专利名称：基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地理信息测绘领域，尤其涉及一种用于全景信息采集、处理的基于激光扫描与全景影像的车载测 量集成系统。
背景技术：
在以往，人们主要使用一些简单工具来获取所需要的信息，例如采用传统的尺子来测量物体的尺寸。随着科技的发展，出现一些先进的测绘设备辅助人工劳动，能较大幅度提高作业的效率和精度，例如采用激光测距仪可以方便、快捷地进行位置和尺寸的量测。然而，在步入信息化时代后，人类所需要的信息更为综合和全面，对信息的获取速度也提出了更高的要求。因此，基于某些移动平台的多传感器集成系统得到了众多研究者的关注。这些移动平台包括运行于海陆空中的各种通行设备，例如汽车、飞机、轮船等。基于激光扫描与全景影像的车载测量系统集成技术是一个运用多种传感器器件和多种测量方式的综合性技术，包括高精度全球定位技术、激光扫描直接测量技术和实景全景图像测量技术等。基于该技术的车载测量系统具有以下功能地形测量、道路竣工测量、城市地图、规划图的测量与更新、城市建筑竣工与三维仿真建模、地理部件采集、桥梁和隧道的变形监测、交通事故快速勘测、导航电子地图生产以及各种基于道路的GIS数据采集与服务等。为此，本实用新型的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统，以克服上述缺陷。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统，其结构简单，使用方便，能结合多传感器的同步信号进行激光扫描和全景影像录入和摄取。为实现上述目的，本实用新型公开了一种基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统，该系统包含车顶平台、操作平台、控制组件、电源系统和车轮编码器；其特征在于车顶平台包含全景相机、激光雷达和GPS天线，其可拆卸的装配于车顶上，操作平台包含显示装置和输入输出装置，该显示装置为显示屏或触摸屏，显示装置和输入输出装置通过支架托板车内，控制组件包含计算机和同步信号接收器，该计算机和同步信号接收器设置于后备箱机柜中，该计算机与同步信号接收器、显示装置和输入输出装置连接，该同步信号接收器与全景相机、激光雷达、GPS天线和车轮编码器连接以接收各监测装置的信号后输出给计算机。其中电源系统包含有发动机仓内电池，该发动机仓内电池通过空气开关连接至同步信号接收器以提供电源。其中该电源系统还包含有后备箱电池和充电器,发动机仓内电池与后备箱电池并联。[0010]其中该车顶平台安装于车顶上，至少包含装有全景相机的全景相机盒、圆柱支杆、滑动底座、撑杆、滑动轨道和固定平台，该全景相机盒可拆卸的固定于圆柱支杆的顶端，圆柱支杆的底端铰接于滑动底座上，固定平台上设置有平行延伸的两条滑动轨道，该滑动底座可滑动的设置于该两条滑动轨道上，且撑杆的一端铰接于固定平台，另一端可拆卸的铰接于圆柱支杆的中部以在圆柱支杆直立时提供支撑，在圆柱支杆上还设置有装有激光雷达的激光雷达装置22和装有GPS天线的GPS天线装置。其中该撑杆为两根，分别位于圆柱支杆的两侧。其中在滑动轨道的前端设置有前限位块，在滑动轨道的后端设置有后限位块，在前限位块和后限位块上各安装有可夹装该滑动底座的快速夹具。其中该固定平台为行李箱的箱底铝板，车体的车顶上固定连接有三根汽车行李·架，行李箱的箱底铝板固定在行李架上。其中圆柱支杆通过底部回转轴和轴承固定在滑动底座上。本实用新型的基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统，基于移动平台的多传感器集成系统，在获取相应数据和信息方面有很明显的优势。即I、获取信息全面一次可以获取多种数据信息。2、获取信息快捷以这些移动平台的通行速度进行数据获取，效率比传统的作业方式提高了若干倍。3、获取信息准确采用最新最先进的设备，所获取的数据更为准确，客观性较强。4、自动数据处理所获取的数据和信息直接以数字的形式传输或存储到个人计算机或工作站，能进行实时、自动的数据处理。5、多种信息表现形式对同一种数据和信息，能以不同的方式展现给用户；对同一地点或时间，能查询和检索多种数据。本实用新型的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
