一种林业背包式激光雷达多传感器集成系统的制作方法

本发明涉及林木参数测量领域，尤其涉及一种林业背包式激光雷达多传感器集成系统。

背景技术：

森林是陆地上面积最大、分布最广、组成结构最复杂、物质资源最丰富的生态系统。传统的森林参数测定需要外业实地测量，仅能获得一些点上的数据，不利于研究区域尺度或大范围的森林参数。随着遥感技术的应用日益深入和成熟，遥感技术已经成功用于大区域森林制图、灾害监测等方面。特别是作为近年来发展最快的lidar(lightdetectionandranging)，即激光雷达，能够克服光学遥感和微波遥感信号饱和的局限性，提高对森林三维参数估计的准确性。激光雷达是近年来国际上发展十分迅速的主动遥感技术，在森林参数的定量测量和反演上取得了成功的应用。激光雷达具有与被动光学遥感不同的成像机理，对植被空间结构和地形的探测能力很强，特别是对森林高度的探测能力，具有其他遥感数据无法比拟的优势。

现有车载激光雷达系统、机载式激光雷达系统、地基激光雷达系统等不同搭载平台的三维激光扫描系统，其中地基激光雷达系统在林木参数测量领域的应用广泛，作为迅速发展的测量技术，适用于林木场景下三维点云数据的获取，不仅能够获取单株树木的详细数据，还可以扫描一个样地范围内的空间数据，是一种高精度的非接触三维测量手段，能够快速获取森林样地的结构参数以及详细刻画森林的三维结构。在实际应用中，由于一般的地基激光雷达设备笨重、扫描角度的限制以及树木相互遮挡现象的存在，往往会影响激光雷达探头的扫描效率，进而影响测量工作的整体进程。地基激光雷达系统中的背包式激光雷达系统具有安装方便、易操作、便携等特点，能适应林木稠密、地形复杂的环境。但在实际应用中，现有背包式激光雷达系统仍然具有扫描覆盖范围小、定位误差大以及数据传输同步性较差的不足，进而影响林木参数的采集精度。

技术实现要素：

本发明克服现有技术的不足，实现一种林业背包式激光雷达多传感器集成系统。本发明针对现有背包式激光雷达系统测量范围小、时间配准精度不足、卫星导航信号稳定性不好的问题进行改进，进而提高系统对树高、胸径、单木数目等林木参数的采集精度。

为达到上述目的，本发明技术方案如下：

1.本发明提供一种应用于林木参数测量的背包式激光雷达多传感器集成系统，包括：两个激光雷达探头、gnss(全球导航卫星系统)、两部真彩色相机、一部双目相机、组合导航模块、工控机、电池、背包机械结构。所述背包机械结构包括支撑杆、背包框架、背包底板和背包外壳。所述支撑杆通过螺纹连接在背包底板上的锁紧卡扣安装固定，用于安装所述gnss和一个激光雷达探头；所述背包框架通过螺纹连接在所述背包底板上，用于安装所述两部真彩色相机、组合导航模块、工控机、一部双目相机和一个激光雷达探头。所述背包底板用于安装所述背包框架、支撑杆、电池、背包外壳；所述背包外壳与所述背包框架上各组件嵌套安装，并通过螺纹安装在所述背包底板上。

2.所述两个激光雷达探头用于林木场景下激光点云数据提取，其中水平安装于支撑杆顶部的激光雷达探头以向后方夹角为270°的扫描范围发射激光能量和接收返回信号，收集存储为点云数据；另一个激光雷达探头安装于背包框架上的激光雷达探头安装板上，以此激光雷达探头横截面作为基准面，与基准面呈夹角为±15°的扫描范围，用于提取背包外壳一侧的激光点云数据。

3.所述工控机通过铜柱安装在背包框架右支撑板上。微处理器模块安装于工控机主板上，协调控制各传感器间的数据采集与同步传输，工控机通过线缆与各传感器组件相连接。

4.所述两部真彩色相机关于所述双目相机上下对称，并安装于背包框架的真彩色相机安装板上，通过对称方位连续定时拍照，采集林木环境下的真彩色林木图像信息，提高林木参数的采集丰富性和精准性；将真彩色相机拍摄的图片与激光雷达探头采集的点云数据匹配，进而补充点云数据所缺失的树木纹理和光谱信息。

