一种结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统及方法与流程

本发明涉及空间测绘技术领域，尤其是一种结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统及方法。

背景技术：

目前，在空间测绘领域中，通常采用全站仪测量，其主要原理是在设定好的基准点上向散放物使用全站仪，全站仪携带的激光测距仪和角度仪，收集测量物的标记点数据，然后发回计算机生成模拟散放物堆积模型，通过计算演示推导出散放物体积。

采用全站仪测量的方式存在的以下问题和缺点：

（1）主要问题在于测量散放物的体积时，需要先围绕散放物设置基准点，然后在基准点上依次使用全站仪扫描取点。对于固定场所的要求很高，一旦基准点的位置发生改变，需要重新测定基准点的位置才能使后台计算软件正确模拟数据信息。在测量精度方面，现有技术的取点数量较少，受限于地面视野的狭小，一旦测量物的中心出现凹陷，测量仪器不能有效的获取正确测量点，从而导致测量精度的大打折扣。测量成本方面，现有技术需要多点多次测量，对于大型场地测量来说，人员需要全程携带测量设备运动。

（2）测量前准备工作复杂，需要进行散放物的整形操作，增加测量成本的投入。测量精度受限于基准点上采集标记点的数量。测量过程繁琐，需要实际测量人员多次安放测量设施。实际测量精度会受到测量场地的限制，对于有遮挡物的测量场地，抗干扰能力差。在测量结果生成后，无法进行人工复检审核。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统及方法，该系统结合精确的三维扫描与精准空间定位技术，在散放物体积测量中，突破地面限制，将测量模块带到空中，改变原有的测量方式从根本上提高测量精度、节约测量成本、降低测量时间。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统，其特征在于包括空间扫描子系统、地面定位子系统和控制管理子系统，所述空间扫描子系统包括扫描模块和控制单元，扫描模块竖直向下对准地面测量物顶部，采集所在位置下对准的扫描数据信息；所述地面定位子系统包括定位模块和控制单元，定位模块锁定并定位空中标记的空间位置数据信息；所述控制管理子系统包括具有智能终端的显示模块，可实现测量目标物顶部采集点空间坐标的显示、标记位置扫描信息计算、显示、历史记录及数据分享；所述空间扫描子系统、地面定位子系统和控制管理子系统均包括传输模块和供电模块，其中传输模块用于保持三个子系统之间的数据实时传输；所述的控制单元根据控制管理子系统发出的指令控制空间扫描子系统数据采集作业；供电模块为三个子系统提供交流或电池供电。

对上述方案作进一步限定，所述空间扫描子系统包括无人机、球体和扫描探测设备，其中无人机下方固定悬挂具有标记的球体，球体下方设置扫描探测设备，无人机携带球体和扫描探测设备在空间中移动。

对上述方案作进一步限定，所述扫描探测设备包括由可调激光测距探头组成的扫描探头阵列，扫描探头阵列设置于载板上，在载板上留有每个可调激光测距探头的独立转动空间，每个可调激光测距探头在其独立转动空间内左右和前后摆动。

对上述方案作进一步限定，所述可调激光测距探头平行等距排列形成扫描探头阵列，可调激光测距探头与载板之间为球面配合，可调激光测距探头在载板内绕球心转动，在可调激光测距探头下方设有角度控制装置。

对上述方案作进一步限定，所述角度控制装置包括左右调节机构和前后调节机构，其中左右调节机构位于扫描探头阵列下方，其控制每个可调激光测距探头绕球心在左右方向摆动角度，前后调节机构位于左右调节机构的下方，其控制每行可调激光测距探头绕球心在前后方向摆动角度；前后调节机构通过位于两端的固定夹头，固定支撑于底部的水平支撑台上。

对上述方案作进一步限定，所述左右调节机构包括左调节电机、右调节电机和皮带轮，其中其中皮带轮位于每个可调激光测距探头下方，并且由皮带轮驱动可调激光测距探头绕球心摆动；扫描探头阵列分为左半部分和右半部分，其中左半部分和右半部分扫描探头阵列的皮带轮通过皮带依次串接，形成联动机构，左半部分和右半部分的可调激光测距探头作为一组，同方向摆动，左半部分的可调激光测距探头由位于左端的左调节电机驱动，右半部分的可调激光测距探头由位于右端的右调节电机驱动；左调节电机和右调节电机之间设有同步器；相邻两个皮带轮之间的传动比保持不变，同一行内的可调激光测距探头，其左右摆动角度由两端向中间依次减小。