图I显示了本实用新型的基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统的整体示意图。图2显示了本实用新型的硬件结构组成示意图。图3显示了本实用新型的基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统车顶平台示意图。
具体实施方式
参见图1，显示了本实用新型的基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统的整体示意图，该集成系统可架设于图I中的车体I及车顶2上，该系统可架设于大众Polo等众多车型。参见图2，该系统主要包含车顶平台110、操作平台120、控制组件、电源系统和车轮编码器150。其中，车顶平台110的硬件结构中包含全景相机111、激光雷达112和GPS天线113以取得对应的信息，可拆卸的装配于车顶2上，参见图3，显示了该车顶平台的安装于车顶2上的结构示意图，该全景采集车顶平台设置于车顶或其他合适的位置，该平台至少包含装有全景相机111的全景相机盒21、圆柱支杆23、滑动底座24、撑杆26、滑动轨道27和固定平台；该全景相机盒21可拆卸的固定于圆柱支杆23的顶端，圆柱支杆23的底端铰接于滑动底座24上，固定平台上设置有平行延伸的两条滑动轨道27，该滑动底座24可滑动的设置于该两条滑动轨道27上，且撑杆26的一端铰接于固定平台，另一端可拆卸的铰接于圆柱支杆23的中部以在圆柱支杆23直立时提供支撑，该圆柱支杆23处于直立状态时，由于其底部铰接于滑动底座24内，而撑杆26则保证了圆柱支杆的直立，在圆柱支杆23上还设置有装有激光雷达112的激光雷达装置22，该激光雷达装置22通过夹箍固定于相机盒21下方，装有GPS天线的GPS天线装置也可设 置于圆柱支柱23上。优选的是，该撑杆26为两根，分别位于圆柱支杆23的两侧，提供了更稳健的支撑和保护。优选的是，在滑动轨道27的前端设置有前限位块25，在滑动轨道27的后端设置有后限位块28，在前限位块25和后限位块28上各安装有可夹装该滑动底座24的快速夹具，由此，当滑动底座滑动到前后极限位置后可用限位块上的快速夹具固定。优选的是，圆柱支杆23通过底部回转轴和轴承固定在滑动底座24上。优选的是，该固定平台为行李箱的箱底铝板，车体的车顶2上固定连接有三根汽车行李架29，行李箱的箱底铝板固定在行李架29上。这种车顶平台有以下优点I、车顶平台可移植性好。此平台可适用于多种型号的市售汽车；2、采集部件可互换性好。支杆顶部配有通用型紧固件，顶部的全景相机盒可替换为多种型号的相机盒而不用对零部件作改变。3、结构紧凑，外观美观，支撑牢固。整个车顶平台可安置在普通市售车顶行李箱内，不进行数据采集时行李箱盖可盖上，与普通车辆无异；底部铝板面积较大，将受力分散到3根行李架上，整体强度较高。4、安全性能好。支杆立起时有左右两根撑杆支撑，稳固性好，保证仪器安全；支杆倾斜时有气弹簧作缓冲，可防止仪器同支杆突然倒下受损。5、拆装操作方便。活动部件大多由快速夹具、五星把手等易操作五金件固定，方便单人在车顶进行操作。6、通过能力强。由于拍摄需要，仪器需架设至一定高度，但城市中很多地方有限高，传统测量车可能需要拆下各种仪器，通过后再装上。此实用新型车顶平台的仪器支杆设计成可倾斜状态，通过限高处无需拆装仪器。该车顶平台工作时，取下旅行箱盖，竖起相机盒支架；不工作时可倒下相机盒支架。旋转全景相机盒下方的铜制锁紧环，可拆装全景相机盒。