5.所述双目相机安装于背包框架的双目相机安装板上，利用双目立体匹配算法计算，可实时获取林木场景深度信息和三维模型。当立体匹配得到时差图像后，便可以确定深度图像，恢复三维场景信息并生成三维点云信息；利用双目相机从不同的空间视角获取林木场景图像，并对双目相机的相对位置进行标定，利用立体匹配算法对所采集两幅林木图像进行特征点匹配，然后利用精准快速的特征算法和双目被动立体视觉对林木场景进行三维重建，进而实现三维林木场景的还原。

6.所述组合导航模块通过铜柱安装于背包框架左支撑板上，包括gps卫星导航信号接收器和imu惯性测量单元，两者组合使用可实时获取高精度三维位置、速度、姿态信息，便于运动或振动状态下的惯性姿态测量，通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿和漂移补偿，减少测量误差。所述组合导航模块短时精度高，当卫星导航信号丢失时可提供有效的导航信息，确保导航的连续性和系统的可靠性，gps卫星导航信号接收器和imu惯性测量单元组合使用提高系统的综合抗干扰能力。

7.本发明结合了gnss、两个激光雷达探头、两部真彩色相机、一部双目相机以及组合导航模块的时空特性，设计并实现了所述微处理器模块的控制功能。微处理器模块在作业过程中引入gnss时间系统，并能在gnss信号中断期间维持该时间系统，实现多传感器之间的高精度时空同步。所述微处理器模块将各传感器观测同一目标的不同步数据信息统一至相同的时间基准上，使各传感器在同一时刻对同一目标的观测数据相对应。微处理器模块从工控机系统时钟和gnss时间系统时钟中获取时间基准，控制真彩色相机、双目相机的图像数据采集与激光雷达探头的点云数据采集，实现异源数据的时间基准统一，从而能够将激光点云和光学影像由相对坐标系转换到绝对测量坐标系下，实现数据同步控制。

由于各种干扰信号等不稳定因素的存在，本发明利用组合导航模块中gps卫星导航信号接收器提供的pps信号和相应的gnss时间实现各个传感器的时间严格同步，消除干扰信号对时间上的影响。通过gnss对pps信号授时，同步精度可达0.1ms。微处理器模块接收通过gnss传输的时间和空间信息、激光雷达探头的相对空间信息和设置信息，建立时间基准，将位置信息、距离信息和时间信息融合。所述两个激光雷达探头扫描数据频率可调节的最高输出频率为100hz，即每隔10ms可得到一次扫描信息，gnss原始数据的输出频率和定位输出频率最高为50hz，即每隔20ms可得到一次定位数据信息，并且还具有记录时间的功能。为了确保激光雷达探头采集的点云数据与gnss数据保持时间同步，在激光雷达探头进行点云数据采集的同时，对gnss数据的采集进行时间记录，进而确保传感器数据在后期处理中，可以解算出gnss的时间记录信息，来进行多传感器之间的时间配准。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

解决现有激光雷达系统时间配准精度不高的问题，结合了gnss、两个激光雷达探头、两部真彩色相机、一部双目相机以及组合导航模块的时延特性，通过对多传感器工作状态下时间标记的记录与分析建立时间基准，实现传感器之间的协同工作及时间同步，提高时间配准精度。保证背包式激光雷达多传感器集成系统工作环境的稳定性以及行进过程中的安全性，增强系统的生存能力，提高数据采集可信度。扩展时间与空间覆盖范围，多个传感器相互交叠覆盖，进而提高了系统的时空监视范围。组合导航模块提高了系统的综合抗干扰能力，确保导航的连续性和系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明内部结构主视图；

图2为本发明外观图；

图3为本发明背包框架结构图；

图4为本发明支撑杆安装方式示意图；

图5为本发明左等轴测图；

图6为本发明右等轴测图；

图7为多传感器时间同步控制示意图。

其中：激光雷达探头(1)、gnss(2)、真彩色相机(3)、双目相机(4)、组合导航模块(5)、工控机(6)、微处理器模块(601)、fpga(602)、电池(7)、支撑杆(801)、背包框架(802)、激光雷达探头安装板(8021)、真彩色相机安装板(8022)、双目相机安装板(8023)、左支撑板(8024)、右支撑板(8025)、背包底板(803)、锁紧卡扣(8031)、背包外壳(804)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步阐述。