对上述方案作进一步限定，所述前后调节机构包括固定一行可调激光测距探头的横向单列载板，横向单列载板的下表面设有与之啮合的齿轮，其中位于前半部分的可调激光测距探头下方的齿轮为前摆齿轮，位于后半部分的可调激光测距探头下方的齿轮为后摆齿轮，在前摆齿轮和后摆齿轮之间设有两个相互啮合的中间轮，两个中间轮分别于前摆齿轮和后摆齿轮啮合，其中后摆齿轮与前后调节电机之间皮带传动。

对上述方案作进一步限定，所述左右调节机构上设有左右角度传感器，前后调节机构上设有前后角度传感器，左右调节机构和前后调节机构通过扫描控制器来调整转动角度，左右角度传感器和前后角度传感器采集转动角度反馈至扫描控制器。

对上述方案作进一步限定，所述地面定位子系统包括测距探头阵列、装载测距探头阵列的修正云台以及固定用三脚架，测距探头阵列设置于激光探头载板上，激光探头载板下表面中部俯仰转轴，激光探头载板可绕俯仰转轴转动，俯仰转轴两端固定于竖直支柱上，竖直支柱固定于水平转台表面，水平转台与支撑三脚架通过水平转轴连接；还包括俯仰角度传感器、水平角度传感器、俯仰驱动电机、水平驱动电机和定位控制器，其中俯仰角度传感器固定于俯仰转轴上，俯仰转轴通过俯仰驱动电机驱动，水平角度传感器固定于水平转台上，竖直支柱通过水平驱动电机驱动旋转，定位控制器控制俯仰驱动电机和水平驱动电机转速及启停，俯仰角度传感器和水平角度传感器分别采集激光探头载板和水平转台的转动角度，并把数值反馈至定位控制器。

一种空间测绘方法，该方法使用结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统，其特征在于通过如下步骤获得测量范围内地面物体的体积v：

步骤s1：地面定位子系统对准空间扫描子系统的标记点，检测到标记点对应系统的空间坐标数据为（a、b、c）；

步骤s2：地面定位子系统完成对准采集，同时空间扫描子系统获得扫描数据的，即测量物表面各个测量点对应的，扫描系统空间对应的坐标数据为(a、b、c)1、（a、b、c）2、……、（a、b、c）n-1、（a、b、c）n；

步骤s3：控制管理子系统根据传输的空间扫描子系统标记点的坐标数据，及测量物表面点对应扫描系统空间对应的坐标数据，得出测量物表面各个测量点对应的系统的空间坐标数据（x、y、z）1、（x、y、z）2、……、（x、y、z）n-1、（x、y、z）n；

步骤s4：对应系统坐标的底面平面分割成底面积相同的标准平面，面积为s；

步骤s5：控制管理子系统根据已收集到的测量物表面坐标数据，计算出对应平面坐标单位面积的体积v，v=s×z；

步骤s6：累加所有的坐标单位的体积v，获得测量范围内地面物体的总体积v，v=v1+v2+……+vn-1+vn。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明中的结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统，精确的三维扫描与精准空间定位技术，在散放物体积测量中，突破地面限制，将测量模块带到空中，改变原有的测量方式从根本上提高测量精度、节约测量成本、降低测量时间；

（2）本发明在测量精度方面，激光云台锁定定位模块的使用，使空间定位精度达到毫米级。空中使用三维测距扫描模块，散放物上标记点采集数量得到极大提高；

（3）散放物体积测量无人机与传统全站仪测量，对于使用空中视角，打破堆放物需要测量前整形成规则几何形状的传统手段，无需整形，直接从空中俯拍，消除地面视野的阻碍，节约测量成本；

（4）本法明中的无人机的使用，使测量过程变得轻松自如。不再需要人抗设备到处取点，只需要将无人机起飞，飞越过测量物上空，即完成测量作业，省去了测量前需准备的规则整形作业，有效提升测量效率、节约测量成本，方便快捷、有效降低测量时间；

（5）本发明打破地面局限，在空中俯拍测量，大大提升测量采点数量，极大提升测量精度，使用飞行无人机，减少人员劳动节约测量成本。空中视野开阔消除地面视线遮挡带来的误差。无人机自由度高，复杂地貌状况不会受到限制。节约测前整形准备成本，快速便捷。无需提前设置测量基准点，随设随测简单快捷；

（6）本发明中的空间测绘方法，系统采用累积叠加算法，抛弃函数运算的复杂逻辑，当测量部分需要停止时，直接获取已测量的体积信息，并支持再启动，不需要从头开始，随测随取。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统组成框架图；