与触发板连好线后可与顶部固定环固定。其中，操作平台120包含显示装置121和输入输出装置122，该显示装置121可为显示屏或触摸屏，该输入输出装置122可包含键盘、鼠标、触摸板等，显示装置121和输入输出装置122通过支架托板安装于车内的合适位置，例如副驾驶位，从而可根据需要来方便调整方位。其中，控制组件包含计算机131和同步信号接收器132，该计算机131和同步信号接收器132设置于后备箱机柜130中，该计算机131与同步信号接收器132、显示装置121和输入输出装置122连接，该同步信号接收器132与全景相机111、激光雷达112、GPS天线113和车轮编码器150连接以接收各监测装置的信号后输出给计算机。其中，电源系统包含有发动机仓内电池140，该发动机仓内电池140通过空气开关134连接至同步信号接收器 132以提供电源，为确保电源充足，该电源系统还包含有后备箱电池133和充电器，发动机仓内电池140与后备箱电池133并联，车辆行驶时可利用车载发电机对电池补充电力。当车辆位于停车场等方便连接市电的场所时，可利用充电器对后备箱电池133进行快速充电。空气开关134控制电源与电气设备之间的通断。其中，该同步信号接收器132位于机柜130的内部，计算机131位于机柜130上部，并可以扩展至多部计算机。机柜130与车顶平台110及车轮编码器150的连接通过车窗走线孔实现。后备箱电池133位于机柜130左下方，充电器位于机柜130右下方。其中，该车轮编码器150是取车轮的转动脉冲，并换算成直线距离值。车轮编码器安装时需要对准销钉，保证方位的一致。车轮编码器线缆经由走线槽接口进入车内。如图2所示，系统各处接线均汇集至后备箱机柜130的计算机131和同步信号接收器132处。发动机仓电池140和后备箱电池133并联，为后备箱内的同步信号接收器132供电，同步信号接收器132进而为计算机131和各传感器供电。同步信号接收器132集中供电便于设备监控管理，同步信号接收器前面板的按钮可分别控制各设备运行。本实用新型的数据采集车的内部主机安装了用于测量活动的控制软件，能够对系统进行实时控制和监视，主要有全景采集监控软件，主要是控制同步器向全景相机发送拍照指令，实时监控所有相机的拍摄情况，并将全景数据转存到计算机硬盘中。SPAN控制软件，监控同步信号，GPS信号，数据接收、卫星个数及可用卫星个数，可视水平高及方向等。SICK激光采集软件，提供3D的激光扫描数据。地理信息描绘软件，根据SPAN信息在地图模板上显示和绘制地图本实用新型车载测量系统采用的现有的成熟技术有I)高速激光扫描测量技术三维城市模型的构建需要真三维的空间数据和真实影像数据，采用基于地面的激光扫描系统获取城市三维重建和局部区域空间信息。激光扫描仪能提高精度、可靠的尺寸数据。采用的扫描仪可分为2D和3D。2D类型的扫描仪用于获得垂直于车行进方向上的物体轮廓；而3D扫描仪则一次获得整个场景的三维点云数据。在垂直于车辆行驶方向做二维扫描，以汽车行驶方向作为运动维，构成三维扫描系统，所获取的数据由全离散的矢量距离点构成的“点云”，每一像素包含的是一个距离值和角度值。扫描仪所获得的原始测量数据主要包括①每条扫描线的序号(每扫描256条线重复一次)在某一时刻所得到的扫描仪中心点到物体表面的距离值(最大距离为80米，最大精度为O. 001米);③根据最大和最小扫描角度以及每条线的扫描点的个数计算得出的任意一个扫描点的扫描角度；④扫描仪按照自身时间计数器精度下的扫描点的时间。其中，所获取的第②、③两种数据可以用来计算扫描线相对于扫描仪自身的坐标值，①、④两种数据则为不同传感器数据融合、进行三维转换提供数据。[0055]2)高精度惯性定位测姿技术车载数据要求位置精度高，数据准确。惯性测量单元为系统提供平台位置和姿态。系统的核心是集成惯性导航软件，它既实时运行于计算系统中，也可以后处理的方式运行于计算机上(POSPacTM)。