专利名称：小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统及方法
技术领域：
本发明涉及地形测绘的技术领域，特别涉及一种可以实现全自动、无接触和动态实时的小型无人直升机超低空数字地形测绘系统及方法。
背景技术：
机载激光雷达技术，是一种集高精度动态DGPS技术、激光测距技术、高精度载体姿态测量技术和计算机技术于一体的新兴测量技术。通过激光测距仪得到的测距信息联合姿态测量�？榈玫降淖颂畔⒑透呔炔罘諫PS得到的位置信息能够解算获得精确的物体三维坐标和高分辨率数字地形模型。它为人们对地球空间信息的连续自动获�。峁┝艘恢中滦鸵８屑际醴椒ǎ啾却车娜斯さサ闶莼袢》绞剑湓谧远椭悄芑矫媲敖艘淮蟛剑构鄄饩群退俣认灾岣�。·
目前，利用机载激光雷达技术获得地球空间信息给传统的测绘带来了一场新的技术革新，激光雷达设备的研制受到国内外科技企业和科研单位的高度重视，也取得了一定的成果。目前大多数作业的机载激光雷达系统都是大型机载系统，一般工作在高空，设备体积大、质量重，容易受到空域管制和天气影响。这些设备无法实时生成数字高程数据，无法根据采集的数据现场改变飞行航线，作业效率低，易造成人力和物力的浪费。所以开发小型、高度集成的激光雷达设备，基于小型无人直升机平台进行作业，挖掘低空领域的应用很有必要。此小型无人直升机超低空数字地形测绘系统，是一个基于小型无人直升机的低成本、全自动、在线生成高程模型的激光雷达数字地形测绘系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统。本发明的另一目的在于，提供一种小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法。为了达到上述第一发明目的，本发明采用以下技术方案—种小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，包括负责各传感器数据的正确采集、对传感器数据进行同步处理以及无人直升机的导航控制，并通过无线收发设备实现与地面站系统数据交互的机载系统，和用于接收和处理来自机载激光雷达硬件系统的数据，或离线查看和处理数据文件的地面站系统，所述机载系统由协处理器�？楹椭鞔砥髂？樽槌桑凰鲂砥髂？橛糜诓杉低车淖颂莺臀恢檬荩约笆迪侄曰叵低车牡己娇刂疲龅闹鞔砥髂？橛糜诓杉砥髂？橛爰す獯衅鞯男藕牛⑹迪滞ü尴呤辗⑸璞缸⑹荩凰龅牡孛嬲鞠低呈迪钟牖叵低惩ㄐ牛邮芾醋曰叵低车氖荩⒎⑺涂刂浦噶罡叵低常送猓孛嬲鞠低郴故迪至巳赏枷允尽⑹荼嗉⑹萋瞬ㄒ约笆莞袷阶弧Ｓ叛〉模鲂砥髂？榘–PU处理器，与处理器信号连接的电子罗盘、IMU、GPS差分板以及通道舵机。优选的，所述主处理器�？榘ㄋ薈PU处理器，与CPU处理器连接的协处理器�？椋隒PU处理器�？榱拥奈尴呤辗⒛？椋ü齍SB转RS442与CPU处理器连接的激光扫描仪。 优选的，所述机载平台的处理器系统采用三层结构搭建，底层是协处理器电路板，实现数据采集和向上层传输；中间层是一个连接板，实现上下层数据的通讯桥梁；顶层是一个主处理器电路板，实现数据的同步设计和数据转发。优选的，所述地面站系统包括便携式计算机服务器和无线通信设备。优选的，还包括供电装置，所述供电装置为两个锂电池，根据需要分压到提供12V、9V、5V及3. 3V的四种电压。为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法，包括下述步骤SI、协处理器�？椴杉衅鞯氖荩说玫交叵低车恼纷刺诙远啻衅飨低辰惺萑诤洗砬埃枰Ｖげ煌衅魇莸耐叫裕匆蟾鞲龃衅鞯氖菰诮腥阍剖萁馑闶笔峭皇笨痰模砥髂？椴欢现鞫ü齋PI 口采集IMU的数据，在一次协处理器模块CPU更新周期里面多次采样IMU数据，保证发送给主处理器�？榈腎MU数据是最新的；S2、协处理器�？樵诮杉降拇衅魇荽虬梢桓鲎远ㄒ宓淖址问绞莅⒔檬莅鞔砥鞯哪？椋砥鞯氖莅℉MR3000航向角、IMU三轴角速度、IMU三轴加速度、GPS模式和GPS星数信息；S3、主处理器�？