图2是本发明中空间扫描子系统的结构原理图；

图3是本发明中扫描探测设备的信号传输流程图；

图4是本发明中测距探头阵列图；

图5是图4中a-a剖视图；

图6是图4中b-b旋转剖视图；

图7是本发明中地面定位子系统信号传输流程图；

图8是地面定位子系统的结构示意图；

图中：1、测距探头阵列，2、修正云台，2-1、俯仰转轴、2-2、竖直支柱，2-3、水平转台，2-4、水平转轴，2-5、俯仰角度传感器，2-6、水平角度传感器，2-7、俯仰驱动电机，2-8、水平驱动电机，3、三脚架，4、球体，5、无人机，6、扫描探测设备，6-1、可调激光测距探头，6-2、载板，6-3、固定夹头，6-4、水平支撑台，6-7、左右角度传感器，6-8、前后角度传感器，6-10、右调节电机，6-11、左调节电机，6-12、皮带轮，6-13、前后调节装置，6-14、横向单列载板，6-15、前摆齿轮，6-16、中间轮，6-17、后摆齿轮，6-18、前后调节电机；7、飞行控制器，8、时间同步器，9、扫描结果显示器，10、定位控制器，11、扫描控制器。

具体实施方式

附图1为结合空间定位扫描及智能终端的空间测绘系统的组成框架图，该框架图中包括空间扫描子系统、控制管理子系统和地面定位子系统，控制管理子系统作为媒介，把空间扫描子系统和地面定位子系统联系在一起，形成数据信息的交换传递。其中，空间扫描子系统包括扫描模块和控制单元，扫描模块竖直向下对准地面测量物顶部，采集所在位置下对准目标的扫描数据信息；地面定位子系统包括定位模块和控制单元，定位模块锁定并定位空中带有标记的空间位置数据信息；控制管理子系统包括具有智能终端的显示模块，作为中间过渡模块，可实现测量目标物顶部采集点空间坐标的显示、标记位置扫描信息计算、显示、历史记录及数据分享。空间扫描子系统、地面定位子系统和控制管理子系统均包括传输模块和供电模块，其中传输模块用于保持三个子系统之间的数据实时传输；控制单元根据控制管理子系统发出的指令控制空间扫描子系统数据采集作业；供电模块为三个子系统提供交流或电池供电。

根据以上三个子系统的功能性陈述，其主要结构如下：空间扫描子系统主要由无人机5、带有标记的球体4和扫描探测设备组成，地面定位子系统主要由测距探头阵列1、修正云台2和三脚架3组成。

本发明中空间测绘系统的工作原理为使用设有载具的无人机5装载扫描探测设备，扫描探测设备配合控制单元形成空中云台，调节扫描模块始终竖直向下对准测量物顶部。地面定位子系统利用测距探头阵列1配合可调整测距探头阵列1角度的修正云台2，实现测距探头阵列1锁定空中飞行的无人机5，监测无人机5的空间位置信息，通过收集、返回位置与扫描信息至控制管理子系统，后台计算、模拟、显示测量物模型，使用计算公式得出测量物体积。

根据空间测绘系统的工作原理及功能，对空间扫描子系统和地面定位子系统的结构组成进行详细设计，其结构组成如下：

如附图2所示，空间扫描子系统包括无人机5、球体4和扫描探测设备6，其中无人机5下方固定悬挂具有标记的球体4，球体4下方设置扫描探测设备6，无人机5携带球体4和扫描探测设备6在空间中移动。

如附图4所示，扫描探测设备6包括由可调激光测距探头6-1组成的扫描探头阵列，扫描探头阵列设置于载板6-2上，可调激光测距探头6-1平行等距排列形成扫描探头阵列，可调激光测距探头6-1与载板6-2之间为球面配合，可调激光测距探头6-1在载板6-2内绕球心转动，在可调激光测距探头6-1下方设有角度控制装置。

上述角度控制装置调整可调激光测距探头1的方向，使探头阵列对准标定方向，同时配合扫描模块完成扫描定位作业；角度控制装置如附图5和6所示，角度控制装置包括左右调节机构和前后调节机构。

