CN202600151U - 轻型机载三维激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及激光雷达领域，具体涉及一种轻型机载三维激光雷达系统，体积小、重量轻，能够搭载多种飞行平台。轻型机载三维激光雷达系统包括：集成在一个箱体中的扫描仪、导航定位装置、控制及数据记录装置；所述导航定位装置包括惯性测量单元IMU，所述IMU上标注有坐标中心位置；所述扫描仪的激光发射点位置与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止；所述扫描仪与所述控制及数据记录装置连接，所述控制及数据记录装置发出扫描启动信号以启动所述扫描仪；所述导航定位装置与所述控制及数据记录装置连接，并将定位数据发送给所述控制及数据记录装置。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光雷达领域，具体涉及一种轻型机载三维激光雷达系统。
背景技术
目前市场上存在的机载三维激光雷达系统包括激光扫描仪、数码相机、惯性测量单元（IMU）、控制终端、GPS、电源等设备，这些设备按照功能的不同被集成为传感器和电脑控制两大部分，传感器部分挂载在机舱外，电脑控制部分设置于机舱内。由于传感器部分和电脑控制部分的安装位置相距较远，两者之间需要通过大量的线缆进行连接，整个系统还设置有减震底板等附件设备，造成整个机载三维激光雷达系统的体积过大、质量过重，例如有的系统体积达到了0.3立方米，重量达到了100千克，限制了机载三维激光雷达系统所搭载的飞行平台的种类。
实用新型内容
本实用新型提供了一种轻型机载三维激光雷达系统，能够搭载多种飞行平台。
本实用新型提供了一种轻型机载三维激光雷达系统，包括：
集成在一个箱体中的扫描仪、导航定位装置、控制及数据记录装置；
所述导航定位装置包括惯性测量单元（IMU），所述IMU上标注有坐标中心位置；
所述扫描仪的激光发射点位置与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止；
所述扫描仪与所述控制及数据记录装置连接，所述控制及数据记录装置发 出扫描启动信号以启动所述扫描仪；
所述导航定位装置与所述控制及数据记录装置连接，并将定位数据发送给所述控制及数据记录装置。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述导航定位装置进一步包括：
全球定位系统（GPS），其包括GPS天线；
所述GPS天线与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述GPS与所述IMU集成在一个盒体中，或者，所述GPS与所述IMU独立设置在不同的盒体。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述的轻型机载三维激光雷达系统进一步包括：
相机，其集成在所述箱体中，所述相机的投影中心与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止；
所述相机与所述控制及数据记录装置连接，所述控制及数据记录装置发出拍摄启动信号以启动所述相机。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述相机与所述扫描仪具有相同的视场角。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述扫描仪与所述导航定位装置刚性连接；
和/或，
所述相机与所述导航定位装置刚性连接。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述控制及数据记录装置包括显示屏；
和/或，
所述轻型机载三维激光雷达系统进一步包括：启动开关，其与所述控制及数据记录装置有线或无线连接。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述控制及数据记录装置向所述扫描仪发出包括时间节点和/或时间频率的所述扫描启动信号，所述扫描仪根据 所述扫描启动信号，在所述时间节点启动和/或根据所述时间频率间断启动。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述控制及数据记录装置向所述相机发出包括时间节点和/或时间频率的所述拍摄启动信号，所述相机根据所述拍摄启动信号，在所述时间节点启动和/或根据所述时间频率间断启动。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述控制及数据记录装置向所述相机发出包括地点坐标的所述拍摄启动信号，所述相机根据所述拍摄启动信号，在所述地点坐标处启动。
通过本实用新型的各实施例提供的轻型机载三维激光雷达系统，能够带来以下至少一种有益效果：
