CN114719830B - 一种背负式移动测绘系统及具有该系统的测绘仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种背负式移动测绘系统及具有该系统的测绘仪。其中系统包括：GNSS定位模块、激光雷达单元、惯性导航单元、全景相机单元、FPGA同步模块和嵌入式计算机。激光雷达单元采集点云数据信息，GNSS定位模块与惯性导航单元采集初始位置信息，全景相机单元获取外界环境的二维图像，所采集的多传感器数据由嵌入式计算机进行大数据处理、信息融合，从而进行精确的定位与三维重建。测绘仪包括上述部件以及安装上述部件的背包框架，该计算机可读存储介质在执行储存在存储器的指令时运行上述系统。旨在减少人力与提高测绘精度，能够适应狭窄工况环境的采集需要，实现厘米级数据精度的三维重构和三维测绘要求。
Description
技术领域
本发明涉及测绘领域，尤其涉及一种背负式移动测绘系统及具有该系统的测绘仪。
背景技术
现阶段的地理的三维测绘工作需要投入大量人力，传统的三维测绘工作是通过多个外业人员同时进行协作地手持水平仪与手持三角测距仪进行实地部署，从而获得待测绘环境的三维测绘数据。然而，这种传统的测绘技术会产生不同程度的误差，从而导致会存在测绘数据精度低的缺陷，同时，在需要投入大量的人力物力资源的情况下，采集数据的效率仍然比较低下，且现有的测绘系统在无GNSS环境中容易失效。因此，亟需对现有的测绘技术和设备进行创新。
发明内容
本发明提供一种背负式移动测绘系统及具有该系统的测绘仪方法及装置，旨在减少人力与提高测绘精度，能够适应狭窄街道、室内、景区、隧道以及工矿等环境的采集需要，实现厘米级数据精度的测绘要求。同时，它可用于城市地形测绘和三维重构，配合智慧城市的发展。
本发明的技术方案涉及一种背负式移动测绘系统，用于背负式移动测绘仪对环境的三维重构和三维测绘，包括GNSS定位模块、激光雷达单元、惯性导航单元、全景相机单元、FPGA同步模块和嵌入式计算机，所述背负式移动测绘系统对环境的测绘包括以下的步骤：
A、根据待测绘环境进行测绘路线规划，并选择测绘初始位置；
B、通过所述GNSS定位模块和惯性导航单元同时对待测绘环境进行初始的全球位置信息收集，通过串口的方式对所述惯性导航单元的陀螺仪加速计测得的和磁力计的水平方位角度、角速率及前进轴向体加速度等数据进行收集。
通过所述激光雷达单元采集点云数据信息进行特征提取以及通过全景相机单元获取外界环境的二维图像的RGBD信息；
C、在所述嵌入式计算机中，利用点云的ICP算法对所述激光雷达单元的点云数据进行处理，计算出激光雷达单元修正后的位姿信息，并结合二维图像的RGBD信息，融合成可靠的位姿跟踪轨迹和生成相应的点云地图；
D、在所述嵌入式计算机中，计算二维图像的RGBD信息之间的视差，估计每一个像素的深度，从而得到各个像素的三维坐标，将计算获得的激光雷达单元点云数据进行滤波或者其他一些预处理，剔除掉不需要的部分，剩下有效的点云数据信息，并将该有效的点云数据信息在建立的点云地图上进行配准；
E、通过所述FPGA同步模块将惯性导航单元的位置信息、全景相机单元的每个像素三维坐标和激光雷达单元的点云地图信息进行冗余叠加，并融合GNSS定位模块的全球位置信息，从而实现对环境进行三维重建和三维测绘。
进一步，所述步骤B包括：通过串口的方式对所述惯性导航单元的陀螺仪加速计测得的和磁力计的水平方位角度、角速率及前进轴向体加速度等数据进行收集。
进一步，所述步骤E包括：所述FPGA同步模块对GNSS定位模块对全球位置信息的PPS信号进行锁相倍频，并同时融合输出向惯性导航单元、全景相机单元和激光雷达单元的硬件同步信号。
