CN211291443U - 一种基于实景三维地图的无源遥测机器人 - Google Patents

一种基于实景三维地图的无源遥测机器人 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，包括高精度云台模块和设置在所述高精度云台模块上的光学感应模块，以及与光学感应模块和高精度云台模块通过通信网络连接的数据中心。本实用新型可对目标进行识别、定位及跟踪的同时通过真实地图及实景影像实时获得跟踪目标的精准的三维大地坐标，同时将跟踪目标周围的真实环境可视化，直观的观察到跟踪目标所处的真实环境，并预警相关人员，提醒相关人员制定决策，可以广泛的应用于土地管控、河道监测、精准农业、交通监控、治安防控、水政执法、森林资源清查等领域。

Description

一种基于实景三维地图的无源遥测机器人
技术领域
本实用新型涉及实景三维地图测绘领域，尤其涉及一种基于实景三维地图的无源遥测机器人。
背景技术
目前，用于测量目标的三维大地坐标的技术主要有以下几种：GPS定位技术、激光测距定位技术、微波测距定位技术、超声波定位技术和RFID定位技术等；以上技术在实际使用中存在着一些缺陷，例如GPS定位技术和RFID定位技术需要在目标上安装设备，如果目标上事先没有安装任何芯片，GPS定位技术和RFID定位技术就无法使用；而激光测距定位技术、微波测距定位技术和超声波定位技术则需要对目标发射电磁波，通过回波信号来解算目标的坐标，测量时需要事先瞄准目标，但并不能识别目标、跟踪目标，不能知道目标精准的位置信息，更不能知道目标位置周围的真实环境。
例如申请号为CN201010590581.0的专利提出的一种基于激光点云和实景影像进行空间三维测量的方法，由高精度激光扫描仪、高速数码成像设备、DGPS/IMU直接定向定位设备和工控计算机组成的移动测量系统，同时采集实景影像、激光点云和定位定向数据；其中高精度激光扫描仪的工作原理是通过两个同步反射镜快速而有序地旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间(或者相位差)来计算距离而且超声波定位距离较近，这种测量方式不能识别和跟踪目标，及识别目标位置周围的真实环境。
以上技术对于土地管控、河道监测、精准农业、交通监控、治安防控、水政执法、森林资源清查等方面的应用来说，都是极其不方便的。
因此，亟需一种基于实景三维地图的无源遥测机器人来解决现有的技术问题。
实用新型内容
针对上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，通过对目标进行识别、定位及跟踪，实时的获得跟踪目标的精准的三维大地坐标，同时将跟踪目标周围的真实环境可视化，直观的观察到跟踪目标所处的真实环境。
本实用新型是通过以下技术方案予以实现的。
一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，包括高精度云台模块和设置在所述高精度云台模块上的光学感应模块，以及与光学感应模块和高精度云台模块通过通信网络连接的数据中心；
所述光学感应模块向所述数据中心输出光学感应面尺寸、感应面分辨率、感应面像元尺寸、视场角和光学影像；
所述高精度云台模块向所述数据中心输出所述光学感应模块的垂直转动角度和水平转动角度；
所述数据中心处理所述光学感应模块和高精度云台模块的数据，生成目标像素坐标并将识别到的目标的三维大地坐标解算出来生成四维时空地图，以及控制高精度云台的运动带动光学感应模块对被识别目标进行跟踪。
进一步的，所述光学感应模块包括镜头及摄像机，所述摄像机与镜头固定连接。
进一步的，所述高精度云台模块包括用于安装光学感应模块的光学感应模块安装座，所述光学感应模块安装座的一端设置有观察口，所述镜头对准观察口，所述摄像机通过镜头从观察口获取外部图像及光学信息。
更进一步的，所述高精度云台模块还包括水平放置的基座和下端转动安装在所述基座上的竖轴；
所述竖轴的外圆周上固定套设有转动平台；
所述竖轴上端设置有竖轴码盘，所述竖轴码盘检测并输出所述光学感应模块的水平转动角度；
所述竖轴与竖轴转动驱动装置连接，所述竖轴转动驱动装置驱动所述竖轴转动。
更进一步的，所述转动平台上固定安装有倒置的U形下框架；
横轴贯穿所述下框架的两边并在所述下框架上转动；所述横轴的两端分别与倒置的U形上框架的两边固定连接；所述光学感应模块安装座固定安装在所述上框架的上表面；所述横轴的一端设置有横轴码盘，另一端与横轴转动驱动装置连接；所述横轴转动驱动装置驱动所述横轴转动；所述横轴码盘检测并输出所述光学感应模块的垂直转动角度。