1.可搭载多种飞行平台。本实用新型提供的轻型机载三维激光雷达系统，扫描仪、相机、导航定位装置、控制及数据记录装置集成在一个箱体中，各装置之间只需很短的连接线连接即可，系统的体积小、重量轻，可搭载多种飞行平台，包括小型有人机、有人直升机、飞艇、三角翼动力伞，尤其是可以选择无人机。
2.一键操作，失误率低。系统的所有部件有机的集成在一个箱体中，在安装时不需要再连接线缆和接口，方便安装。同时，只需要一个开关即可启动该系统，操作智能化，失误率较低。
3.设备利用率高。由于搭载的飞行平台多样化，而且飞行的速度和高度随着飞行平台的变化而变化，设备可使用的机会明显增加，在普通天气条件下，只要云层不低于200米，就可以实现飞行。
4.数据精度高、激光点密度大。由于无人直升机和飞艇可以飞行的高度和速度可以很低、很慢，设备可以获取到激光点密度很大的数据，如每平方米激光点达到或超过100点以上，激光点越密，数据最终成果精度越高。
5.智能化程度高。利用无人机或飞艇上的自动飞控系统与我公司研发的三维激光雷达系统有机结合，可以自动完成设置的任务，不需人工操作，智能化程度高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，以下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，以下描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为本实用新型的一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。
本实用新型提供了一种轻型机载三维激光雷达系统，包括：
集成在一个箱体中的扫描仪、导航定位装置、控制及数据记录装置；
所述导航定位装置包括惯性测量单元IMU，所述IMU上标注有坐标中心位置；
所述扫描仪的激光发射点位置与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止；
所述扫描仪与所述控制及数据记录装置连接，所述控制及数据记录装置发出扫描启动信号以启动所述扫描仪；
所述导航定位装置与所述控制及数据记录装置连接，并将定位数据发送给所述控制及数据记录装置。
本实用新型将扫描仪、导航定位装置、控制及数据记录装置等结构集成在一个箱体中，如图1所示，箱体105中集成有各装置。各装置之间无需大量较重的线缆连接，只需很短的连接线连接即可，系统的体积小、重量轻，可搭载 多种飞行平台，包括小型有人机、有人直升机、飞艇、三角翼动力伞，尤其是可以选择无人机。
扫描仪用于对指定时间和指定位置的地面区域进行扫描，扫描仪可以使用滚筒式扫描仪或平面扫描仪，也可使用旋转透镜式扫描仪或旋转棱镜式扫描仪，还可使用客户指定的其他扫描仪。扫描仪与控制及数据记录装置连接，并接受该控制及数据记录装置发来的启动信号，该启动信号可为时间启动信号或地点启动信号。
导航定位装置用于进行定位，并将获取的定位坐标发送给控制及数据记录装置，控制及数据记录装置根据该定位坐标控制启动扫描仪进行扫描。在对扫描数据进行检查和分析时，导航定位装置获取的定位坐标还可作为参考。导航定位装置包括惯性测量单元IMU，惯性测量单元IMU是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个IMU内会装有三轴的陀螺仪和三个方向的加速度计，来测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器。一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。为了便于应用，制造时预先在IMU上标注坐标中心位置。
为了准确定位并使扫描的数据与获取的定位坐标准确匹配，要使扫描仪的激光发射点位置与IMU上标注的坐标中心位置保持相对静止。优选地，将扫描仪与导航定位装置刚性连接，即可保证该相对静止。
控制及数据记录装置是总控，其他结构分别与其连接。导航定位装置要将获取的目标处的定位坐标发送至控制及数据记录装置，控制及数据记录装置根据该定位坐标或外部结构（如自动飞行器上的自动飞控系统）发送的定位坐标或预定的时间指令控制扫描仪进行扫描。定位坐标即为地点启动指令，时间指令可包括预先设定的时间节点或时间频率，扫描仪要在该定位坐标处或在预定 的时间节点处或以预定的时间频率进行扫描。控制及数据记录装置还可进一步与地面控制器连接，进行数据交互。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述导航定位装置进一步包括：
全球定位系统GPS，其包括GPS天线；
所述GPS天线与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述GPS与所述IMU集成在一个盒体中，或者，所述GPS与所述IMU独立设置在不同的盒体。