一种林业背包式激光雷达多传感器集成系统，由各传感器组件和背包机械结构组成。

如图1所示，本发明提供一种林业背包式激光雷达多传感器集成系统。包括：两个激光雷达探头(1)、gnss(全球导航卫星系统)(2)、两部真彩色相机(3)、一部双目相机(4)、组合导航模块(5)、工控机(6)、电池(7)、背包机械结构。

如图1、图2、图3所示，所述背包机械结构包括支撑杆(801)、背包框架(802)、背包底板(803)和背包外壳(804)。

如图4所示，所述支撑杆(801)通过螺纹连接在所述背包底板(803)上的锁紧卡扣(8031)安装固定，用于安装所述gnss(2)和一个激光雷达探头(1)；

如图1、图3所示，所述背包框架(802)固定在所述背包底板(803)上，用于安装所述两部真彩色相机(3)、组合导航模块(5)、工控机(6)、一部双目相机(4)和一个激光雷达探头(1)；

如图1所示，所述背包底板(803)用于安装所述背包框架(802)、支撑杆(801)、电池(7)、背包外壳(804)；

如图2所示，所述背包外壳(804)与所述背包框架(802)上各组件嵌套安装，并通过螺纹安装在所述背包底板(803)上。

进一步的，如图1所示，所述两个激光雷达探头(1)用于林木场景下激光点云数据提取，其中水平安装于支撑杆(801)顶部的激光雷达探头(1)以向后方夹角为270°的扫描范围发射激光能量和接收返回信号，收集存储为点云数据；另一个激光雷达探头(1)安装于背包框架(802)上的激光雷达探头安装板(8021)上，以此激光雷达探头(1)横截面作为基准面，与基准面呈夹角为±15°的扫描范围，用于提取背包外壳(804)一侧的激光点云数据。

进一步的，如图6所示，所述工控机(6)通过铜柱安装在背包框架(802)右支撑板(8025)上，微处理器模块(601)安装于工控机(6)主板上，所述微处理器模块(601)协调控制各传感器间的数据采集与同步传输，工控机(6)通过线缆与各传感器组件相连接。

进一步的，如图1所示，所述两部真彩色相机(3)关于所述双目相机(4)上下对称，并安装于背包框架(802)上真彩色相机安装板(8022)，通过对称方位连续定时拍照，采集林木环境下的全彩色图像信息，提高林木参数的采集丰富性和精准性；将真彩色相机(3)拍摄的图片与激光雷达探头(1)采集的点云数据匹配，进而补充点云数据所缺失的树木纹理和光谱信息。

进一步的，如图1所示，所述双目相机(4)安装于背包框架(802)的双目相机安装板(8023)上，所述双目相机(4)利用双目立体匹配算法计算，可实时获取林木场景深度信息和三维模型。当立体匹配得到时差图像后，便可以确定深度图像，恢复三维场景信息并生成三维点云信息；利用双目相机(4)从不同的空间视角获取林木场景图像，并对双目相机(4)的相对位置进行标定，利用立体匹配算法对所采集两幅林木图像进行特征点匹配，然后利用精准快速的特征算法和双目被动立体视觉对林木场景进行三维重建，进而实现三维林木场景的还原。

进一步的，如图5所示，所述组合导航模块(5)通过铜柱安装于背包框架(802)左支撑板上(8024)，包括gps卫星导航信号接收器和imu惯性测量单元，两者组合使用可实时获取高精度三维位置、速度、姿态信息，便于运动或振动状态下的惯性姿态测量，通过非线性补偿、正交补偿、温度补偿和漂移补偿，减少测量误差。所述组合导航模块短时精度高，当卫星导航信号丢失时可提供有效的导航信息，确保导航的连续性和系统的可靠性，gps卫星导航信号接收器和imu惯性测量单元组合使用提高系统的综合抗干扰能力。

