循环作业飞行路线示意图；
附图标记为：1-无人机；2-固态雷达；3-卫星和惯导系统；4-地面；5-控制器。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置包括无人机平台、控制器5和无人机1下方挂设的固态雷达2、卫星和惯导系统3；所述的固态雷达2包括传感器和数据处理单元，传感器扫描地面并获取扫描图像后经数据处理单元处理，形成地面被扫描区域的位置数据；控制器5控制无人机1按照预先设定路线进行有规律的连续飞行作业，并实时获取卫星和惯导系统3的定位姿态数据；所述的控制器5将所述位置数据和定位姿态数据融合处理后得到地面4的形貌数据。控制器5获取的定位姿态数据包括位置数据，角度数据等，以及固态雷达2测绘的3D点云数据，并控制无人机1行进在高于获得收集地形面的平行登高面，通过传感器记录各种的位置数据和测量范围数据。控制器5还包括无线传输单元，与远端的手持式遥控器无线连接，由操作手进行远程在线操控。
无人机采用在多旋翼无人机平台，带有卫星和惯导系统，包括用于精准定位的INS(惯导系统)和GNSS(卫星定位系统)，有效载荷悬挂在无人下方，并事先经过预先载荷验证。有效载荷包括固态激光雷达和有效载荷外壳，有效载荷外壳使得有效载荷壳体悬挂在转子组件下方，固态雷达包括处理器和传感器；此外还包括控制器，用于记录位置，方向和范围数据，并控制无人机下降和上升基本垂直，工作时通过旋翼的倾斜进行同一水平面上的多方向行进。
本发明的固态雷达采用固态激光雷达。固态激光雷达作为一种有前途的激光测距雷达，可以与无人机相结合，完成对地形地物的准确测量。传统的激光雷达系统是机电的，它们依靠精确而准确的运动部件来获得适合自主导航的测量结果。这些测量来自激光的光子，然后光子从表面反射回来并聚集到可以确定这些物体距离的收集器中。激光和收集器必须旋转才能扫描其周围的区域。所涉及的活动部件限制了系统的尺寸，因为将它们制成小巧紧凑会增加所需精确制造的难度，从而提高成本。此外，运动部件会对数据产生干扰和影响。
固态激光雷达是完全构建在硅芯片上的系统。不涉及任何运动部件，这不仅使振动更具弹性，而且可以更轻松地减小尺寸，保证了全套系统的轻量化。这样有效的减小扫描系统了对无人机载荷的需求，让载荷不超过3.5KG的多旋翼无人机能承载固态激光雷达完成通常很难完成的近地扫描任务。同时整体系统的重量减轻也有效的降低了无人机飞行的能耗，提高了整体的悬空时间和航程。
为了实现扫描，固态激光雷达中采用了光学相控阵，光发射器以特定的光斑和相位定向发光，并可以调整焦点和光斑大小，且无需采用机械旋转和扫描，故结构更紧凑，抗振性更好。
本发明的无人机固态激光雷达可用于推导用于许多应用程序的表面模型，例如林业，水文学，地貌学，城市规划，景观生态学，海岸工程，勘测评估和体积计算。激光雷达收集非常密集且高度精确的点，从而可以精确识别物体。这些密集的点云可用于管理设施，进行公路和铁路勘测，地形测量，甚至可以创建外部地形和内部空间的3D模型。
如图3所示，将固态激光雷达固定在飞机平台上。无人机以预先规划好的行进路线或由操作手进行在线操控，对测区进行往返来回扫描。扫描中采用重叠扫描的方式，相邻的扫描路线上均保持部分重叠区域，避免遗漏数据。
如图4和图5所示，为了提高对目标场景的快速扫描测绘与建模，本发明提出了分组式区域细化飞行测绘的方案，来提升测量效率和解析度，以求实现高速全面的地形数据采集。
具体解决方案如下：
(1)将无人机平台悬停至测绘场景中央，固态激光雷达调节至大视角、低空间分辨模式，获取整个场景的概况图，并结合卫星和惯导系统参数，得到场景的地形数据，同时对场景地形数据分析，得到诸如悬空电线，灯柱和路标等特殊地形标记物的位置参数。
(2)根据实际需要将整个场景划分为若干块测量子区域。如图4分为A、B、C三组，A组按规划分为4块，同一组无人机按次序对A1、A2、A3、A4子区域执行4个架次的飞行测绘。
(3)将固态激光雷达调节至小视角、高空间分辨模式。如图5所示，针对划分得到的每块测量子区域，无人机采用十字交叉双循环作业的方式进行测绘；第一次按照“之”字行进路线对测量子区域扫描第一遍，然后垂直于第一次的行进路线，再按照“之”字行进路线对测量子区域扫描第二遍。
其中两次交叉测绘中飞机飞行在50-100m的不同高度，且对于同一块测量子区域扫描中采用如图3所示的重叠扫描方式。这样可以克服局部复杂地形的影响，获取足够的可信数据。
(4)每组无人机按既定顺序依次扫描每个测量子区域后，控制器处理得到该测量子区域的激光雷达数据，结合卫星和惯导系统参数，并建模得到该测量子区域的地形数据。
