CN113009505A - 机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器。系统包括无人机地面控制系统、地面接收端以及无人机飞行器。无人机飞行器用于通过激光雷达数据采集设备内置的无线信号发送端，将生成的实时点云图发送至地面接收端。所述无人机地面控制系统包括无人机遥控器，用于无人机飞行器的远程控制。本发明提供的机载激光雷达数据采集设备能在激光雷达采集数据的同时，生成实时点云图，并发送至地面接收端，实现在无人机飞行的同时就能知道地形地貌的情况，摆脱了传统航空激光雷达测绘需要先采集完然后等无人机落地后在后处理获取点云的限制，缩短了地形地貌现场勘察的时间。

Description

机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器
技术领域
本发明涉及航空激光雷达测量技术领域，尤其涉及一种机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器。
背景技术
传统的航空激光雷达测量是指利用航空测绘激光雷达在空中对地面连续的扫描，获取激光雷达数据，等无人机落地后，再通过后处理软件得到点云数据。
实际情况中，有些场景，如地质灾害监测，需要现场扫描出点云，然后判断地形地貌，使用传统的激光雷达采集数据的实时性得不到保障。因此，如何摆脱传统航空激光雷达测绘需要先采集完然后等无人机落地后在后处理获取点云的限制，缩短地形地貌现场勘察的时间，成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器。
第一方面，本发明实施例提供一种机载激光雷达数据采集设备，包括集成安装于无人机飞行器上的激光雷达、IMU和处理器，所述处理器分别与激光雷达和IMU连接；
所述激光雷达用于采集激光雷达点云数据发送至处理器；
所述IMU用于获取IMU姿态和位置信息并发送至处理器；
所述处理器用于将所述激光雷达点云数据、IMU姿态和位置信息进行融合，生成实时点云图。
优选的，所述处理器具体用于，根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
优选的，所述根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换到WGS84坐标系下的高斯投影坐标，具体包括：
根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换为惯导坐标；
将所述惯导坐标转换为当地水平坐标；
将所述当地水平坐标转换为WGS84椭球下的空间三维坐标；
将所述WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标；
将所述WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
优选的，将所述WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标，包括：
利用proj4库的函数pj_geocentric_to_geodetic，将激光雷达点云数据在WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标。
优选的，将所述WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标，包括：
利用proj4库的函数pj_transform，将激光雷达点云数据在WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
第二方面，本发明实施例还提供一种无人机飞行器，其特征在于，包括机体以及机体上挂载的如第一方面实施例提供的机载激光雷达数据采集设备。
第三方面，本发明实施例提供了一种机载激光雷达数据采集系统，包括无人机地面控制系统、地面接收端以及如第二方面实施例提供的无人机飞行器；所述无人机飞行器分别与所述地面接收端和无人机地面控制系统通信连接；
所述无人机飞行器用于通过激光雷达数据采集设备内置的无线信号发送端，将生成的实时点云图发送至地面接收端；
所述无人机地面控制系统包括无人机遥控器，用于无人机飞行器的远程控制。
优选的，该系统还包括云服务器，所述云服务器通过5g网络与所述无人机飞行器上挂载的激光雷达数据采集设备连接，用于接收激光雷达数据采集设备通过5g网络发送的实时点云图并保存。
优选的，所述无人机地面控制系统还包括智能终端，所述智能终端用于通过网页访问所述云服务器，以查看所述实时点云图，并通过智能终端的显示屏显示所述实时点云图。
优选的，所述智能终端包括但不限于手机、PC和PAD。
本发明实施例提供的机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器，与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的机载激光雷达数据采集系统，能在激光雷达采集数据的同时，生成实时点云图，并发送至地面接收端，实现在无人机飞行的同时就能知道地形地貌的情况，摆脱了传统航空激光雷达测绘需要先采集完然后等无人机落地后在后处理获取点云的限制，缩短了地形地貌现场勘察的时间。
(2)本发明提供的机载激光雷达数据采集设备能在采集数据的同时将生成实时点云图发送给远程的云服务器，使工作人员能够远程通过网页访问云服务器获取现场的数据，能及时的对现场的情况做出判断。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的无人机飞行器挂载机载激光雷达数据采集设备示意图；
