一种基于无人机技术的测绘扫描设备的制作方法

2021-02-14 19:02:54|

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本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及到一种基于无人机技术的测绘扫描设备。

背景技术：

测绘，是指对自然地理要素或者地表人工设施的形状、大小、空间位置及其属性等进行测定、采集并绘制成图。随着科学技术的发展，测绘使用到的工具越来越智能化，以计算机技术、光电技术、网络通讯技术、空间科学、信息科学为基础，以全球导航卫星定位系统、遥感、地理信息系统等为技术核心，选取地面已有的特征点和界线并通过测量手段获得反映地面现状的图形和位置信息，但目前的测量前准备工作复杂，测量成本高，测量精度受到测量场地的限制并受限于基准点上采集标记点的数量，且测量过程繁琐，需要实际测量人员多次安放测量设施，抗干扰能力差。

综上所述，提供一种检测效率更高、且布局简捷、适应性和灵活度较高的基于无人机技术的测绘扫描设备，是本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本方案针对上文提到的问题和需求，提出一种基于无人机技术的测绘扫描设备，其由于采取了如下技术方案而能够解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于无人机技术的测绘扫描设备，包括：扫描采集单元、数据滤波修正单元、数字地图构建单元和管理终端；

所述扫描采集单元用于数据采集传输和无人机导航控制，所述扫描采集单元包括测绘数据采集模块、无人机控制板和第一实时通信模块，所述测绘数据采集模块用于对实际地形的具体数据进行测绘，所述测绘数据采集模块包括机载测绘系统，所述测绘系统设置在无人机上，所述无人机控制板用于控制无人机的飞行距离、速度和角度，所述第一实时通信模块与所述测绘系统和所述无人机控制板相连接用于与所述管理终端通信；

所述数据滤波修正单元用于对采集数据进行预处理和筛选修正，所述数据滤波修正单元包括数据预处理模块和误差校正模块，所述数据预处理模块用于对采集数据进行滤波预处理，所述误差校正模块用于根据误差校验模型对系统误差进行校正保证点云数据精度，所述系统误差包括量测误差和集成误差，所述数据滤波修正单元与所述数字地图构建单元相连；

所述数字地图构建单元用于进行实时处理数据和构建成图，所述数字地图构建单元包括点云处理模块、三维重构模块和数据分析模块，所述三维重构模块根据三维点云数据生成高精度数字高程图，所述数据分析模块用于根据生成的高程图与环境数据分析测绘地形特点特征并记录，所述数字地图构建单元与所述管理终端相连；

进一步地，还包括供电管理单元，所述供电管理单元包括供电模块和电量计算模块。

更进一步地，所述供电模块包括机载供电模块和地面供电模块，所述电量计算模块与所述机载供电模块电连接，所述电量计算模块采用基于神经网络的剩余电量计算方法计算所述机载供电模块的剩余电量。

更进一步地，所述无人机控制板包括高动态的惯性测量单元imu、gnss全球导航定位模块和飞行舵机控制器，所述测绘系统包括激光扫描仪和数字航空摄影仪，所述高动态的惯性测量单元imu、所述gnss全球导航定位模块和所述激光扫描仪均与所述飞行舵机控制器相连，所述gnss全球导航定位模块采用差分定位方式确定空间位置信息。

更进一步地，所述三维重构模块接收所述点云处理模块发送的顶点坐标数据形成模型视图矩阵，再由此得到投影矩阵，裁剪坐标进行视口变换，并规范设备坐标通过透视除法得到窗口坐标实现建模成像。

更进一步地，所述点云处理模块生成点云数据，所述误差校正模块采用基于特征点的安置角误差校正模型，将系统的所有误差集中为多个安置角误差；设置特征地物点并采用在规则格网中插值的方式对特征点进行提取和匹配，获取同名点对；用最小二乘拟合解算出安置角误差，所述安置角误差包括所述高动态的惯性测量单元imu安装角度误差。