该软件可集成GPS数据和MU数据，并输出一个融合后的位置和角度。输出结果既保持了惯性导航的动态精度，也具有GPS的绝对精度。硬件包括MU和GPS接收机。IMU由三组加速度计、陀螺仪、数字化线圈和一个CPU组成，CPU被用于执行信号调节和温度补偿。补偿后的加速度计和陀螺仪数据被作为线加速率和角加速率输出到PCS里。GPS接收机使用卫星到它的距离测量值和三角定位技术来计算接收机天线的位置。采用的载波相位差分GPS是一种先进的技术，它结合了两个接收机的相位数据，用来消除所有显著的误差，除了两个接收机(基站接收机和漫游接收机)和每个卫星之间的不能确定的波长整周期外。3)高分辨率光学成像技术·车载系统采用了多种高清晰数字工业相机和视频采集卡。当拍摄高清路面影像并由此作为裂纹判断数据源时，采用了行分辨率达4086的线阵相机，采集速度达到2Kfps。当拍摄路面影像作为道路标示提取数据源时，采用了 200万和500万高分辨的视频相机，相机能实现硬件对图像和视频的压缩，而实现高清高速的采集。当用于自制全景相机时，采用了8台200万分辨率的1394工业相机，从而实现高清全景影像数据源的获取。当拍摄测量用立体影像时，选用1300*1030分辨率的逐行数字相机，并经过精确校准后进行尺寸和位置测量。本实用新型车载测量系统已攻克的关键技术有I)基于GPS和DMI组合的多传感器集成与高精度时间同步控制技术车载系统是一种多源数据采集和融合的综合性系统。涉及到的源数据包括视觉影像数据(有全景影像，路面影像，立体影像，监控视频影像)、尺寸激光扫描数据、定位测姿的POS数据等。这些数据由不同的采集计算机获取，每种传感器和计算机有自己的工作频率或内部时间。为了在统一的时间和坐标系下展示、融合、分析这些数据，需要一个统一的时间和位置基准。由此可见不同传感器类型，具有不同来源的数据，具有不同的数据特性。由上面的描述可以知道，若要把整个系统同步起来，提供不同数据源的每帧数据的时间标签，并且整个时间标签要统一这一个时间基准下面，必须系统设计时间同步方案把绝对的时间基准，引入相对系统；设计一个相对时间系统，给没有时间功能的设备提供每帧数据的时间标签；数据采集时，一并采集每帧数据产生的时刻。为此，本项目设计和实现了一套多传感器同步控制器。它集成了 GPS、陀螺仪、车轮编码器(DMI)和其它控制信息(手柄触发信号以获得线性参考坐标)，建立了统一的时间基准、线性参考空间坐标系和GPS空间坐标系(WGS84)。能依据用户设定的测量要求，以时间或距离作为触发条件，当对其发出相应的同步控制指令时，同步控制器输出的触发信号能使具有外同步功能的传感器工作。不具有外同步功能的传感器则通过获得相应的同步数据，通过高精度的时间插值得到。2)解决了多相机高清360度全景相机的拼接问题针对Ladybug全景影像分辨率低和质量一般的问题，我们自行设计和研制了两种型号的全景相机。一种是使用8台两百万分辨率的工业相机组成的全景相机，另一种是使用6台Sony微单相机和4台nikon单反相机构成的高清全景相机。在此过程中，解决了相机影像的同步获取和存储技术，多相机全景拼接和匀光等关键技术。3)解决了多传感器集成标定问题基于激光扫描与全景影像的车载测量系统集成技术最终目标是从采集到的大量的不同来源的数据中提取需要的空间和属性数据，从而实现车载系统存在的价值。多传感器集成的车载测量系统的标定包括相对标定和绝对标定两个方面。相对标定是指各传感器内在参数的求解，以便获得该传感器或传感器组具有相对于自身安装中心 的相对测量能力。绝对标定是指各传感器与绝对位置姿态传感器之间的相对关系求解。基于图像传感器的车载立体摄影测量子系统和激光扫描仪子系统都需要完成类似的绝对标定。绝对标定需要借助室外标定场来实现，室外标定场相对室内标定场而言，不需要太多个数的控制点。但每个控制点都必须带有大地坐标。对于相机而言，建立了室内标定场来进行内参标定，建立室外标定场用于绝对位置和姿态标定。