进一步的，通过组合导航模块(5)，实时计算得到林木场景下的运动轨迹信息，包括位置、速度信息，姿态信息和加速度信息；在林木场景下驱动gps卫星导航接收器和imu惯性测量单元，根据系统实时计算出的场景数据信息来驱动gps卫星导航接收器和imu惯性测量单元运行以及信息融合，实现系统在林木场景下的组合导航运行；将gps卫星导航接收器产生的实时卫星导航信息、imu惯性测量单元输出的实时姿态和加速度信息通过线缆传输到微处理器模块(601)，从而实现坐标实时解算，实时获取定位结果；

进一步的，所述微处理器模块(601)从工控机(6)系统时钟和gnss(2)时间系统时钟中获取时间基准，控制真彩色相机(3)、双目相机(4)的图像数据采集与激光雷达探头(1)的点云数据采集，实现异源数据的时间基准统一，从而能够将激光点云和光学影像由相对坐标系转换到绝对测量坐标系下，实现数据同步控制。

进一步的，本发明利用所述组合导航模块(5)中的gps卫星导航信号接收器提供的pps信号和相应的gnss(2)时间实现各个传感器的时间严格同步，消除干扰信号对时间上的影响。如图7所示，通过gnss(2)对pps信号授时，同步精度可达0.1ms。微处理器模块(601)接收通过gnss(2)传输的时间和空间信息、激光雷达探头(1)的相对空间信息和设置信息，建立时间基准，将位置信息、距离信息和时间信息融合。

进一步的，针对本发明的特点，工控机系统时钟采用100mhz的高稳晶振和团队式并行工作的fpga(602)。在调试、更改某个子模块时，不会影响其他模块的实现结果。fpga(602)完成校时的关键部分，通过编程控制产生us、ms及s脉冲产生单元，当对齐脉冲产生电路检测到有效的1pps脉冲时，产生对齐脉冲，此时将ms和s脉冲产生电路复位完成一次校时，即在1pps脉冲沿到达fpga(602)电路中，电路就把时间“秒”的小数部分清零。

进一步的，所述两个激光雷达探头(1)扫描数据频率可调节最高输出频率为100hz，即每隔10ms可得到一次扫描信息，gnss(2)原始数据的输出频率和定位输出频率最高为50hz，即每隔20ms可得到一次定位数据信息，并且还具有记录时间的功能。为了确保激光雷达探头(1)采集的点云数据与gnss(2)数据能够保持时间同步，在激光雷达探头(1)进行数据采集的同时，对gnss(2)数据的采集进行时间记录，进而确保传感器数据在后期处理中，可以解算出gnss(2)的时间记录信息，来进行多传感器之间的时间配准。

进一步的，由于各个传感器的采样频率各不相同，因此需要对各个传感器采集到的不同频率的目标数据来进行内差、外推处理，同时选择输出频率最高的传感器的观察时间序列作为时间基准，然后把低频率传感器采集的观察数据推算到这个时间基准上从而提高多传感器时间配准的精度。各个传感器的数据采集记录时间可以到达同步统一，换算到统一的时间坐标系中。时间配准是为了在每个采样时刻时，将两台真彩色相机(3)和双目相机(4)采集的图像信息、两个激光雷达探头(1)获取的三维空间点云数据、以及组合导航模块(5)中gps卫星导航接收器和imu惯性测量单元得到的定位定姿数据信息进行准确融合，保持数据采集的时间序列同步。

进一步的，设置gps卫星导航接收器数据输出频率为δfgps＝20hz，激光雷达探头(1)数据输出频率为δflidar＝50hz，imu惯性测量单元采样频率为δfimu＝20hz，gnss输出的频率为δfgnss＝50hz，然后对gps卫星导航接收器定位数据和imu惯性测量单元观测数据应用bp神经网络方法进行对准处理，确保系统的各传感器输出时间间隔统一为δt＝1/δfgnss＝1/δflidar，从而可以求出激光雷达探头(1)数据的姿态位置参数，则可以得到第n个时刻世界坐标系和背包式激光雷达多传感器集成系统空间坐标系的转换方程如下：

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详尽的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包在本发明的保护范围之内。