更进一步地，所述点云数据生成过程包括：根据扫描仪测量的激光发射点到激光测量点间的距离和两个扫描角得到测量激光点的坐标(x,y,z)；根据激光扫描参考坐标系的x轴垂直于所述扫描仪的零度扫描线面并指向无人机前进方向，z轴是指向扫描角全部为零时的激光束方向得到激光扫描参考坐标系xb，yb，zb；根据所述高动态的惯性测量单元imu检测到的无人机当前姿态信息和第一位置偏移量将激光扫描参考坐标系转换为机体坐标系xn，yn，zn；将所述机体坐标系转换为瞬时当地水平坐标系xq，yq，zq并根据所述gnss全球导航定位模块的位置数据和第二位置偏移量得到当地水平坐标系x′q，y′q，z′q,所述第一位置偏移量为所述激光扫描参考坐标系与所述机体坐标系中心偏移量，所述第二位置偏移量为定位天线相位中心和所述机体坐标系的参考中心的偏移量。

更进一步地，所述无人机操控模块根据公式t＝s/v计算所述数字航空摄影仪两张照片的拍摄间隔时间，其中，s＝d-n,n＝o*d,s为拍摄间隔距离，d为照片在飞行方向覆盖的地面距离，n为两张照片重叠部分长度，o为设定的前向重叠度。

更进一步地，所述无人机控制板、所述机载供电模块和所述电量计算模块均集成在一个方形塑料壳内通过减震装置与无人机机体相连。

更进一步地，所述减震装置包括减震壳体、盖子和减震部，所述盖子扣设在所述减震壳体的上端，且所述减震壳体与所述盖子之间形成有一空腔，所述减震部容纳在所述空腔内，且所述减震部分别置于所述方形塑料壳的上、下两端，所述减震部包括上端设置的第一减震部和下端设置的第二减震部，所述第一减震部包括一对减震弹簧、一对基座和抵压板，一对基座对称设置所述盖子的底面上，所述抵压板与所述方形塑料壳固定连接，一对减震弹簧的上端均套设在对应的基座上，一对减震弹簧的下端均固定连接在所述抵压板上，所述第二减震部包括一对减震器、一对调节块、减震平台和一对连杆减震机构，一对减震器对称设置在所述减震壳体的内底壁上，一对调节块均通过所述连杆减震机构活动设置在对应的减震器内，且所述调节块通过一对滑轮与所述减震器的内侧壁滑动配合，所述减震平台固定在一对调节块的上端，且所述减震平台上等距间隔设有若干减震橡胶粒，若干减震橡胶粒均抵压在所述方形塑料壳的底面上，其中，所述连杆减震机构包括安装座、一对连杆、支撑座和减震垫圈，所述安装座固定在所述调节块的底部，所述减震垫圈固定在所述减震器的内底壁上，所述支撑座置于所述减震垫圈的上端，且所述支撑座内对称开设有一对滑槽，一对连杆的上端均枢接在所述安装座上，一对连杆的下端均枢接在对应的滑槽内的滑块上，所述滑块与所述滑槽滑动配合，所述方形塑料壳上外接有一出线管，所述出线管设置在所述方形塑料壳上用于导出连接线。

从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：本发明检测效率更高、且布局简捷、适应性和灵活度较高。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更详尽的描述，以便能容易地理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下文将对本发明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，其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为本发明中基于无人机技术的测绘扫描设备的组成示意图。