进一步的，所述数据中心包括三维实景地图模块、目标识别模块、光线仿真模块、坐标转换模块、坐标解算模块和目标跟踪模块。
更进一步的，所述三维实景地图模块处理所述光学感应模块的输入数据，生成工作区域的坐标点云；
所述目标识别模块用于将光学感应模块中输出的光学影像识别出来并获得目标像素坐标。
更进一步的，所述光线仿真模块根据所述目标识别模块得到的目标像素坐标，从光学感应面相应位置处仿真出当前视场角下的出射光线；
更进一步的，所述坐标转换模块将所述光线仿真模块输出的出射光线所在的局部坐标系转换成三维地图所在的大地坐标系。
更进一步的，所述坐标解算模块计算所述坐标转换模块得出的大地坐标系下的出射光线与三维数字点云相交点的坐标即目标的三维大地坐标；所述目标跟踪模块负责驱动所述高精度云台模块持续跟踪被识别的目标。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型提供了一种即时、简单、高效、精准的基于实景三维地图的无源遥测机器人，可以对目标进行识别、定位及跟踪，通过真实地图及实景影像可以实时的获得跟踪目标的精准的三维大地坐标，同时将跟踪目标周围的真实环境可视化，直观的观察到跟踪目标所处的真实环境，并预警相关人员，提醒相关人员制定决策，无需在目标上安装任何设备也无需对目标发射电磁波(包括激光和超声波)，只要目标在画面中出现，就可以得到该目标的三维大地坐标，因此本技术可以广泛的应用于土地管控、河道监测、精准农业、交通监控、治安防控、水政执法、森林资源清查等领域。
附图说明
图1为本实用新型的工作原理图；
图2为本实用新型高精度云台模块的立体图；
图3为本实用新型高精度云台模块另一角度的立体图；
图4为本实用新型高精度云台模块的主视图。
图中：1、镜头；2、摄像机；3、光学感应模块安装座；4、基座；6、下框架；7、上框架；8、转动平台；9、横轴转动驱动装置；10、竖轴转动驱动装置；11、竖轴；12、横轴；13、竖轴码盘；14、观察口；15、横轴码盘；91、横轴步进电机；92、横轴同步带传动装置；101、竖轴步进电机；102、竖轴同步带传动装置。
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。
下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。
如图1至图4所示，一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，包括信息采集模块和数据中心，信息采集模块通过通信网络与数据中心连接。
信息采集模块包括光学感应模块和高精度云台模块，所述光学感应模块设置于高精度云台模块上；
光学感应模块和高精度云台模块通过通信网络与数据中心连接；
所述光学感应模块负责输出光学感应面尺寸、感应面分辨率、感应面像元尺寸、视场角和光学影像；
所述高精度云台模块向所述数据中心输出所述光学感应模块的垂直转动角度和水平转动角度。
所述光学感应模块包括镜头1及摄像机2，所述摄像机2与镜头1固定连接。
所述高精度云台模块包括光学感应模块安装座3、基座4、下框架6、上框架7、转动平台8、横轴转动驱动装置9、竖轴转动驱动装置10、竖轴11、横轴12、竖轴码盘13、观察口14、横轴码盘15；所述镜头1和摄像机2设置在所述光学感应模块安装座3内；所述光学感应模块安装座3的一端设置有观察口14；所述镜头1对准观察口14，所述摄像机2通过镜头1从观察口14获取外部图像及光学信息；所述基座4水平方向放置；所述竖轴11的下端转动安装在所述基座4上；所述竖轴11贯穿所述转动平台8，且与转动平台8固定连接；所述竖轴11上处于转动平台8与基座4之间的位置与所述竖轴转动驱动装置10连接，所述竖轴转动驱动装置10驱动所述竖轴11转动；所述竖轴11上端设置有竖轴码盘13；所述转动平台8上固定安装有倒置的U形下框架6。
所述横轴12贯穿所述下框架6的两边并在所述下框架6上转动；所述横轴12的两端分别与倒置的U形上框架7的两边固定连接；所述横轴12的一端设置有横轴码盘15，另一端与横轴转动驱动装置9连接；所述横轴转动驱动装置9驱动所述横轴12转动；所述光学感应模块安装座3固定安装在所述上框架7的上表面。