(5)无人机移动至下一测量子区域，如此反复直至完成所有的测量子区域。
(6)对于地形较复杂或局部信息缺失的测量子区域，需要预先规划或临场决策，针对性进行扫描和数据补充。
(7)结合步骤(1)的场景概况图和特殊地形标记物的位置参数，对获取的测量子区域地形数据进行数据融合，最终得到整个测绘场景的地形地貌参数。
采用本发明的分组式区域细化飞行，能实现不小于60平方公里/小时采集效率，极大的提高数据的传输速率和处理速率。搭载激光扫描模组无人机以50-100m的低空预设飞行高度进行近地遥感测绘，可克服空中激光扫描测量距离较短、扫描区域较小的弊端，确保扫描数据的精确可靠；同时再地形诡谲多变、空拍阴影死角区域、拓扑信息量大，或有个别特殊性目的要求的测区进行反复的数据实时再收集，可克服局部测区信息量不足的问题，同时能按需求对测区场景的变化做出实时针对性反应。
Claims (9)
1.一种基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置，其特征在于：包括无人机平台、控制器和无人机下方挂设的固态雷达、卫星和惯导系统；所述的固态激光雷达包括传感器和数据处理单元，传感器扫描地面并获取扫描图像后经数据处理单元处理，形成地面被扫描区域的位置数据；控制器控制无人机按照预先设定路线进行飞行作业，并实时获取卫星和惯导系统的定位姿态数据；所述的控制器将所述位置数据和定位姿态数据融合处理后得到地面形貌数据。
2.根据权利要求1所述的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置，其特征在于：所述的无人机为多旋翼无人机。
3.根据权利要求1所述的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置，其特征在于：卫星和惯导系统包括惯导系统INS和卫星定位系统GNSS。
4.根据权利要求1所述的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置，其特征在于：固态雷达为固态激光雷达。
5.根据权利要求1所述的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置，其特征在于：控制器5还包括无线传输单元，与远端的手持式遥控器无线连接。
6.利用权利要求1-5任意之一的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描装置进行地形扫描的方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】将无人机平台悬停至测绘场景中央，固态激光雷达调节至大视角、低空间分辨模式，获取整个场景的概况图，并结合卫星和惯导系统参数，得到场景的地形数据，同时对场景地形数据分析，得到特殊地形标记物的位置参数；
【2】根据实际需要将整个场景划分为若干块测量子区域；
【3】将固态激光雷达调节至小视角、高空间分辨模式，针对划分得到的每块测量子区域，无人机采用十字交叉双循环作业的方式进行测绘；第一次按照“之”字行进路线对测量子区域扫描第一遍，然后垂直于第一次的行进路线，再按照“之”字行进路线对测量子区域扫描第二遍；
【4】每组无人机按既定顺序依次扫描每个测量子区域后，控制器处理得到该测量子区域的激光雷达数据，结合卫星和惯导系统参数，并建模得到该测量子区域的地形数据；
【5】无人机移动至下一测量子区域，并循环反复直至完成所有的测量子区域；
【6】对于地形较复杂或局部信息缺失的测量子区域，需要预先规划或临场决策，针对性进行扫描和数据补充；
【7】结合步骤【1】的场景概况图和特殊地形标记物的位置参数，对获取的测量子区域地形数据进行数据融合，最终得到整个测绘场景的地形地貌参数。
7.根据权利要求6所述的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描方法，其特征在于：步骤【1】中所述的特殊地形标记物为悬空电线、灯柱或路标。
8.根据权利要求6所述的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描方法，其特征在于：步骤【3】中对于同一块测量子区域采用重叠扫描飞行方式。
9.根据权利要求6所述的基于无人机和固态雷达的地面形貌扫描方法，其特征在于：步骤【3】中两次交叉测绘中飞机飞行在50-100m的不同高度。
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