一种轻小型机载双激光器扫描仪的制作方法

文档序号:16722777发布日期:2019-01-23 00:02阅读:181来源:国知局
一种轻小型机载双激光器扫描仪的制作方法

本实用新型涉及数据采集技术领域,特别是一种轻小型机载双激光器扫描仪。



背景技术:

在过去十年中,对3D数据的需求呈指数增长,依赖于3D数据的各种应用正在改变我们的日常生活。例如微软和谷歌等公司能够提供任何地方的2D和3D数据,这在几年前是无法想象的。这一过程是基于数字数据采集传感器的持续开发以及强大的自动化数据处理工作流程的支持。为此目的出现了两类传感器:数字化高分辨率航空相机(例如Vexcel公司的型号为Ultracam相机)和激光探测与测距传感器(LiDAR,Light Detection And Ranging)。后文简称数字化高分辨率航空相机为图像传感器,简称激光探测与测距传感器为激光雷达。

基于图像传感器的优点是颜色信息(即纹理)的隐式获取,无需进一步处理即可生成真彩色的3D模型和地图(即正射影像)。相反,针对被覆盖的场景(例如植被覆盖),激光雷达就可以发挥作用,因为它不依赖于自然光或阴影。

激光雷达包括机载模式,即安装于(人工驾驶的)大型飞机上,可以量测地面物体的三维坐标。例如图7所示为图像传感器和激光雷达工作原理示意图,图像传感器直接采集目标地区的颜色信息。而激光雷达发射激光脉冲,穿透植被遮挡,传播到地面或物体表面,再经表面反射,反射能量被传感器接收并记录为一个电信号。从而计算出距离并最终获取高精度3D模型和地图。

图8(A)和图8(B)所示分别为激光雷达所发射的激光脉冲的波形示意图,采用不同波形时对应不同的距离算法,由于距离算法并非重点,在此不再赘述。

机载模式的激光雷达成本较高,而近期另一个显着增长的飞行产品是无人机(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)。若将激光雷达加载于无人机,便可以轻松访问这些对象。但目前的传感器通常无法满足加载于无人机的需求,例如太重或太大(安装于大型飞机上的激光雷达重达10kg左右),一来无法轻易安装,即便安装后无人机的飞行时间也会显著减少。而现有厂家虽然制造出了可安装于无人机的轻量级激光雷达,但多采用单激光雷达和单图像传感器,虽然可以实现对地面装置的2D和3D数据的采集,但由于单组传感器数量的限制,必然会造成飞行时间的延长,从而降低采集效率。一旦采用多传感器,便会对应采用多套传感器控制系统,无形中便又增加了无人机的载重。



技术实现要素:

本实用新型的主要目的在于提供一种轻小型机载双激光器扫描仪,以克服上述缺陷。

所述轻小型机载双激光器扫描仪包括,

第一图像传感器和第二图像传感器,用于同步采集图像数据;

定位模块,分别与所述第一图像传感器和第二图像传感器连接,用于对所述第一图像传感器和第二图像传感器所同步采集的图像数据的当前时刻进行定位标记;

第一激光雷达和第二激光雷达,用于发射脉冲激光,并接受被测物的脉冲激光反射,以获取从所述激光雷达到被测物的距离;

所述定位模块还与所述第一激光雷达和第二激光雷达连接,用于向二者提供当前时刻的同步定位标记;

网络交换机,分别与所述第一激光雷达和第二激光雷达连接,用于转发二者所检测的数据;

主控单元,与所述网络交换机以及与所述第一图像传感器和第二图像传感器连接,用于将所述网络交换机所转发的数据和第一图像传感器、第二图像传感器所采集的图像数据进行结合。

由上,一套控制系统同时控制多个激光雷达和图像传感器,一方面降低轻小型机载双激光器扫描仪的整体重量,从而可实现轻小型机载双激光器扫描仪在搭载在无人机后,借助无人机的一次飞行可以采集尽量多的3D数据。

其中,所述第一激光雷达和第二激光雷达对称置于轻小型机载双激光器扫描仪壳体的左右两侧;

所述第一图像传感器和第二图像传感器设置于壳体底部。

由上,采用双激光雷达和双图像传感器,搭载在无人机后,相比于现有技术,借助无人机飞行同样的飞行时间,可以采集更多的数据。

其中,所述第一激光雷达和第二激光雷达为16线激光雷达,各线激光发射头的朝向依次相差2°;

