CN206074810U - 小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，包括：处理器、惯性测量单元、差分全球卫星导航定位系统、三维激光扫描仪和高清摄像头，该数据采集系统实现了惯性测量单元、三维激光扫描仪、差分全球卫星导航定位系统和高清摄像头等传感器数据的同步采集与传输。该系统为了实现多个采集任务的并发执行，嵌入实时Linux操作系统的处理器使用了Linux多线程技术，具有较强的实时性和同步性。同时，该系统的硬件设计集成度高，外形简单，结构轻巧，方便安装在包括无人机、飞艇等各类轻小型飞行平台上，可以避开航空管制飞行，大大减少飞行成本，并且使航空测绘扫描效率大大提高，实现快速高效地测绘地形。
Description
技术领域
本实用新型涉及地形测绘和嵌入式系统设计领域，具体涉及一种小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统。
背景技术
机载激光扫描技术由于其主动性、对天气依赖小、不受阴影影响等诸多优点而引起了各行各业的广泛关注。特别是最近几年，随着相关技术的发展和社会需求的持续扩大，机载激光扫描测绘系统的发展非常迅速，实际上已经代表了对地观测领域的一个新的发展方向。
国内激光扫描测量系统的研究起步较晚，和外国的先进技术还存在着比较大的差距，具有国际竞争力的商业产品还未出现，国家对激光扫描测量系统的研究是非常重视的，一方面加大对基础硬件、基础理论的研究，另一方面积极开展实际的机载、星载、车载激光雷达项目，国内众多科研机构和企业都投入其中。目前，国内大约有二十套商业机载激光扫描测量系统在应用，这些设备主要是购自于国外，但是成本高昂、维修开发不便。目前来说，国内基于小型无人旋翼直升机的激光扫描测量系统的研制还不成熟，且体积重量较大不便于挂载在小型小型无人直升机上。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，实现了快速高效地测绘地形，相对于传统的人工绘制方式，本数据采集系统具有快速性、准确性、简易性以及更高的环境适应能力，且体积小，重量轻，便于挂载的优点。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，所述数据采集系统包括：处理器、惯性测量单元、差分全球卫星导航定位系统、三维激光扫描仪和高清摄像头，
其中，所述三维激光扫描仪，用于测量扫描物体表面的三维点云数据，与所述处理器相连；
所述惯性测量单元，用于测量物体三轴姿态角以及加速度，与所述处理器相连；
所述高清摄像头，用于采集彩色图像数据，与所述处理器相连；
所述所述差分全球卫星导航定位系统，用于测量物体的定位数据，与所述处理器相连。
进一步地，所述数据采集系统包括：SD卡存储单元，与所述处理器相连，用于存储所述惯性测量单元、所述三维激光扫描仪、所述差分全球卫星导航定位系统和所述高清摄像头同步实时采集的传感数据。
进一步地，所述处理器包括：USB接口模块、SPI接口模块、UART TTL转RS232串口模块、以太网接口模块和以太网拓展接口模块。
进一步地，所述处理器通过所述以太网口接口模块采集所述三维激光扫描仪的数据、通过所述SPI接口模块采集所述惯性测量单元的姿态测量数据、通过所述UART TTL转RS232串口模块采集所述差分全球卫星导航定位系统的定位数据，通过所述USB接口模块采集所述高清摄像头的彩色图像数据。
进一步地，所述处理器通过所述以太网拓展接口模块与以太网控制器相连，所述以太网控制器初步处理所述惯性测量单元、所述三维激光扫描仪、所述差分全球卫星导航定位系统和所述高清摄像头同步实时采集的传感数据并封装打包成固定格式之后通过与其相连的无线传输电台传输到地面站数据处理系统。
进一步地，所述无线传输电台采用远距离无线传输IPNDDL网络数据电台传输数据。
进一步地，所述处理器包括供电模块，用于为所述处理器提供工作电压。
进一步地，所述差分全球卫星导航定位系统采用NovAtel公司的OEM628采集GNSS定位数据，
所述惯性测量单元采用高精度的惯性导航单元ADIS16480采集姿态数据，
所述高清摄像头采用高清USB广角高清摄像头采集彩色图像数据。
进一步地，所述处理器采用基于TI DM3730内核的CM-T3730工业控制板，嵌入实时Linux操作系统。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本实用新型公开的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统为了实现多个采集任务的并发执行，嵌入实时Linux操作系统的处理器使用了Linux多线程技术，具有较强的实时性和同步性。
2)本实用新型公开的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统的硬件设计集成度高，外形简单，结构轻巧，方便安装在包括无人机、飞艇等各类轻小型飞行平台上，可以避开航空管制飞行，大大减少飞行成本，并且使航空测绘扫描效率大大提高，实现快速高效地测绘地形。
附图说明
图1是本实用新型公开的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统的组成框图；