图2为本发明中扫描采集单元的组成结构示意图。

图3为本实施例中点云数据生成过程的具体流程示意图。

图4为本发明中减震装置正视结构示意图。

图5为本发明中减震器的正视结构示意图。

附图标记：

减震壳体1、盖子11、减震弹簧2、基座21、抵压板22、减震器3、调节块31、滑轮311、减震平台32、减震橡胶粒321、安装座33、连杆331、滑块332、拉簧333、支撑座34、滑槽341、减震垫圈35、方形塑料壳4、出线管5。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明依据计算机、光电技术、空间科学以及全球导航卫星定位系统等，把传统的需要人为测试完成的测绘工作用无人机与地面处理系统相结合的方式代替，并根据导航、传感测量、激光扫描仪等高精度设备，辅助信息采集，其中，激光扫描仪利用返回的脉冲激光可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像系统可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而逐个生成地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果。本发明提供了一种检测效率更高、且布局简捷、适应性和灵活度较高的基于无人机技术的测绘扫描设备。如图1至图5所示，该设备包括：扫描采集单元、数据滤波修正单元、数字地图构建单元和管理终端。所述扫描采集单元用于数据采集传输和无人机导航控制，所述扫描采集单元包括测绘数据采集模块、无人机控制板和第一实时通信模块，所述测绘数据采集模块用于对实际地形的具体数据进行测绘，所述测绘数据采集模块包括机载测绘系统，所述测绘系统设置在无人机上，所述无人机控制板用于控制无人机的飞行距离、速度和角度，所述第一实时通信模块与所述测绘系统和所述无人机控制板相连接用于与所述管理终端通信。其中，所述无人机控制板包括高动态的惯性测量单元imu、gnss全球导航定位模块和飞行舵机控制器，所述测绘系统包括激光扫描仪和数字航空摄影仪，所述高动态的惯性测量单元imu、所述gnss全球导航定位模块和所述激光扫描仪均与所述飞行舵机控制器相连，本实施例中，激光扫描仪采用vlp-16，其提供了高精度、远距离的感应，从而可提供丰富的三维点云。vlp-16最大扫描距离是100m,支持16个通道3d扫描，数据量巨大，每秒可获取30万个激光点。而所述gnss全球导航定位模块采用差分定位方式确定空间位置信息，因为获取精确的空间三维信息，首先就要获得无人机的精确动态空间位置，但是由于gnss动态定位受到卫星轨道误差、卫星钟钟差、多路径效应以及天线相位中心不稳定等诸多因素的影响，导致最终定位会产生一定的误差，除此之外，gnss定位误差还受到观测环境的影响。为了消除这个误差，则采用差分定位系统，通过设置基准站来消除数据的跳动误差。将基准站长时间固定在一个地方，移动站则挂载在无人机上，它们同时接收卫星发射的定位信号，基准站将接收到定位信号通过无线方式发送给移动站，两者之间进行差分信息的交互。本实施例采用的是载波相位差分，实时解算两个测站的载波相位观测量，实现精准定位，无人机采用旋翼小型无人机。

机载的扫描采集单元将采集数据实时传递给数据滤波修正单元，所述数据滤波修正单元用于对采集数据进行预处理和筛选修正，所述数据滤波修正单元包括数据预处理模块和误差校正模块，所述数据预处理模块用于对采集数据进行滤波预处理，本实施例中所述滤波预处理采用基于虚拟三角网与坡度滤波的lidar点云数据滤波方法，避免了点云内插或者平滑造成地信息损失,所述误差校正模块用于根据误差校验模型对系统误差进行校正保证点云数据精度，所述系统误差包括量测误差和集成误差，所述数据滤波修正单元与所述数字地图构建单元相连。

所述数字地图构建单元用于进行实时数据处理和成图构建，所述数字地图构建单元包括点云处理模块、三维重构模块和数据分析模块，所述三维重构模块根据三维点云数据生成高精度数字高程图，所述数据分析模块用于根据生成的高程图与环境数据分析测绘地形特点特征并记录，所述数字地图构建单元与所述管理终端相连。所述三维重构模块接收所述点云处理模块发送的顶点坐标数据形成模型视图矩阵，再由此得到投影矩阵，裁剪坐标进行视口变换，并规范设备坐标通过透视除法得到窗口坐标实现建模成像。所述点云处理模块生成点云数据，所述误差校正模块采用基于特征点的安置角误差校正模型，将系统的所有误差集中为多个安置角误差；设置特征地物点并采用在规则格网中插值的方式对特征点进行提取和匹配，获取同名点对；用最小二乘拟合解算出安置角误差，所述安置角误差包括所述高动态的惯性测量单元imu安装角度误差。由于手工安装原因，不可避免会出现角度上的偏差需要安装后再次测量，这个角度偏差成为安置角。