本发明的技术方案还涉及一种计算机可读存储介质，其上储存有程序指令，所述程序指令被处理器执行时运行上述的系统。
本发明的技术方案还涉及一种背负式移动测绘仪，用于对环境的三维重构和三维测绘，包括GNSS定位模块、激光雷达单元、惯性导航单元、全景相机单元、FPGA同步模块、嵌入式计算机以及用于集成安装上述部件的背包框架，所述GNSS定位模块、惯性导航单元、全景相机单元、激光雷达单元的两端均分别连接电性连接FPGA同步模块和嵌入式计算机；所述激光雷达单元的底部通过支撑杆安装于背包框架的顶部，且所述激光雷达单元的底部高度高于背负背包框架的作业人员的头顶高度；所述背包框架内还设有电性连接嵌入式计算机的移动电源；所述嵌入式计算机包括上述的计算机可读存储介质。
进一步，所述激光雷达单元包括：均安装于所述支撑杆顶部的一水平激光雷达和一垂直激光雷达，所述水平激光雷达的底部高度高于背负背包框架的作业人员的头顶高度。
进一步，所述全景相机单元包括：分别安装于所述背包框架两侧的左全景相机和右全景相机。
进一步，所述GNSS定位模块、惯性导航单元、全景相机单元的其中一端均通过USB接口与嵌入式计算机连接。
进一步，所述激光雷达单元的其中一端通过RJ45接口与嵌入式计算机连接。
进一步，所述移动电源包括氮化镓NUC电源。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的技术方案进行相机内参和雷达相机外参的联合标定，建立点云和图像像素之间的对应关系，利用计算的位姿信息，把待测绘环境通过使用点云的形式进行稠密重构，从而实现人能理解的三维重构与三维测绘。
2.本发明的技术方案同时搭载了全景相机单元，激光雷达单元，GNSS定位模块，高精度惯性导航IMU单元与FPGA同步模块。通过全景相机单元的视觉像素和激光雷达单元的位姿计算，得到三维高精度坐标，从而实现全自动实时地构建高精度地图。
3.本发明的技术方案结合GNSS定位模块、激光雷达单元和SLAM算法实现室内外一体化测量，实现厘米级数据精度。
4.本发明的技术方案基于FPGA同步模块实现硬件同步多传感器数据，充分发挥多传感器融合的优势，实现高精度建图与定位算法的开发。
附图说明
图1是根据本发明实施例中激光雷达单元在测绘仪上的安装结构示意图。
图2是根据本发明实施例中对环境测绘的系统软件流程图。
图3是根据本发明实施例中对环境测绘的系统硬件流程图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。本文所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
参照图2，在一些实施例中，根据本发明的一种背负式移动测绘系统，用于背负式移动测绘仪对环境的三维重构和三维测绘，包括GNSS定位模块、激光雷达单元、惯性导航单元、全景相机单元、FPGA同步模块和嵌入式计算机，所述背负式移动测绘系统对环境的测绘包括以下步骤：
A、待背负具有移动测绘系统的测绘仪的工作人员，到达测绘环境时根据待测绘环境进行测绘路线规划，并选择测绘初始位置；
B、通过所述GNSS定位模块和惯性导航单元IMU同时对待测绘环境进行初始的全球位置信息收集，通过所述激光雷达单元采集点云数据信息进行特征提取以及通过全景相机单元获取外界环境的二维图像的RGBD信息，具体地，GNSS定位模块上还配置有提高定位精准度的天线，以用于获取高精度的RKT定位信息，实现厘米级精度测绘，为下一步的数据融合进行准备；