椴杉砥髂？楹图す獯衅鞯氖荩直鸲粤街质菁尤胧奔涫粜缘谋昙牵⑼ü尴呤辗⒛？榘咽葑⒌降孛嬲鞠低常籗4、地面站系统收到两种数据后保存数据，对于协处理器�？榈氖萁欣┱箍ǘ萑诤纤惴ㄊ迪郑∪⌒⌒臀奕酥鄙姆窍咝缘己侥Ｐ偷南低吃诘己阶晗抵械�3个位置信息(x，y，z)，3个速度信息(U，V, W)，用四元数描述的机载系统姿态信息(q0, Q1, Q2, Q3)和当地重力加速度g作为系统的状态向量；选取3个位置信息(x，y, z)，3个速度信息(U，V，W)，三个用欧拉角表示的机载系统姿态信息(的θ, ψ)作为系统的观测向量；S5、地面站系统利用卡尔曼数据融合后的姿态和位置信息，联合激光测距仪的测距信息进行三维解算，得到三维点云数据。优选的，步骤SI中，保证数据实时性和同步性的具体方法是GPS差分板和电子罗盘采用中断方式，有数据更新就产生中断，然后协处理器�？楦率莺透髯缘氖莞卤曛疚唬庋鞔砥骺梢酝ü卸媳曛疚焕磁卸洗耸毙砥髂？榇吹腉PS差分板或电子罗盘数据是不是最新的，这样数据到达主处理器�？榈氖奔溲映倬徒浦挥行砥鞔诖褪莸氖奔洌谥鞔砥髂？榈氖萁邮帐笨碳跞フ飧鍪奔渚涂梢允迪质莸耐叫�。优选的，步骤S4中，在参数的选择中欧拉角表示的姿态角在机载平台大幅度姿态变化的时候会使欧拉角方程出现奇异现象，针对这一情况，用四元数来表示机载系统的姿态角，采用这种方法表示系统的姿态运动能消除这种奇异；四元数本质是一个向量，它的维度是4，其中的三个维度定义了空间中的一个转动轴，第四个维度是表示绕该转动轴的角度，四元素和欧拉角表示的姿态角可以通过下面两式相互转化
权利要求
1.一种小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，包括负责各传感器数据的正确采集、对传感器数据进行同步处理以及无人直升机的导航控制，并通过无线收发设备实现与地面站系统数据交互的机载系统，和用于接收和处理来自机载激光雷达硬件系统的数据，或离线查看和处理数据文件的地面站系统，所述机载系统由协处理器�？楹椭鞔砥髂？樽槌桑凰鲂砥髂？橛糜诓杉低车淖颂莺臀恢檬荩约笆迪侄曰叵低车牡己娇刂疲龅闹鞔砥髂？橛糜诓杉砥髂？橛爰す獯衅鞯男藕牛⑹迪滞ü尴呤辗⑸璞缸⑹荩凰龅牡孛嬲鞠低呈迪钟牖叵低惩ㄐ牛邮芾醋曰叵低车氖荩⒎⑺涂刂浦噶罡叵低常送猓孛嬲鞠低郴故迪至巳赏枷允�、数据编辑、数据滤波以及数据格式转换。
2.根据权利要求I所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述协处理器�？榘–PU处理器，与处理器信号连接的电子罗盘、IMU、GPS差分板以及通道舵机。
3.根据权利要求I所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述主处理器�？榘ㄋ薈PU处理器，与CPU处理器连接的协处理器�？椋隒PU处理器�？榱拥奈尴呤辗⒛？椋ü齍SB转RS442与CPU处理器连接的激光扫描仪。
4.根据权利要求I所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述机载平台的处理器系统采用三层结构搭建，底层是协处理器电路板，实现数据采集和向上层传输；中间层是一个连接板，实现上下层数据的通讯桥梁；顶层是一个主处理器电路板，实现数据的同步设计和数据转发。
5.根据权利要求I所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述地面站系统包括便携式计算机服务器和无线通信设备。
6.根据权利要求I所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法，其特征在于，还包括供电装置，所述供电装置为两个锂电池，根据需要分压到提供12V、9V、5V及.3.3V的四种电压。