两所述激光雷达所发出的激光交叉重合。

由上,一方面采用16线激光雷达的性价比较高,另一方面激光射头朝向存在差异可以实现不同角度的同时测量。即,通过第一激光雷达和第二激光雷达同时发射激光,相当于可以同时实现32线的测量,即对待测区域的各目标实现了具有32个具有不同入射角的多轮廓构造。

其中,所述第一图像传感器和第二图像传感器对称设置,与水平面夹角最小呈60°。

由上,当两图像传感器与水平面呈60°夹角时,所述两图像传感器所拍摄的范围达到120°,从而可以有一个良好的拍摄视野。当然在实际使用时,可以所述角度可以略小于60°,从而使两图像传感器所拍摄的图像有一定的重合度。由此在后续图像合成时,可以基于该重合部分进行,从而提高图像合成的精确程度,并减少后期计算量,节省计算时间。

其中,在所述轻小型机载双激光器扫描仪壳体顶部,还设置有安装槽,用于固定与无人机连接的连接件。

由上,可以实现所述轻小型机载双激光器扫描仪与无人机的连接。

其中,所述连接件包括:

第一安装部,与所述安装槽卡和;

第二安装部,与所述无人机卡和;

连接杆,可拆卸的与所述第一安装部和第二安装部连接。

由上,第一安装部与轻小型机载双激光器扫描仪上的安装槽连接,第二安装部与无人机连接,再通过连接两安装部的连接杆,从而实现轻小型机载双激光器扫描仪与无人机的连接。

其中,所述第一安装部与第二安装部上还包括可实现相互插接的安装槽和安装扣。

由此可以实现省略连接杆,将二者直接插接的简便安装方式。

其中,还包括通信单元,与所述主控单元连接,用于与地面上位机通信。

由上,通信单元对主控单元所处理的数据进行调制后,以无线形式输出。从而与地面端的上位机通信,便于地面端的上位机实时获取轻小型机载双激光器扫描仪所处理后的图像数据。

其中,所述第一图像传感器和第二图像传感器分别与一USB集线器连接;

所述USB集线器还与所述主控单元连接。

由上,通过USB集线器实现各图像传感器与主控单元的连接,一方面节省布线成本,另一方面为后续进行图像传感器的数量扩展提供技术支持。

附图说明

图1为轻小型机载双激光器扫描仪的原理示意图;

图2为轻小型机载双激光器扫描仪的结构示意图;

图3为第一激光雷达和第二激光雷达的激光脉冲发射角度示意图;

图4为无人机飞行轨迹示意图;

图5为对应图4中A1、A2两点的激光雷达所发出激光脉冲效果示意图;

图6为轻小型机载双激光器扫描仪安装连接件后的结构示意图;

图7为激光雷达和图像传感器的检测原理示意图;

图8 a为激光雷达激光脉冲波形第一示例示意图,b为激光雷达激光脉冲波形第二示例示意图。

具体实施方式

下面参见图1~图6对本实用新型所述的轻小型机载双激光器扫描仪进行详细说明。

图1所示为轻小型机载双激光器扫描仪的原理示意图,通过一套控制系统同时控制多个激光雷达和多个图像传感器,一方面降低轻小型机载双激光器扫描仪的整体重量;另一方面实现轻小型机载双激光器扫描仪在搭载在无人机后,借助无人机的一次飞行可以采集尽量多的3D数据。

所述轻小型机载双激光器扫描仪具体包括以下组成部件:

第一激光雷达101和第二激光雷达102,二者的工作原理相同,用于以激光作为信号源,以360°旋转发射出的脉冲激光,当脉冲激光打到地面的树木、道路、桥梁、桥梁等被测物体上时便会引起反射,此部分光波反射到激光雷达的接收器上,根据激光测距原理计算,从而得到从激光雷达到被测物体的距离。再经过进一步解算,便可获知被测物体的海拔高度。所述两雷达发射的脉冲激光不断地扫描目标物,就可以得到目标物上全部目标点的数据,用此数据进行成像处理后,就可得到精确的2D或3D图像。

所述激光雷达分为1线、4线、8线、16线、32线、64线及128 线,多线激光束在竖直方向以不同角度发出,对目标区域进行三维轮廓扫描,激光束的线束越多则精度越高、探测距离越远,但成本也就越高。本实施例所述第一激光雷达101和第二激光雷达102均采用16线激光雷达。

结合图2所示为轻小型机载双激光器扫描仪的结构示意图,两激光雷达101和102的结构相同,分别对称置于外壳体的左右两端部。以下择一说明。第一激光雷达101整体为一圆柱形结构,激光发射头在圆柱形结构内部旋转并发射脉冲激光,测量速度可达每秒 600,000次。