图2为本发明实施例提供的机载激光雷达数据采集系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
传统的航空激光雷达测量是指利用航空测绘激光雷达在空中对地面连续的扫描，获取激光雷达数据，等无人机落地后，再通过后处理软件得到点云数据。实际情况中，有些场景，如地质灾害监测，需要现场扫描出点云，然后判断地形地貌，使用传统的激光雷达采集数据的实时性得不到保障。
针对现有技术的上述问题，本发明实施例提供了机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器，能在激光雷达采集数据的同时，生成实时点云图，并发送至地面接收端，实现在无人机飞行的同时就能知道地形地貌的情况，摆脱了传统航空激光雷达测绘需要先采集完然后等无人机落地后在后处理获取点云的限制，缩短了地形地貌现场勘察的时间。以下将结合附图通过多个实施例进行展开说明和介绍。
图1为本发明实施例提供的无人机飞行器挂载机载激光雷达数据采集设备示意图，参照图1，本发明实施例提供一种机载激光雷达数据采集设备2，包括集成安装于无人机飞行器1上的激光雷达、IMU和处理器，所述处理器分别与激光雷达和IMU连接；
所述激光雷达用于采集激光雷达点云数据发送至处理器；
所述IMU用于获取IMU姿态和位置信息并发送至处理器；
所述处理器用于将所述激光雷达点云数据、IMU姿态和位置信息进行融合，生成实时点云图。
具体地，挂载在无人机飞行器1上的机载激光雷达数据采集设备2集成有激光雷达、IMU和处理器。本实施例中，首先利用激光雷达扫描目标区域的地形地貌，生成激光雷达点云数据。同时，IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)获取IMU姿态和位置信息并发送至处理器。然后，利用处理器将所述激光雷达点云数据、IMU姿态和位置信息进行融合，生成实时点云图。进一步地，通过激光雷达数据采集设备内置的无线信号发送端，将生成的实时点云图发送至地面接收端，以使现场工作人员能够实时查看点云实时点云图。
在一个实施例中，所述处理器具体用于，根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
具体地，在生成实时点云图的过程中，需要将激光雷达点云数据的激光坐标通过一系列流程转换到WGS84椭球下的高斯投影坐标，坐标转换流程大致需要五步：原始激光坐标->惯导坐标系下的坐标->当地水平坐标->WGS84椭球下的空间三维坐标->WGS84椭球下的大地坐标->WGS84椭球下的高斯投影坐标。坐标转换流程中需要用到旋转矩阵和平移向量。坐标转换流程具体如下：
第一步，根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换为惯导坐标。
根据激光扫描仪和惯导的放置位置，以及惯导获取的IMU姿态和位置信息，确定旋转矩阵和平移向量，将激光雷达点云数据的激光坐标转换为惯导坐标。
第二步，将惯导坐标转换为当地水平坐标。
常见的当地水平坐标系有指北方位、自由方位和游移方位。将所述惯导坐标转换为当地水平坐标的过程中，利用IE(Inertial Explorer)解算软件解算POS(Position andOrientation System，定位定姿系统)数据中的Roll，Pitch，Heading，构造旋转矩阵。需要注意的是，带入Heading值时需要取负，因为Yaw＝-Heading。其中，Roll为翻滚角，顺时针翻滚即正值，逆时针翻滚为负值。Yaw(Heading)为航向角，航向角是由当地北方向旋转，正角向东增加。Pitch为俯仰角。
第三步，将当地水平坐标转换为WGS84椭球下的空间三维坐标。
第四步，将WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标。
利用proj4库的函数pj_geocentric_to_geodetic(src_a,src_es,1,1,&_srcCoord.y,&_srcCoord.x,&_srcCoord.h)，将激光雷达点云数据在WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标。其中，src_a是WGS84椭球的长半轴，src_es是WGS84椭球偏心率的平方。
第五步，将WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
利用proj4库的函数pj_transform(srcLonglat,srcTmerc,1,1,&_srcCoord.x,&_srcCoord.y,&_srcCoord.h)，将激光雷达点云数据在WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。其中，Proj4库是开源GIS最的地图投影库。srcLonglat是proj4中的经纬度命令参数，srcTmerc是proj4中的投影命令参数。
在一个实施例中，本发明实施例提供了一种无人机飞行器，如图1所示，该无人机飞行器包括机体以及机体上挂载的机载激光雷达数据采集设备。
本发明实施例提供的无人机飞行器挂载有机载激光雷达数据采集设备，能够在激光雷达采集数据的同时，生成实时点云图，并发送至地面接收端，实现在无人机飞行的同时就能知道地形地貌的情况。
图2为本发明实施例提供的机载激光雷达数据采集系统的结构示意图，参照图2，机载激光雷达数据采集系统包括无人机地面控制系统4、地面接收端5以及无人机飞行器1；所述无人机飞行器1分别与所述地面接收端5和无人机地面控制系统4通信连接；
所述无人机飞行器1用于通过激光雷达数据采集设备内置的无线信号发送端3，将生成的实时点云图发送至地面接收端5。地面接收端5装配有板状天线6。地面接收端5可以是计算机。