C、在所述嵌入式计算机中，利用点云的ICP算法对所述激光雷达单元的点云数据进行处理，计算出激光雷达单元修正后的位姿信息，并结合二维图像的RGBD信息，融合成可靠的位姿跟踪轨迹和生成相应的点云地图，通过相机内参和雷达相机外参的联合标定，建立点云和图像像素之间的对应关系，利用计算的位姿信息，把待测绘环境通过使用点云的形式进行稠密重构，从而实现人能理解的三维重构与三维测绘；
D、在所述嵌入式计算机中，计算二维图像的RGBD信息之间的视差，估计每一个像素的深度，从而得到各个像素的三维坐标，将计算获得的激光雷达单元点云数据进行滤波或者其他一些预处理，剔除掉不需要的部分，剩下有效的点云数据信息，并将该有效的点云数据信息在建立的点云地图上进行配准；
E、通过所述FPGA同步模块将惯性导航单元的位置信息、全景相机单元的每个像素三维坐标和激光雷达单元的点云地图信息进行冗余叠加，并融合GNSS定位模块的全球位置信息，从而实现对环境进行三维重建和三维测绘。
步骤B的具体实施方式包括：
通过串口的方式对所述惯性导航单元的陀螺仪加速计测得的和磁力计的水平方位角度、角速率及前进轴向体加速度等数据进行收集。根据激光雷达点云数据通过点云的ICP(SLAM)算法计算后，计算出激光雷达的位姿信息，再融合惯性导航单元的陀螺仪加速计和磁力计的数据，进一步融合成更可靠的位姿跟踪轨迹与生成相应的点云地图。
步骤E的具体实施方式包括：
所述FPGA同步模块对GNSS定位模块对全球位置信息的PPS信号进行锁相倍频，并同时融合输出向惯性导航单元、全景相机单元和激光雷达单元的硬件同步信号。
本发明的技术方案还涉及一种计算机可读存储介质，其上储存有程序指令，所述程序指令被处理器执行时运行如权利要求1至3中任一项所述的系统。
参照图1，为了本发明方案的测绘仪的便携性和在狭窄环境场所的适用性，在一些实施例中，根据本发明的及一种背负式移动测绘仪，用于对环境的三维重构和三维测绘，包括GNSS定位模块、激光雷达单元、惯性导航单元、全景相机单元、FPGA同步模块、嵌入式计算机以及用于集成安装上述部件的背包框架1，
又参照图3，所述GNSS定位模块、惯性导航单元、全景相机单元、激光雷达单元的两端均分别连接电性连接FPGA同步模块和嵌入式计算机；
所述激光雷达单元的底部通过支撑杆2安装于背包框架1的顶部，且所述激光雷达单元的底部高度高于背负背包框架1的作业人员的头顶高度；
所述背包框架1内还设有电性连接嵌入式计算机的移动电源；
所述嵌入式计算机包括权利要求4所述的计算机可读存储介质。
为了能够确保激光雷达单元能够采集到最大范围的三维点云数据，所述激光雷达单元包括：均安装于所述支撑杆2顶部的一水平激光雷达4和一垂直激光雷达3，所述水平激光雷达4的底部高度高于背负背包框架1的作业人员的头顶高度，没有了人员肢体的阻挡，从而通过支撑杆2使水平激光雷达4能够采集到水平方向360°的三维点云数据，而垂直激光雷达3能够采集垂直方向360°的三维点云数据。
为了使全景相机能够无死角地获取外界环境的二维图像，所述全景相机单元包括：分别安装于所述背包框架1两侧的左全景相机和右全景相机。
为了便于嵌入式计算机与背包框架1内其他部件能够在装配时高效快速地拆装连接，所述GNSS定位模块、惯性导航单元、全景相机单元的其中一端均通过USB接口与嵌入式计算机连接，所述激光雷达单元的其中一端通过RJ45接口与嵌入式计算机连接。
为了适配本发明方案测绘仪的总体供电，所述移动电源包括19V的氮化镓NUC电源，而两激光雷达的供电由12V的降压模块降压而来。
应当认识到，本发明实施例中的方法步骤可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还可以包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (10)