图2是本实用新型公开的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统的采集流程图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，包括：处理器、惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)、差分全球卫星导航定位系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)、三维激光扫描仪、高清摄像头以及SD卡存储单元。
惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)、差分全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)、三维激光扫描仪、高清摄像头以及SD卡存储单元分别与处理器相连接。
小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统采用了嵌入实时Linux操作系统的处理器，实现了惯性测量单元、三维激光扫描仪、差分全球卫星导航定位系统和高清摄像头等传感器数据的同步实时采集，并且经过与处理器相连的以太网控制器初步处理封装打包成固定格式之后通过无线传输电台传输到地面站数据处理系统,同时存储在SD卡存储单元中。
数据采集系统搭载了SD卡存储单元，传感器数据不仅可以通过无线传输电台实时发送到地面站，还可以同时存储到SD卡存储单元中。
本实用新型的数据采集系统由控制器、各传感器、无线传输电台与SD卡存储单元组成。各传感器分别采集实时激光测距信息、姿态信息、位置信息和图像信息，上述控制器嵌入了实时Linux操作系统，运行数据采集软件，实时同步采集各传感器数据。
所述处理器包括：供电模块、USB接口模块、SPI接口模块、UART TTL转RS232串口模块、以太网接口模块和以太网拓展接口模块。
所述处理器通过所述以太网口接口模块采集所述三维激光扫描仪的数据、通过所述SPI接口模块采集所述惯性测量单元的测量数据、通过所述UART TTL转RS232串口模块采集所述差分全球卫星导航定位系统的定位数据，通过所述USB接口模块采集所述高清摄像头的彩色图像数据、通过所述以太网拓展接口模块与以太网控制器相连，所述以太网控制器初步处理所述惯性测量单元、所述三维激光扫描仪、所述差分全球卫星导航定位系统和所述高清摄像头同步实时采集的传感数据并封装打包成固定格式之后通过与其相连的无线传输电台传输到地面站数据处理系统。
所述处理器嵌入了实时Linux操作系统，为了实现同步采集多传感器数据，即各传感器数据是同一时刻采集的，采集软件使用Linux多线程技术，整个采集程序主要分为三个线程，分别是图像采集线程，GNSS数据采集线程和主线程。图像采集线程采集图像数据，GNSS采集线程采集GNSS位置数据，主线程采集IMU数据和三维激光扫描仪数据，并且负责把所有数据打包成固定的数据结构通存储在SD卡存储单元中并且通过无线传输电台传输到地面站。
实施例二
如图1所示，本实施例中小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统选用基于TIDM3730(1GHz)内核的CM-T3730工业控制板作为处理中心(即处理器)，该处理器采用256MDDR内存，板上可搭载8G micro-SD卡作为SD卡存储单元，具有高速USB接口模块(480Mbps)，UART TTL转RS232串口模块、SPI接口模块，1个100Mbps以太网口模块和1个以太网拓展接口模块，可运行实时Linux操作系统。硬件资源和软件支持上完全符合本系统设计需求，且编程开发环境简易，开发效率高。本系统需要通过SPI接口模块采集IMU数据，通过UART TTL转RS232串口模块采集全球定位系统GNSS板卡数据，通过USB接口模块采集高清摄像头的图像数据，通过以太网接口模块采集激光扫描仪数据，数据解析打包之后存储在本地SD卡存储单元中，并且通过以太网拓展接口模块发送到无线传输电台，无线传输电台通过2.4GHz的无线网络把数据发送到地面站。
CM-3730作为主控制器，主要完成下述功能：与各传感器建立可靠的通信连接，同步采集传感器数据并且实时把数据通过无线网络发送到地面站和存储在SD卡存储单元中。可从逻辑上把软件设计分为三个层次：Linux驱动层、数据采集层、数据处理发送层。通过以太网接口模块采集激光扫描仪VLP-16数据、通过SPI接口模块采集惯性测量单元ADIS16480数据、通过UART TTL转RS232串口模块采集OEM628定位数据，通过USB接口模块采集高清摄像头数据、通过以太网拓展接口模块与无线传输电台连接。
该实施例中，三维激光扫描仪选用了Velodyne公司的小型三维激光扫描仪VLP-16采集激光测距数据，差分全球卫星导航定位系统选用了NovAtel公司的OEM628采集GNSS定位数据，惯性测量单元选用了高精度的惯性导航单元ADIS16480采集姿态数据，高清摄像头选用了高清USB广角高清摄像头采集图像数据，无线传输电台选用了远距离无线传输IPNDDL网络数据电台传输数据。
本实用新型公开的数据采集系统设计的难点在于每个传感器的数据发送频率都不一致，而激光扫描仪与摄像头数据量十分庞大，数据采集层设计的关键在于统一各传感器的频率并且保证各传感器数据采集的同步性与实时性，数据处理发送层则要保证准确无误地解析数据并且把数据封装打包成固定的格式。