导航定位装置还可进一步包括全球定位系统GPS，以进行更准确的定位。为了准确定位并使扫描的数据与获取的定位坐标准确匹配，要使GPS天线与IMU上标注的坐标中心位置保持相对静止。优选地，将GPS与导航定位装置刚性连接，即可保证该相对静止。GPS就是通过接受卫星信号，进行定位或者导航的终端，而接受信号就必须用到天线。
GPS和IMU接受的信息传递到自带的电脑处理器，再通过电脑处理器发送到控制及数据记录装置当中，包括原始GPS数据和IMU数据，并储存下来供数据后处理使用。控制及数据记录装置设定IMU/GPS参数，并发出指令开始或结束GPS/IMU功能。
控制及数据记录装置读取从扫描仪和IMU及GPS发来的信息，经处理生成两个线形图，反映激光测距和回波百分比，同时，控制及数据记录装置显示GPS的定位信息，包括GPS时间及经纬度，显示IMU的姿态信息，包括方位、俯仰、滚转角度，显示相机拍摄照片的张数和最后一张照片拍摄时间。另外，控制及数据记录装置监控整个系统的运行情况和每个组件的功能发挥情况。
优选地，GPS与IMU集成在一个盒体中，使结构更加紧凑；或者，GPS与IMU独立设置在不同的盒体中，便于安装使用精度更高的GPS与IMU。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述的轻型机载三维激光雷达系统进一步包括：
相机，其集成在所述箱体中，所述相机的投影中心与所述IMU的所述坐 标中心位置保持相对静止；
所述相机与所述控制及数据记录装置连接，所述控制及数据记录装置发出拍摄启动信号以启动所述相机。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述相机与所述扫描仪具有相同的视场角。
为了对扫描的目标进行记录和数据比对，还可进一步设置相机，对扫描的区域进行拍照。拍得的照片还可在后期制作成DOM等文件，扩大应用范围。
导航定位装置要将获取的目标处的定位坐标发送至控制及数据记录装置，控制及数据记录装置根据该定位坐标或外部结构（如自动飞行器上的自动飞控系统）发送的定位坐标或预定的时间指令控制相机进行拍照。定位坐标即为地点启动指令，时间指令可包括预先设定的时间节点或时间频率，相机要在该定位坐标处或在预定的时间节点处或以预定的时间频率进行拍照。
为了使相机拍得的照片更准确更具参考性，将相机的投影中心与IMU上标注的坐标中心位置保持相对静止。优选地，将相机与导航定位装置刚性连接，即可保证该相对静止。
为了保持整体雷达系统的轻型特征，可将相机也集成在箱体中。
为了使相机与扫描仪的匹配效果更好，要选择使用具有相同或相近的视场角的相机与扫描仪，使拍取和扫描的区域接近。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述控制及数据记录装置包括显示屏。
在控制及数据记录装置上设置显示屏，能够直接读取坐标、扫描的区域地形等数据，并能快速读取数据，数据中反映出的问题也能更快被发现，数据表达更直观。等到将数据下载后再进行详细检测和分析。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述控制及数据记录装置向所述扫描仪发出包括时间节点和/或时间频率的所述扫描启动信号，所述扫描仪根据所述扫描启动信号，在所述时间节点启动和/或根据所述时间频率间断启动。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述控制及数据记录装置向所述相机发出包括时间节点和/或时间频率的所述拍摄启动信号，所述相机根据所述拍摄启动信号，在所述时间节点启动和/或根据所述时间频率间断启动；
和/或，
所述控制及数据记录装置向所述相机发出包括地点坐标的所述拍摄启动信号，所述相机根据所述拍摄启动信号，在所述地点坐标处启动。
在本实用新型的各实施例中，优选地，所述的轻型机载三维激光雷达系统进一步包括：
启动开关，其与所述控制及数据记录装置有线或无线连接。
控制及数据记录装置的启动开关可直接设置在控制及数据记录装置处，也可以通过连接线连接至其之外的结构上，还可无线连接，将开关设置在遥控器上，更方便操作。
在如图1所示的本实用新型的实施例中，本机载激光雷达系统搭载无人机。箱体105中集成有扫描仪101、相机102、导航定位装置103、控制及数据记录装置104。导航定位装置103包括相对位移不变的IMU和GPS，IMU和GPS均具有设定的初始坐标。扫描仪101、相机102均与导航定位装置103刚性连接，扫描仪的激光发射中心与IMU的坐标中心保持相对静止，相机的投影中心与IMU的坐标中心保持相对静止。扫描仪和相机具有相同的视场角。控制及数据记录装置104向扫描仪101发出时间频率信号，扫描仪根据该时间频率间断扫描。控制及数据记录装置104向相机102发出时间频率信号和地点坐标信号，相机根据该时间频率间断拍摄，在设定的该地点坐标处拍摄。扫描仪在扫描过程中记录下扫描的GPS时间、测距和扫描角度，相机拍照时向GPS发出信号，GPS记录下该照片的GPS时间。