1.一种背负式移动测绘系统，用于背负式移动测绘仪对环境的三维重构和三维测绘，包括GNSS定位模块、激光雷达单元、惯性导航单元、全景相机单元、FPGA同步模块和嵌入式计算机，
其特征在于，所述背负式移动测绘系统对环境的测绘包括以下步骤：
A、根据待测绘环境进行测绘路线规划，并选择测绘初始位置；
B、通过所述GNSS定位模块和惯性导航单元同时对待测绘环境进行初始的全球位置信息收集，通过所述激光雷达单元采集点云数据信息进行特征提取以及通过全景相机单元获取外界环境的二维图像的RGBD信息；
C、在所述嵌入式计算机中，利用点云的ICP算法对所述激光雷达单元的点云数据进行处理，计算出激光雷达单元修正后的位姿信息，并结合二维图像的RGBD信息，融合成可靠的位姿跟踪轨迹和生成相应的点云地图；
D、在所述嵌入式计算机中，计算二维图像的RGBD信息之间的视差，估计每一个像素的深度，从而得到各个像素的三维坐标，将计算获得的激光雷达单元点云数据进行滤波或者其他一些预处理，剔除掉不需要的部分，剩下有效的点云数据信息，并将该有效的点云数据信息在建立的点云地图上进行配准；
E、通过所述FPGA同步模块将惯性导航单元的位置信息、全景相机单元的每个像素三维坐标和激光雷达单元的点云地图信息进行冗余叠加，并融合GNSS定位模块的全球位置信息，从而实现对环境进行三维重建和三维测绘。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述步骤B包括：
通过串口的方式对所述惯性导航单元的陀螺仪加速计测得的和磁力计的水平方位角度、角速率及前进轴向体加速度数据进行收集。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述步骤E包括：
所述FPGA同步模块对GNSS定位模块对全球位置信息的PPS信号进行锁相倍频，并同时融合输出向惯性导航单元、全景相机单元和激光雷达单元的硬件同步信号。
4.一种计算机可读存储介质，其上储存有程序指令，所述程序指令被处理器执行时运行如权利要求1至3中任一项所述的系统。
5.一种背负式移动测绘仪，用于对环境的三维重构和三维测绘，包括GNSS定位模块、激光雷达单元、惯性导航单元、全景相机单元、FPGA同步模块、嵌入式计算机以及用于集成安装上述部件的背包框架，其特征在于，
所述GNSS定位模块、惯性导航单元、全景相机单元、激光雷达单元的两端均分别连接电性连接FPGA同步模块和嵌入式计算机；
所述激光雷达单元的底部通过支撑杆安装于背包框架的顶部，且所述激光雷达单元的底部高度高于背负背包框架的作业人员的头顶高度；
所述背包框架内还设有电性连接嵌入式计算机的移动电源；
所述嵌入式计算机包括权利要求4所述的计算机可读存储介质。
6.根据权利要求5所述的背负式移动测绘仪，其特征在于，所述激光雷达单元包括：
均安装于所述支撑杆顶部的一水平激光雷达和一垂直激光雷达，所述水平激光雷达的底部高度高于背负背包框架的作业人员的头顶高度。
7.根据权利要求5所述的背负式移动测绘仪，其特征在于，所述全景相机单元包括：
分别安装于所述背包框架两侧的左全景相机和右全景相机。
8.根据权利要求5所述的背负式移动测绘仪，其特征在于，
所述GNSS定位模块、惯性导航单元、全景相机单元的其中一端均通过USB接口与嵌入式计算机连接。
9.根据权利要求5所述的背负式移动测绘仪，其特征在于，
所述激光雷达单元的其中一端通过RJ45接口与嵌入式计算机连接。
10.根据权利要求5所述的背负式移动测绘仪，其特征在于，
所述移动电源包括氮化镓NUC电源。
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