如附图5所示，左右调节机构位于扫描探头阵列下方，其控制每个可调激光测距探头6-1绕球心在左右方向摆动角度，前后调节机构位于左右调节机构的下方，其控制每行可调激光测距探头6-1绕球心在前后方向摆动角度；前后调节机构通过位于两端的固定夹头6-3，固定支撑于底部的水平支撑台6-4上。左右调节机构包括左调节电机6-11、右调节电机6-10和皮带轮6-12，其中其中皮带轮6-12位于每个可调激光测距探头6-1下方，并且由皮带轮6-12驱动可调激光测距探头6-1绕球心摆动；扫描探头阵列分为左半部分和右半部分，其中左半部分和右半部分扫描探头阵列的皮带轮6-12通过皮带依次串接，形成联动机构，左半部分和右半部分的可调激光测距探头6-1作为一组，同方向摆动，左半部分的可调激光测距探头6-1由位于左端的左调节电机6-11驱动，右半部分的可调激光测距探头6-1由位于右端的右调节电机6-10驱动；左调节电机6-11和右调节电机6-10之间设有同步器；相邻两个皮带轮6-12之间的传动比保持不变，同一行内的可调激光测距探头6-1，其左右摆动角度由两端向中间依次减小。

如附图6所示，前后调节机构包括固定一行可调激光测距探头6-1的横向单列载板6-14，横向单列载板6-14的下表面设有与之啮合的齿轮，其中位于前半部分的可调激光测距探头6-1下方的齿轮为前摆齿轮6-15，位于后半部分的可调激光测距探头6-1下方的齿轮为后摆齿轮6-17，在前摆齿轮6-15和后摆齿轮6-17之间设有两个相互啮合的中间轮6-16，两个中间轮6-16分别于前摆齿轮6-15和后摆齿轮6-17啮合，其中后摆齿轮6-17与前后调节电机6-18之间皮带传动。左右调节机构上设有左右角度传感器6-7，前后调节机构上设有前后角度传感器6-8，左右调节机构和前后调节机构通过扫描控制器11来调整转动角度，左右角度传感器6-7和前后角度传感器6-8采集转动角度反馈至扫描控制器11。

附图3为扫描探测设备的信号传输流程图，探头阵列的反馈调节，在左右调节机构上设有左右角度传感器6-7，前后调节机构上设有前后角度传感器6-8，左右调节机构和前后调节机构通过扫描控制器11来调整转动角度，左右角度传感器6-7和前后角度传感器6-8采集转动角度反馈至扫描控制器11，这样在前后调节机构、左右调节机构和扫描控制器11之间形成的双闭环控制系统，两个闭环控制系统独立运行，对载板6-2的方向进行精确调整，根据扫描的信息，实现了可调激光测距探头6-1在左右及前后转角的反馈调节，实现了智能控制，而且整个结构组成简单，控制便于实现，整体成本可控。

在具体操作时，为了保证左半部分和有半部分的可调激光测距探头1的转动角度相同，在左调节电机6-11和右调节电机6-10之间设有同步器，保证两个电机具有相同的转角。在调整转角后，为了保证每个可调激光测距探头1发射的激光继续保持均与分布，要求同组的每个可调激光测距探头6-1旋转角度不同，由外向内，其旋转角度为依次递减，这样要求同组相邻两个皮带轮6-12之间的传动比保持不变，传动比控制在1:1.05左右，同一行内的可调激光测距探头6-1，其左右摆动角度由两端向中间依次减小。该机构由一个独立驱动结构驱动，使用多级传动结构，保持竖向探头呈梯度性偏移。

在前后调节机构中，后摆齿轮6-17位主动轮，其带动第3行的横向单列载板6-14摆动，实现整行的可调激光测距探头1绕球心前后摆动，后摆齿轮6-17与中间轮6-16啮合，通过两个中间轮6-16的过渡，使前摆齿轮6-15转动方向与后摆齿轮6-17相反，前摆齿轮6-15带动第1行可调激光测距探头6-1绕球心前后摆动。前摆齿轮6-15和后摆齿轮6-17齿数相同，其摆动角度相同，这样在前后调节电机18的带动下，实现了第1和3行可调激光测距探头1前后方向摆动，第2行可调激光测距探头6-1保持不同。若可调激光测距探头1行数增加，可以对称设置，通过皮带或齿轮传动方式，由外向内摆动角度依次递减，保持可调激光测距探头6-1横向对称偏移。