如图2所示，为了实现多传感器的同步实时数据采集，采用了多线程的技术，整个采集程序主要分为三个线程，分别是图像采集线程，GNSS数据采集线程和主线程。三个线程并发运行，图像采集线程采集图像数据，GNSS采集线程采集GNSS定位数据，主线程采集IMU数据和激光扫描仪数据，并且负责把所有数据打包成固定的数据结构通过无线传输电台传输到地面站并且存储在SD卡存储单元中。其中，多个线程之间共享的变量需要用到互斥锁技术。
综上所述，该实用新型为了实现多个采集任务的并发执行，软件设计使用了Linux多线程技术，具有较强的实时性和同步性。硬件设计集成度高，外形简单，结构轻巧，方便安装在包括无人机、飞艇等各类轻小型飞行平台上，可以避开航空管制飞行，大大减少飞行成本。并且使航空测绘扫描效率大大提高。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统包括：处理器、惯性测量单元、差分全球卫星导航定位系统、三维激光扫描仪和高清摄像头，
其中，所述三维激光扫描仪，用于测量扫描物体表面的三维点云数据，与所述处理器相连；
所述惯性测量单元，用于测量物体三轴姿态角以及加速度，与所述处理器相连；
所述高清摄像头，用于采集彩色图像数据，与所述处理器相连；
所述所述差分全球卫星导航定位系统，用于测量物体的定位数据，与所述处理器相连。
2.根据权利要求1所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统包括：SD卡存储单元，与所述处理器相连，用于存储所述惯性测量单元、所述三维激光扫描仪、所述差分全球卫星导航定位系统和所述高清摄像头同步实时采集的传感数据。
3.根据权利要求1所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，所述处理器包括：USB接口模块、SPI接口模块、UARTTTL转RS232串口模块、以太网接口模块和以太网拓展接口模块。
4.根据权利要求3所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，所述处理器通过所述以太网口接口模块采集所述三维激光扫描仪的数据、通过所述SPI接口模块采集所述惯性测量单元的测量数据、通过所述UART TTL转RS232串口模块采集所述差分全球卫星导航定位系统的定位数据，通过所述USB接口模块采集所述高清摄像头的彩色图像数据。
5.根据根据权利要求3所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，所述处理器通过所述以太网拓展接口模块与以太网控制器相连，所述以太网控制器初步处理所述惯性测量单元、所述三维激光扫描仪、所述差分全球卫星导航定位系统和所述高清摄像头同步实时采集的传感数据并封装打包成固定格式之后通过与其相连的无线传输电台传输到地面站数据处理系统。
6.根据根据权利要求5所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，
所述无线传输电台采用远距离无线传输IPNDDL网络数据电台传输数据。
7.根据权利要求3所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，所述处理器包括供电模块，用于为所述处理器提供工作电压。
8.根据权利要求1至7任一所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，
所述差分全球卫星导航定位系统采用NovAtel公司的OEM628采集GNSS定位数据，
所述惯性测量单元采用高精度的惯性导航单元ADIS16480采集姿态数据，
所述高清摄像头采用高清USB广角高清摄像头采集图像数据。
9.根据权利要求1至7任一所述的小型无人直升机机载激光扫描数据采集系统，其特征在于，
所述处理器采用基于TI DM3730内核的CM-T3730工业控制板，嵌入实时Linux操作系统。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107478271A (zh) * | 2017-08-10 | 2017-12-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种用于老年人日间照料设施适老性评价的数据采集装置 |
| CN108303082A (zh) * | 2018-01-04 | 2018-07-20 | 北京原子机器人科技有限公司 | 智能惯性导航传感系统及其数据处理方法 |
| CN112378336A (zh) * | 2020-11-13 | 2021-02-19 | 南通中远海运川崎船舶工程有限公司 | 一种基于无人机的舱容测量系统及其测量方法 |
| CN112595236A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-04-02 | 江苏国和智能科技有限公司 | 一种水下激光三维扫描和实时测距的测量装置 |
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