通过本实用新型的各实施例提供的轻型机载三维激光雷达系统，能够带来以下至少一种有益效果：
1.可搭载多种飞行平台。本实用新型提供的轻型机载三维激光雷达系统， 扫描仪、相机、导航定位装置、控制及数据记录装置集成在一个箱体中，各装置之间只需很短的连接线连接即可，系统的体积小、重量轻，可搭载多种飞行平台，包括小型有人机、有人直升机、飞艇、三角翼动力伞，尤其是可以选择无人机。
2.一键操作，失误率低。系统的所有部件有机的集成在一个箱体中，在安装时不需要再连接线缆和接口，方便安装。同时，只需要一个开关即可启动该系统，操作智能化，失误率较低。
3.设备利用率高。由于搭载的飞行平台多样化，而且飞行的速度和高度随着飞行平台的变化而变化，设备可使用的机会明显增加，在普通天气条件下，只要云层不低于200米，就可以实现飞行。
4.数据精度高、激光点密度大。由于无人直升机和飞艇可以飞行的高度和速度可以很低、很慢，设备可以获取到激光点密度很大的数据，如每平方米激光点达到或超过100点以上，激光点越密，数据最终成果精度越高。
5.智能化程度高。利用无人机或飞艇上的自动飞控系统与我公司研发的三维激光雷达系统有机结合，可以自动完成设置的任务，不需人工操作，智能化程度高。
本实用新型提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本实用新型的范围内。
显然，本领域技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，包括：
集成在一个箱体中的扫描仪、导航定位装置、控制及数据记录装置；
所述导航定位装置包括惯性测量单元IMU，所述IMU上标注有坐标中心位置；
所述扫描仪的激光发射点位置与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止；
所述扫描仪与所述控制及数据记录装置连接，所述控制及数据记录装置发出扫描启动信号以启动所述扫描仪；
所述导航定位装置与所述控制及数据记录装置连接，并将定位数据发送给所述控制及数据记录装置。
2.如权利要求1所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，所述导航定位装置进一步包括：
全球定位系统GPS，其包括GPS天线；
所述GPS天线与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止。
3.如权利要求2所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，所述GPS与所述IMU集成在一个盒体中，或者，所述GPS与所述IMU独立设置在不同的盒体。
4.如权利要求2所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，进一步包括：
相机，其集成在所述箱体中，所述相机的投影中心与所述IMU的所述坐标中心位置保持相对静止；
所述相机与所述控制及数据记录装置连接，所述控制及数据记录装置发出拍摄启动信号以启动所述相机。
5.如权利要求4所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，所述 相机与所述扫描仪具有相同的视场角。
6.如权利要求4所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，
所述扫描仪与所述导航定位装置刚性连接；
和/或，
所述相机与所述导航定位装置刚性连接。
7.如权利要求1所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，
所述控制及数据记录装置包括显示屏。
8.如权利要求1所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，
所述控制及数据记录装置向所述扫描仪发出包括时间节点和/或时间频率的所述扫描启动信号，所述扫描仪根据所述扫描启动信号，在所述时间节点启动和/或根据所述时间频率间断启动。
9.如权利要求4所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，
所述控制及数据记录装置向所述相机发出包括时间节点和/或时间频率的所述拍摄启动信号，所述相机根据所述拍摄启动信号，在所述时间节点启动和/或根据所述时间频率间断启动。
10.如权利要求4所述的轻型机载三维激光雷达系统，其特征在于，所述控制及数据记录装置向所述相机发出包括地点坐标的所述拍摄启动信号，所述相机根据所述拍摄启动信号，在所述地点坐标处启动。
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