7.根据权利要求I所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统的测绘方法，其特征在于，包括下述步骤 S1、协处理器�？椴杉衅鞯氖荩说玫交叵低车恼纷刺诙远啻衅飨低辰惺萑诤洗砬埃枰Ｖげ煌衅魇莸耐叫裕匆蟾鞲龃衅鞯氖菰诮腥阍剖萁馑闶笔峭皇笨痰模砥髂？椴欢现鞫ü齋PI 口采集IMU的数据，在一次协处理器�？镃PU更新周期里面多次采样IMU数据，保证发送给主处理器�？榈捻擴数据是最新的； S2、协处理器模块在将采集到的传感器数据打包成一个自定义的字符形式数据包，并将该数据包传给主处理器的�？椋砥鞯氖莅℉MR3000航向角、IMU三轴角速度、IMU三轴加速度、GPS模式和GPS星数信息； S3、主处理器�？椴杉砥髂？楹图す獯衅鞯氖荩直鸲粤街质菁尤胧奔涫粜缘谋昙牵⑼ü尴呤辗⒛？榘咽葑⒌降孛嬲鞠低常� S4、地面站系统收到两种数据后保存数据，对于协处理器�？榈氖萁欣┱箍ǘ萑诤纤惴ㄊ迪郑∪⌒⌒臀奕酥鄙姆窍咝缘己侥Ｐ偷南低吃诘己阶晗抵械�3个位置信息(X，y, z) ,3个速度信息(u,v,w),用四元数描述的机载系统姿态信息(qQ, Q1, q2, q3)和当地重力加速度g作为系统的状态向量；选取3个位置信息(X，y, z) ,3个速度信息(U，V，W)，三个用欧拉角表示的机载系统姿态信息#，θ, ψ)作为系统的观测向量； S5、地面站系统利用卡尔曼数据融合后的姿态和位置信息，联合激光测距仪的测距信息进行三维解算，得到三维点云数据。
8.根据权利要求7所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法，其特征在于，步骤SI中，保证数据实时性和同步性的具体方法是GPS差分板和电子罗盘采用中断方式，有数据更新就产生中断，然后协处理器�？楦率莺透髯缘氖莞卤曛疚唬庋鞔砥骺梢酝ü卸媳曛疚焕磁卸洗耸毙砥髂？榇吹腉PS差分板或电子罗盘数据是不是最新的，这样数据到达主处理器�？榈氖奔溲映倬徒浦挥行砥鞔诖褪莸氖奔洌谥鞔砥髂？榈氖萁邮帐笨碳跞フ飧鍪奔渚涂梢允迪质莸耐叫�。
9.根据权利要求7所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法，其特征在于，步骤S4中，在参数的选择中欧拉角表示的姿态角在机载平台大幅度姿态变化的时候会使欧拉角方程出现奇异现象，针对这一情况，用四元数来表示机载系统的姿态角，采用这种方法表示系统的姿态运动能消除这种奇异；四元数本质是一个向量，它的维度是4，其中的三个维度定义了空间中的一个转动轴，第四个维度是表示绕该转动轴的角度，四元素和欧拉角表示的姿态角可以通过下面两式相互转化
10.根据权利要求7所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法，其特征在于，构建的小型无人直升机的非线性导航模型如下
全文摘要
本发明公开了一种小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统及方法，包括负责各传感器数据的正确采集、对传感器数据进行同步处理以及无人直升机的导航控制，并通过无线收发设备实现与地面站系统数据交互的机载系统和用于接收和处理来自机载激光雷达硬件系统的数据，或离线查看和处理数据文件的地面站系统，所述机载系统由协处理器和主处理器的组成，所述协处理器用于采集系统的姿态数据和位置数据，或实现对机载系统的导航控制。本发明采用协处理器配合主处理器的模式，既保证了对小型无人直升机导航控制的实时性和稳定性要求，也使得系统更加灵活,可以方便的扩展机载系统的功能，同时具备低功耗、低成本、高度集成、高效率等优点。
文档编号G01S17/89GK102928846SQ20121041152
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者裴海龙, 吴文升 申请人:华南理工大学
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