对于激光扫描仪，先通过全站仪获得相对于POS的位置和姿态初值，然后在实际的融合数据中弓I入绝对控制点约束来精确求解。显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本实用新型的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本实用新型不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本实用新型的教导的特定例子，本实用新型的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
权利要求1.一种基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统，该系统包含车顶平台、操作平台、控制组件、电源系统和车轮编码器；其特征在于 车顶平台包含全景相机、激光雷达和GPS天线，其可拆卸的装配于车顶上，操作平台包含显示装置和输入输出装置，该显示装置为显示屏或触摸屏，显示装置和输入输出装置通过支架托板安装于车内，控制组件包含计算机和同步信号接收器，该计算机和同步信号接收器设置于后备箱机柜中，该计算机与同步信号接收器、显示装置和输入输出装置连接，该同步信号接收器与全景相机、激光雷达、GPS天线和车轮编码器连接以接收各监测装置的传感器信号后输出给计算机。
2.如权利要求I所述的车载测量集成系统，其特征在于电源系统包含有发动机仓内电池，该发动机仓内电池通过空气开关连接至同步信号接收器以提供电源。
3.如权利要求2所述的车载测量集成系统，其特征在于该电源系统还包含有后备箱 电池和充电器，发动机仓内电池与后备箱电池并联。
4.如权利要求I至3中任一所述的车载测量集成系统，其特征在于该车顶平台安装于车顶上，至少包含装有全景相机的全景相机盒、圆柱支杆、滑动底座、撑杆、滑动轨道和固定平台，该全景相机盒可拆卸的固定于圆柱支杆的顶端，圆柱支杆的底端铰接于滑动底座上，固定平台上设置有平行延伸的两条滑动轨道，该滑动底座可滑动的设置于该两条滑动轨道上，且撑杆的一端铰接于固定平台，另一端可拆卸的铰接于圆柱支杆的中部以在圆柱支杆直立时提供支撑，在圆柱支杆上还设置有装有激光雷达的激光雷达装置22和装有GPS天线的GPS天线装置。
5.如权利要求4所述的车载测量集成系统，其特征在于该撑杆为两根，分别位于圆柱支杆的两侧。
6.如权利要求4所述的车载测量集成系统，其特征在于在滑动轨道的前端设置有前限位块，在滑动轨道的后端设置有后限位块，在前限位块和后限位块上各安装有可夹装该滑动底座的快速夹具。
7.如权利要求4所述的车载测量集成系统，其特征在于该固定平台为行李箱的箱底铝板，车体的车顶上固定连接有三根汽车行李架，行李箱的箱底铝板固定在行李架上。
8.如权利要求4所述的车载测量集成系统，其特征在于圆柱支杆通过底部回转轴和轴承固定在滑动底座上。
专利摘要一种基于激光扫描与全景影像的车载测量集成系统，包含车顶平台、操作平台、控制组件、电源系统和车轮编码器；车顶平台包含全景相机、激光雷达和GPS天线，其可拆卸的装配于车顶上，操作平台包含显示装置和输入输出装置，该显示装置为显示屏或触摸屏，显示装置和输入输出装置通过支架托板安装于车内，控制组件包含计算机和同步信号接收器，该计算机和同步信号接收器设置于后备箱机柜中，该计算机与同步信号接收器、显示装置和输入输出装置连接，该同步信号接收器与全景相机、激光雷达、GPS天线和车轮编码器连接以接收各监测装置的传感器信号后输出给计算机，本实用新型结构简单，使用方便，能结合多传感器的同步信号进行激光扫描和全景影像录入和摄取。
文档编号B60R11/04GK202782968SQ201220486578
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者陈长军, 王刚, 关鸿亮 申请人:纵横皆景(武汉)信息技术有限公司