所述竖轴转动驱动装置10驱动所述竖轴11转动，从而驱动转动平台8水平转动；所述转动平台8通过下框架6及横轴12带动上框架7水平转动；所述上框架7带动所述光学感应模块安装座3水平转动，从而实现所述光学感应模块在水平方向360度范围内转动；所述横轴转动驱动装置9驱动所述横轴12转动，所述横轴12带动所述上框架7在垂直方向上摆动，从而通过所述光学感应模块安装座3带动所述光学感应模块在垂直90方向度范围内转动。
所述转动平台8上设置有驱动模块(未示出)。
更具体的，所述横轴转动驱动装置9包括横轴步进电机91和横轴同步带传动装置92；所述横轴步进电机91通过安装座水平固定安装在所述转动平台8上；所述横轴同步带传动装置92一端套设在所述横轴步进电机91的输出轴上，另一端套设在所述横轴12的一端；所述横轴步进电机91通过横轴同步带传动装置92驱动所述横轴12转动。
更具体的，所述竖轴转动驱动装置10包括竖轴步进电机101和竖轴同步带传动装置102；所述竖轴步进电机101垂直安装在所述转动平台8上；所述竖轴同步带传动装置102一端套设在所述竖轴步进电机101的输出轴上，另一端套设在所述竖轴11上；所述竖轴步进电机101通过所述竖轴同步带传动装置102驱动所述竖轴11转动。
所述驱动模块控制所述竖轴转动驱动装置10上的竖轴步进电机101和横轴转动驱动装置9上的横轴步进电机91的转动角度，以控制所述光学感应模块在水平方向360度、垂直方向90度的范围内以一定的速度自动循环运动，横轴码盘15和竖轴码盘13分别检测并输出所述光学感应模块的垂直转动角度和水平转动角度。
所述数据中心包括三维实景地图模块、目标识别模块、光线仿真模块、坐标转换模块、坐标解算模块和目标跟踪模块；所述三维实景地图模块负责生成工作区域的坐标点云；
具体的，所述三维实景地图模块包括数字高程模型DEM、数字正射影像DOM、数字线画图DLG和三维数字点云；
所述目标识别模块负责将光学感应模块中输出的光学影像识别出来并获得目标像素坐标；
具体的，所述目标识别模块内预存有目标标准参数，同时包括yolov3算法；所述光线仿真模块负责根据像素坐标仿真从光学感应面相应位置处的当前视场角下的出射光线。
具体的，所述光线仿真模块内预存有光学感应面尺寸、感应面分辨率、感应面像元尺寸、光学视场大小，同时包括光线仿真的空间几何算法；
所述坐标转换模块负责将出射光线所在的局部坐标系转换成三维地图所在的大地坐标系。
具体的，所述坐标转换模块内预存有三维实景地图坐标系、感应面大地坐标和局部坐标、出射光线局部坐标系，同时包括坐标系转换算法；
所述坐标解算模块负责计算出射光线与三维数字点云相交点的坐标即目标的三维大地坐标。
具体的，所述坐标解算模块包括出射光线与三维数字点云的碰撞算法及碰撞点坐标提取算法；高精度云台模块输出的水平角度和垂直角度决定了出射光线在三维地图中的方位，目标识别模块输出的像素坐标和光学视场大小决定了出射光线与三维数字点云的碰撞点，这个碰撞点的坐标即目标的三维大地坐标；
所述目标跟踪模块负责驱动机器人持续跟踪被识别的目标。
具体的，所述目标跟踪模块包括CSRT跟踪算法。
所述通信网络为4G、5G、WIFI自组网中的一种或几种，或者为有线通信网络。
本实用新型的一种基于实景三维地图的遥测机器人的测量方法，步骤如下：
步骤S1：数据的采集
所述高精度云台模块中的横轴步进电机91和竖轴步进电机101在控制程序的作用下动作，从而带动摄像机2在水平方向360度，垂直方向90度范围内以一定速度自动循环运动，实现自动巡航功能；
所述光学感应模块标定光学感应面尺寸、感应面分辨率、感应面像元尺寸、水平视场角及垂直视场角，同时输出目标与周围环境的实时影像，并通过通信网络将上述光学感应面尺寸、感应面分辨率、感应面像元尺寸、水平视场角及垂直视场角和光学影像传输给数据中心；
所述高精度云台模块中的横轴码盘15和竖轴码盘13精确定位摄像机2当前的水平角度及垂直角度，并通过通信网络将水平角度及垂直角度传输给数据中心。
步骤S2：三维大地坐标的生成
目标识别模块中的yolov3算法将光学感应模块输出的光学视场影像与目标识别模块中预存的目标标准参数进行对比，从而进行特定目标的识别和处理，生成目标像素坐标；
光线仿真模块根据光学感应面尺寸、感应面分辨率、感应面像元尺寸和光学视场在感应模块局部坐标系下仿真出射光线；
坐标转换模块根据高精度云台模块输出的水平角度、垂直角度以及三维实景地图所在的大地坐标系将出射光线转换到大地坐标系下；
坐标结算模块计算出出射光线与三维数字点云相交点的坐标即目标的三维大地坐标。
步骤S3：四维时空地图的生成
所述高精度云台模块在自动巡航过程中，数据中心将识别到的目标的三维大地坐标全部解算出来，不同类型的目标在地图上用不同种类的三维模型代替；