所述无人机地面控制系统4包括无人机遥控器，用于无人机飞行器的远程控制。
具体地，无人机飞行器1上挂载有机载激光雷达数据采集设备2，通过无人机遥控器无人机飞行器的远程控制。激光雷达数据采集设备2集成有激光雷达、IMU和处理器，利用激光雷达扫描目标区域的地形地貌，生成激光雷达点云数据。同时，IMU(InertialMeasurement Unit，惯性测量单元)获取IMU姿态和位置信息并发送至激光雷达数据采集设备内置的处理器。然后，利用处理器将所述激光雷达点云数据、IMU姿态和位置信息进行融合，生成实时点云图。进一步地，通过激光雷达数据采集设备内置的无线信号发送端，将生成的实时点云图发送至地面接收端，以使现场工作人员能够实时查看点云实时点云图。
在一个实施例中，机载激光雷达数据采集系统还包括云服务器7，所述云服务器7通过5g网络8与所述无人机飞行器1上挂载的激光雷达数据采集设备2连接，用于接收激光雷达数据采集设备2通过5g网络发送的实时点云图并保存。
具体地，激光雷达数据采集设备2在生成实时点云图的同时，通过通过5g网络将实时点云图发送至云服务器中保存。
进一步地，无人机地面控制系统4还包括智能终端，所述智能终端用于通过网页访问所述云服务器，以查看所述实时点云图，并通过智能终端的显示屏显示所述实时点云图。其中，智能终端包括但不限于手机、PC和PAD。工作人员能够远程通过网页访问云服务器获取现场的数据，能及时的对现场的情况做出判断。
综上所述，本发明实施例提供了机载激光雷达数据采集设备、系统及无人机飞行器，与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的机载激光雷达数据采集系统，能在激光雷达采集数据的同时，生成实时点云图，并发送至地面接收端，实现在无人机飞行的同时就能知道地形地貌的情况，摆脱了传统航空激光雷达测绘需要先采集完然后等无人机落地后在后处理获取点云的限制，缩短了地形地貌现场勘察的时间。
(2)本发明提供的机载激光雷达数据采集设备能在采集数据的同时将生成实时点云图发送给远程的云服务器，使工作人员能够远程通过网页访问云服务器获取现场的数据，能及时的对现场的情况做出判断。
本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机载激光雷达数据采集设备，包括集成安装于无人机飞行器上的激光雷达、IMU和处理器，所述处理器分别与激光雷达和IMU连接；
所述激光雷达用于采集激光雷达点云数据发送至处理器；
所述IMU用于获取IMU姿态和位置信息并发送至处理器；
所述处理器用于将所述激光雷达点云数据、IMU姿态和位置信息进行融合，生成实时点云图。
2.根据权利要求1所述的实时建图无人机激光雷达采集设备，其特征在于，所述处理器具体用于，根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
3.根据权利要求2所述的实时建图无人机激光雷达采集设备，其特征在于，所述根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换到WGS84坐标系下的高斯投影坐标，具体包括：
根据IMU姿态和位置信息，将激光雷达点云数据的激光坐标转换为惯导坐标；
将所述惯导坐标转换为当地水平坐标；
将所述当地水平坐标转换为WGS84椭球下的空间三维坐标；
将所述WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标；
将所述WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
4.根据权利要求3所述的实时建图无人机激光雷达采集设备，其特征在于，将所述WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标，包括：
利用proj4库的函数pj_geocentric_to_geodetic，将激光雷达点云数据在WGS84椭球下的空间三维坐标转换为WGS84椭球下的大地坐标。
5.根据权利要求3所述的实时建图无人机激光雷达采集设备，其特征在于，将所述WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标，包括：
利用proj4库的函数pj_transform，将激光雷达点云数据在WGS84椭球下的大地坐标转换为WGS84椭球下的高斯投影坐标。
6.一种无人机飞行器，其特征在于，包括机体以及机体上挂载的如权利要求1～5任一项所述的机载激光雷达数据采集设备。
7.一种机载激光雷达数据采集系统，其特征在于，包括无人机地面控制系统、地面接收端以及如权利要求6所述的无人机飞行器；所述无人机飞行器分别与所述地面接收端和无人机地面控制系统通信连接；
所述无人机飞行器用于通过激光雷达数据采集设备内置的无线信号发送端，将生成的实时点云图发送至地面接收端；
所述无人机地面控制系统包括无人机遥控器，用于无人机飞行器的远程控制。
8.根据权利要求7所述的实时建图无人机激光雷达采集系统，其特征在于，还包括云服务器，所述云服务器通过5g网络与所述无人机飞行器上挂载的激光雷达数据采集设备连接，用于接收激光雷达数据采集设备通过5g网络发送的实时点云图并保存。
9.根据权利要求8所述的实时建图无人机激光雷达采集系统，其特征在于，所述无人机地面控制系统还包括智能终端，所述智能终端用于通过网页访问所述云服务器，以查看所述实时点云图，并通过智能终端的显示屏显示所述实时点云图。
10.根据权利要求9所述的实时建图无人机激光雷达采集系统，其特征在于，所述智能终端包括但不限于手机、PC和PAD。
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