如图3所示，所述点云数据生成过程包括：a.根据扫描仪测量的激光发射点到激光测量点间的距离和两个扫描角得到测量激光点的坐标(x,y,z)；b.根据激光扫描参考坐标系的x轴垂直于所述扫描仪的零度扫描线面并指向无人机前进方向，z轴是指向扫描角全部为零时的激光束方向得到激光扫描参考坐标系xb，yb，zb；c.根据所述高动态的惯性测量单元imu检测到的无人机当前姿态信息和第一位置偏移量将激光扫描参考坐标系转换为机体坐标系xn，yn，zn；d.将所述机体坐标系转换为瞬时当地水平坐标系xq，yq，zq并根据所述gnss全球导航定位模块的位置数据和第二位置偏移量得到当地水平坐标系x′q，y′q，z′q,所述第一位置偏移量为所述激光扫描参考坐标系与所述机体坐标系中心偏移量，所述第二位置偏移量为定位天线相位中心和所述机体坐标系的参考中心的偏移量。

所述管理终端用于将上行控制指令发送给所述扫描采集单元并接收所述扫描采集单元反馈的下行检测数据，所述管理终端包括智能显示模块、数据库存储模块、数据分类管理模块、无人机操控模块和第二实时通信模块，所述数据库存储模块用于存储分析数据和历史采集数据，所述数据分类管理模块用于对不同测绘地点的地形数据进行分类管理，所述无人机操控模块与所述第二实时通信模块相连接对无人机进行无线控制。所述无人机操控模块根据公式t＝s/v计算所述数字航空摄影仪两张照片的拍摄间隔时间，其中，s＝d-n,n＝o*d,s为拍摄间隔距离，d为照片在飞行方向覆盖的地面距离，n为两张照片重叠部分长度，o为设定的前向重叠度。

本系统还包括供电管理单元，所述供电管理单元包括供电模块和电量计算模块，其中，所述供电模块包括机载供电模块和地面供电模块，所述电量计算模块与所述机载供电模块电连接，所述电量计算模块采用基于神经网络的剩余电量计算方法计算所述机载供电模块的剩余电量。

在本实施例中，所述无人机控制板、所述机载供电模块和所述电量计算模块以及相关控制机构均集成在一个方形塑料壳4内通过减震装置与无人机机体相连。如图4至图5所示，所述减震装置包括减震壳体1、盖子11和减震部，所述盖子11扣设在所述减震壳体1的上端，且所述减震壳体1与所述盖子11之间形成有一空腔，所述减震部容纳在所述空腔内，且所述减震部分别置于所述方形塑料壳4的上、下两端，所述减震部包括上端设置的第一减震部和下端设置的第二减震部，所述第一减震部包括一对减震弹簧2、一对基座21和抵压板22，一对基座21对称设置所述盖子11的底面上，所述抵压板22与所述方形塑料壳4固定连接，一对减震弹簧2的上端均套设在对应的基座21上，一对减震弹簧2的下端均固定连接在所述抵压板22上，所述第二减震部包括一对减震器3、一对调节块31、减震平台32和一对连杆减震机构，一对减震器3对称设置在所述减震壳体1的内底壁上，一对调节块31均通过所述连杆减震机构活动设置在对应的减震器3内，且所述调节块31通过一对滑轮311与所述减震器3的内侧壁滑动配合，所述减震平台32固定在一对调节块31的上端，且所述减震平台32上等距间隔设有若干减震橡胶粒321，若干减震橡胶粒321均抵压在所述方形塑料壳4的底面上，其中，所述连杆减震机构包括安装座33、一对连杆331、支撑座34和减震垫圈35，所述安装座33固定在所述调节块31的底部，所述减震垫圈35固定在所述减震器3的内底壁上，所述支撑座34置于所述减震垫圈35的上端，且所述支撑座34内对称开设有一对滑槽341，一对连杆331的上端均枢接在所述安装座33上，一对连杆331的下端均枢接在对应的滑槽341内的滑块332上，所述滑块332与所述滑槽341滑动配合，一对连杆331之间连接有一拉簧333，所述方形塑料壳4上外接有一出线管5，所述出线管5设置在所述方形塑料壳4上用于导出连接线。当安装时，先打开盖子11，把方形塑料壳4放上去，扣合盖子11，第一减震部中的抵压板22会抵压在方形塑料壳4上，通过减震弹簧2被压缩和下端的减震器3中的连杆减震机构以及减震垫圈35，均能对方形塑料壳4进行缓冲，达到减震效果。

应当说明的是，本发明所述的实施方式仅仅是实现本发明的优选方式，对属于本发明整体构思，而仅仅是显而易见的改动，均应属于本发明的保护范围之内。

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