进一步的,如图3所示为第一激光雷达101和第二激光雷达发射激光脉冲的示意图。其中,两激光雷达101的16线激光发射头的朝向依次相差2°,从而实现不同角度的同时测量。通过第一激光雷达101和第二激光雷达102同时发射激光,由于二者互成角度相向设置,形成一定的重合区域,由此形成脉冲激光网格,对待侧区域的物体形成全面扫描。

如图4所示,区域M为待测区域,图中带有箭头的轨迹为无人机的飞行轨迹,以蛇形轨迹飞行从而可以获取到待测区域的完整3D 图像。以飞行轨迹中A1、A2两个位置为例进行原理说明。图5所示分别为A1、A2两位置的脉冲激光示意图,箭头所示为飞行方向,其中实线对应A1点,虚线对应A2点。相当于可以同时实现32线的测量,即对待测区域的各目标实现了具有32个具有不同入射角的多轮廓构造。在飞行过程中,总共32线激光束的入射角度(所在平面)总是与无人机的飞行方向(所在平面)垂直。与现有技术所采用的单激光雷达对比,本实施例可以实现在更少的飞行距离下完成更多目标区域的测量。

网络交换机500,通过网线与所述第一激光雷达101和第二激光雷达102连接,用于将两激光雷达所扫描的图像进行转发,上传至与其连接的主控单元600。

定位模块400,分别与所述第一激光雷达101和第二激光雷达102连接,用于向二者提供当前时刻的同步定位数据。设置于壳体内部的电路板上,所述定位模块400采用全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)和惯性测量单元(IMU,Inertial measurement unit)的集成装置。其采用不同时间节点(例如与第一激光雷达101和第二激光雷达102的激光发射频率匹配的时间节点) 向第一激光雷达101和第二激光雷达102发出一包含位置信息和无人机飞行姿态信息的同步信号(sync1),由第一激光雷达101和第二激光雷达102进行同步扫描采集,并将结果发送至所述网络交换机500。

第一图像传感器201和第二图像传感器202,用于采集图像数据。结合图2所示,两图像传感器设置于壳体底部,与水平面呈60 °夹角,即所述两图像传感器所拍摄的范围达到120°,从而可以有一个良好的拍摄视野。

进一步的,在两图像传感器的角度方面,可以设置为与水平面呈现出略大于60°夹角,从而使两图像传感器所拍摄的图像有一定的重合度。由此在后续图像合成时,可以基于该重合部分进行,从而提高图像合成的精确程度,并减少后期计算量,节省计算时间。

所述两图像传感器同步工作,并将同步信号(sync2)发送至所述定位模块400,由定位模块400进行所述同步信号对应的当前时刻的定位数据标记,再将所述定位数据标记发送至与其连接的网络交换机500,由所述网络交换机500最终上传至前述主控单元600。从而在进行将两图像传感器所拍摄的图像数据和两激光雷达所扫描采集数据的结合。即在结合过程中,以定位模块400所提供的相同定位数据为基准结合即可。

USB集线器300,分别与所述第一图像传感器201和第二图像传感器202连接,设置于壳体内部的电路板上,用于将两图像传感器所采集的图像数据转发至与其连接的主控单元600。

所述主控单元600用于基于定位模块400的定位数据将第一激光雷达101、第二激光雷达102和第一图像传感器201、第二图像传感器202所采集的数据进行结合处理。

存储单元700,与所述主控单元600连接,设置于壳体内部的电路板上,用于对主控单元600所处理的数据进行存储。

通信单元800,与所述主控单元600连接,设置于壳体内部的电路板上,用于对主控单元600所处理的数据进行调制后,以无线形式输出。从而与地面端的上位机通信,便于地面端的上位机实时获取主控单元600所处理后的图像数据。

结合图2所示,所述轻小型机载双激光器扫描仪除图1所述组成器件外,还包括设置在面板上的开关控制按键901和启动/暂停控制按键902,以及电池903。另外,在所述轻小型机载双激光器扫描仪壳体顶部,还设置有安装槽904,用于固定与无人机连接的连接件。

结合图3所示,所述连接件包括:与所述轻小型机载双激光器扫描仪安装槽904结合的第一安装部907、与无人机结合的第二安装部906,和可拆卸的与所述两安装部连接的连接杆905。从而实现将所述轻小型机载双激光器扫描仪与无人机的稳定装配。较佳的,所述第一安装部907与第二安装部906上海包括可实现相互插接的安装槽和安装扣,由此可以实现省略连接杆905,将二者直接插接的简便安装方式。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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