这些三维大地坐标随着时间的变化而变化，目标在三维地图上的位置随着时间的变化而变化，最后生成四维时空地图。
步骤S4：目标跟踪
目标跟踪模块中的CSRT目标跟踪算法控制高精度云台竖轴步进电机和横轴步进电机的运动带动光学感应模块从而实现对被识别目标的跟踪。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实用新型实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，包括高精度云台模块和设置在所述高精度云台模块上的光学感应模块，以及与光学感应模块和高精度云台模块通过通信网络连接的数据中心；
所述光学感应模块向所述数据中心输出光学感应面尺寸、感应面分辨率、感应面像元尺寸、视场角和光学影像；
所述高精度云台模块向所述数据中心输出所述光学感应模块的垂直转动角度和水平转动角度；
所述数据中心处理所述光学感应模块和高精度云台模块的数据，生成目标像素坐标并将识别到的目标的三维大地坐标解算出来生成四维时空地图，以及控制高精度云台的运动带动光学感应模块对被识别目标进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述光学感应模块包括镜头(1)及摄像机(2)，所述摄像机(2)与镜头(1)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述高精度云台模块包括用于安装光学感应模块的光学感应模块安装座(3)，所述光学感应模块安装座(3)的一端设置有观察口(14)，所述镜头(1)对准观察口(14)，所述摄像机(2)通过镜头(1)从观察口(14)获取外部图像及光学信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述高精度云台模块还包括水平放置的基座(4)和下端转动安装在所述基座(4)上的竖轴(11)；
所述竖轴(11)的外圆周上固定套设有转动平台(8)；
所述竖轴(11)上端设置有竖轴码盘(13)，所述竖轴码盘(13)检测并输出所述光学感应模块的水平转动角度；
所述竖轴(11)与竖轴转动驱动装置(10)连接，所述竖轴转动驱动装置(10)驱动所述竖轴(11)转动。
5.根据权利要求4所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述转动平台(8)上固定安装有倒置的U形下框架(6)；
横轴(12)贯穿所述下框架(6)的两边并在所述下框架(6)上转动；
所述横轴(12)的两端分别与倒置的U形上框架(7)的两边固定连接；
所述光学感应模块安装座(3)固定安装在所述上框架(7)的上表面；
所述横轴(12)的一端设置有横轴码盘(15)，另一端与横轴转动驱动装置(9)连接；所述横轴转动驱动装置(9)驱动所述横轴(12)转动；
所述横轴码盘(15)检测并输出所述光学感应模块的垂直转动角度。
6.根据权利要求5所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述数据中心包括三维实景地图模块、目标识别模块、光线仿真模块、坐标转换模块、坐标解算模块和目标跟踪模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述三维实景地图模块处理所述光学感应模块的输入数据，生成工作区域的坐标点云；
所述目标识别模块用于将光学感应模块中输出的光学影像识别出来并获得目标像素坐标。
8.根据权利要求7所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述光线仿真模块根据所述目标识别模块得到的目标像素坐标，从光学感应面相应位置处仿真出当前视场角下的出射光线。
9.根据权利要求8所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述坐标转换模块将所述光线仿真模块输出的出射光线所在的局部坐标系转换成三维地图所在的大地坐标系。
10.根据权利要求9所述的一种基于实景三维地图的无源遥测机器人，其特征在于，所述坐标解算模块计算所述坐标转换模块得出的大地坐标系下的出射光线与三维数字点云相交点的坐标即目标的三维大地坐标；所述目标跟踪模块负责驱动所述高精度云台模块持续跟踪被识别的目标。
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