附图8为地面定位子系统，其具体包括测距探头阵列1、装载测距探头阵列1的修正云台2以及固定用三脚架3，测距探头阵列1设置于激光探头载板上，激光探头载板下表面中部俯仰转轴2-1，激光探头载板可绕俯仰转轴2-1转动，俯仰转轴2-1两端固定于竖直支柱2-2上，竖直支柱2-2固定于水平转台2-3表面，水平转台2-3与支撑三脚架3通过水平转轴2-4连接；为了控制上述地面定位子系统中结构部分的运动，还包括俯仰角度传感器2-5、水平角度传感器2-6、俯仰驱动电机2-7、水平驱动电机2-8和定位控制器10，其中俯仰角度传感器2-5固定于俯仰转轴2-1上，俯仰转轴2-1通过俯仰驱动电机2-7驱动，水平角度传感器2-6固定于水平转台2-3上，竖直支柱2-2通过水平驱动电机2-8驱动旋转，定位控制器10控制俯仰驱动电机2-7和水平驱动电机2-8转速及启停，俯仰角度传感器2-5和水平角度传感器2-6分别采集激光探头载板和水平转台2-3的转动角度，并把数值反馈至定位控制器10。

这样，在俯仰驱动电机2-7、俯仰角度传感器2-5和定位控制器10之间闭环控制系统，同样在水平驱动电机2-8、水平角度传感器2-6和定位控制器10之间也形成闭环控制系统。两个闭环控制系统独立运行，对激光探头载板的方向进行精确调整，实现了激光测距探头对标记子系统高精度、高效率的追踪，而且整个结构组成简单，控制便于实现，整体成本可控。

本发明在控制方面，采用了5个控制器，其中无人机5可以通过飞行控制器7，调整在空间中的位置；地面定位系统和空中扫描系统可通过时间同步器8完成数据同步；扫描结果显示器9可同步显示地面定位系统数据和空中扫描系统数据；地面定位系统和空中扫描系统的数据可同步；地面定位系统可通过定位控制器10开启和关闭；地面定位系统可实现对空中扫描系统的锁定定位；所述修正云台2可以带动测距探头1转动对准标记球体4在空间中的任意位置。

根据上述的工作原理及结构组成，本系统在具体使用的工作过程：首先需要在测量物附近设置地面定位模块，主要设定调平等简单设置。无人机准备完毕后，将定位模块锁定无人机。操纵无人机升空，检查定位模块运行。完成检测工作后，无人机搭载的空中云台调节扫描模块竖直向下，操纵无人机在测量物顶部飞过，完成测量作业。无人机飞过测量物上空时，扫描模块与定位模块协调收集扫描与位置信息，发回后台计算中心，最后显示测量结果。

本发明中的设备分为空中与地面两部分，空中部分是由无人机携带扫描探测设备负责空中稳定俯拍扫描，地面部分由地面定位模块与后台计算中心组成，定位配合无人机部分进行锁定定位作业。同步定位于扫描信息发回后台计算中心完成计算。

根据上述的工作过程，总结出给予上述系统的一种空间测绘方法，该方法通过如下步骤获得测量范围内地面物体的体积v：

步骤s1：地面定位子系统对准空间扫描子系统的标记点，检测到标记点对应系统的空间坐标数据为（a、b、c）；

步骤s2：地面定位子系统完成对准采集，同时空间扫描子系统获得扫描数据的，即测量物表面各个测量点对应的，扫描系统空间对应的坐标数据为(a、b、c)1、（a、b、c）2、……、（a、b、c）n-1、（a、b、c）n；

步骤s3：控制管理子系统根据传输的空间扫描子系统标记点的坐标数据，及测量物表面点对应扫描系统空间对应的坐标数据，得出测量物表面各个测量点对应的系统的空间坐标数据（x、y、z）1、（x、y、z）2、……、（x、y、z）n-1、（x、y、z）n；

步骤s4：对应系统坐标的底面平面分割成底面积相同的标准平面，面积为s；

步骤s5：控制管理子系统根据已收集到的测量物表面坐标数据，计算出对应平面坐标单位面积的体积v，v=s×z；

步骤s6：累加所有的坐标单位的体积v，获得测量范围内地面物体的总体积v，v=v1+v2+……+vn-1+vn。

下面根据上述方法，以200*200米场地测量散放沙堆为例来进行说明：地面定位模块安放在需要测量场地的一侧，调节水平衡，确定参考坐标系。无人机携带扫描模块升空，将定位模块瞄准无人机携带的标志物，进行空间位置信息的锁定定位监测。空中云台调节扫描模块，始终竖直向下。操作无人机飞越过测量物顶部，定位模块与扫描模块同步收集数据信息。发回计算中心，计算对应参考坐标系下的测量物模型信息，计算结果同步显示。在测量作业完成后，可根据显示的模拟模型进行核查补漏。