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模块得到的姿态信息和高精度差分GPS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取，提供了一种新型遥感技术方法，相比传统的人工单点数据获取方式，其在自动化和智能化方面前进了一大步，使观测精度和速度显著提高。·
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模块和主处理器模块组成；所述协处理器模块用于采集系统的姿态数据和位置数据，以及实现对机载系统的导航控制，所述的主处理器模块用于采集协处理器模块与激光传感器的信号，并实现通过无线收发设备转发数据；所述的地面站系统实现与机载系统通信，接受来自机载系统的数据，并发送控制指令给机载系统，此外，地面站系统还实现了三维成图显示、数据编辑、数据滤波以及数据格式转换。优选的，所述协处理器模块包括CPU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，所述主处理器模块包括双核CPU处理器，与CPU处理器连接的协处理器模块，与CPU处理器模块连接的无线收发模块，通过USB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、协处理器模块采集传感器的数据，为了得到机载系统的正确状态，在对多传感器系统进行数据融合处理前，需要保证不同传感器数据的同步性，即要求各个传感器的数据在进行三维点云数据解算时是同一时刻的，协处理器模块不断主动通过SPI 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模块的IMU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模块，协处理器的数据包包括HMR3000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、主处理器模块采集协处理器模块和激光传感器的数据，分别对两种数据加入时间属性的标记，并通过无线收发模块把数据转发到地面站系统；S4、地面站系统收到两种数据后保存数据，对于协处理器模块的数据进行扩展卡尔曼数据融合算法实现，选取小型无人直升机的非线性导航模型的系统在导航坐标系中的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，然后协处理器模块更新数据和各自的数据更新标志位，这样主处理器可以通过判断标志位来判断此时协处理器模块传来的GPS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模块的时间延迟就近似只有协处理器串口传送数据的时间，在主处理器模块的数据接收时刻减去这个时间就可以实现数据的同步性。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模块和主处理器模块组成；所述协处理器模块用于采集系统的姿态数据和位置数据，以及实现对机载系统的导航控制，所述的主处理器模块用于采集协处理器模块与激光传感器的信号，并实现通过无线收发设备转发数据；所述的地面站系统实现与机载系统通信，接受来自机载系统的数据，并发送控制指令给机载系统，此外，地面站系统还实现了三维成图显示、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，所述协处理器模块包括CPU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，所述主处理器模块包括双核CPU处理器，与CPU处理器连接的协处理器模块，与CPU处理器模块连接的无线收发模块，通过USB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、协处理器模块采集传感器的数据，为了得到机载系统的正确状态，在对多传感器系统进行数据融合处理前，需要保证不同传感器数据的同步性，即要求各个传感器的数据在进行三维点云数据解算时是同一时刻的，协处理器模块不断主动通过SPI 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模块的頂U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模块，协处理器的数据包包括HMR3000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、主处理器模块采集协处理器模块和激光传感器的数据，分别对两种数据加入时间属性的标记，并通过无线收发模块把数据转发到地面站系统； S4、地面站系统收到两种数据后保存数据，对于协处理器模块的数据进行扩展卡尔曼数据融合算法实现，选取小型无人直升机的非线性导航模型的系统在导航坐标系中的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，然后协处理器模块更新数据和各自的数据更新标志位，这样主处理器可以通过判断标志位来判断此时协处理器模块传来的GPS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模块的时间延迟就近似只有协处理器串口传送数据的时间，在主处理器模块的数据接收时刻减去这个时间就可以实现数据的同步性。
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