一种室内空间数据采集系统及方法

1.本发明涉及低空遥感技术领域，尤其涉及一种室内空间数据采集系统及方法。


背景技术：

2.无人机以其独特的空中悬停、垂直起降能力及极佳的机动灵活性、高可靠性，被广泛运用于民用、军事领域，是理想的低空遥感搭载平台，但传统无人机平台多依赖于卫星导航系统(如gps)进行空间飞行定位，这使得现有无人机平台因卫星导航系统信号被屏蔽而难以完成室内环境下的空间数据采集飞行任务；此外，为便于目标区域空间影像采集、传输及后期自动化处理，传统无人机遥感平台还需搭载独立的光学相机、位姿传感器及数传系统，存在着专业遥感系统定制集成技术复杂、成本高等不足。
3.目前,智能手机中已被植入包括可见光、加速度、陀螺仪、地磁计等多种mems传感器，同时支持蓝牙、wifi、usb等多种通信方式，这使得智能手机不仅能在室内卫星导航系统信号被屏蔽条件下进行空间定位，也可方便用于空间影像采集与传输，因此，以智能手机作为空间影像数据采集设备、以旋翼无人机为飞行搭载平台，可以快速构建一个适用于室内空间飞行任务的空间数据采集系统，具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种室内空间数据采集系统及方法，以克服现有对室内空间数据采集的无人机的应用限制。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种室内空间数据采集系统，所述室内空间数据采集系统包括：
6.无人机飞行平台，用于搭载手机完成目标区域的数据采集任务，且所述无人机飞行平台包括飞控、接收机、数传、传感器和动力系统，所述飞控设有相机触发器，以配合拍照；
7.激光雷达避障系统，包括树莓派和激光雷达，用于辅助所述无人机飞行平台在飞行时躲避障碍物，所述树莓派通过串口采集所述激光雷达测量的距离数据，然后通过vfh避障算法计算出所述无人机飞行平台需要运动角度，最后所述树莓派通过串口将计算出的控制信息发送至所述无人机飞行平台，从而实现所述无人机飞行平台的实时避障；
8.pc端地面站，包括无人机控制地面站和数据采集地面站，所述无人机控制地面站用于查看所述无人机飞行平台的飞行高度和姿态数据，进行航线规划，所述数据采集地面站用于接收手机端采集的数据；
9.遥控器，用于控制所述无人机飞行平台解锁及飞行；
10.路由器，用于给所述手机端和所述pc端地面站通信提供局域网络；
11.手机端，用以进行对智能手机的传感器数据和手机图像数据的采集，并利用采集app接收来自飞控和数据采集地面站的指令进行数据采集，所述手机端包括ch340模块和usb口，且所述ch340模块与所述usb口连接。
12.针对室内空间数据采集环境特点，设计和搭建了结合智能手机和旋翼无人机的数据采集系统，并针对室内无人机复杂的飞行条件，构建基于激光雷达的所述激光雷达避障系统，从而有效提升无人机在室内飞行的应用。
13.本发明还提出一种室内空间数据采集方法，包括如上述所述的室内空间数据采集系统，还包括如下步骤：
14.启动路由器，对手机端采集app初始化，获取手机摄像头和传感器数据，并建立所述手机端与ch340模块通讯连接；
15.对pc端地面站初始化，建立所述pc端地面站与所述手机端通讯连接，接收手机数据；
16.在建立稳定的通讯连接后，启动无人机飞行平台，建立所述手机端与所述无人机飞行平台的飞控的通讯连接，设置所述无人机飞行平台飞行模式；
17.初始化激光雷达避障系统，启动树莓派并建立所述飞控与所述树莓派通信连接；
18.在室内环境下，利用所述pc端地面站设置图像采集的间隔、采集数据；于室外环境下，利用无人机控制地面站规划目标区域的航点；最后使用遥控器解锁，将所述无人机飞行平台切换为offbord模式，等待完成数据采集任务。
19.根据提出的室内空间数据采集系统，对应提出采集方法，通过设立的所述pc端地面站与所述手机端的配合，从而实现对所述无人机飞行平台在室内空间进行室内数据采集的需求。
20.其中，所述手机端采集app的运行流程如下：
21.采集app启动后先初始化相关设置，主要包括系统存储、相机、网络和usb权限检查；
22.初始化完成，主界面显示实时显示摄像头预览帧、传感器数据，以及各个设置按钮；
23.若pc端地面站启动，所述采集app通过tcp自动连接到所述pc端地面站，并实时传输摄像头预览帧到所述pc端地面站显示；
24.确认摄像头传输成功后，连接所述pc端地面站，建立文件传输端口连接；因pc端地面站的ip地址和端口号发生变化，无法连接地面站时，通过app菜单界面重新设置连接参数；
25.所述手机端在没有连接飞控时则与所述数据采集地面站连接，独立完成数据采集，所述采集app监听到有ch340模块连入所述手机端后，建立所述飞控和所述手机端的通信连接，在所述手机端收到飞控命令后，所述采集app执行拍照任务，并将文件发送到所述数据采集地面站。
26.利用初始化设置，能实现及时了解采集app与所述pc端地面站的连接状态。
27.其中，所述手机端与ch340模块通讯连接包括如下步骤：
28.采集app初始化完成后，采集app实时监测usb口是否有设备接入；
29.当检测到有设备接入时，用户触发按钮即可建立所述手机端与所述ch340模块的连接。
30.通过所述手机端与所述ch340模块的连接来实现后续手机端与所述无人机飞行平台的同步控制。
31.其中，所述pc端地面站的运行步骤如下：
32.启动服务器设置，让所述手机端进行连接，使得所述pc端地面站和所述手机端在同一局域网下进行通讯；
33.pc端地面站初始化窗口后，如果所述pc端地面站收到所述手机端的连接请求，所述pc端地面站建立与所述手机端之间的连接，并实时显示所述手机端摄像头采集的视频；用户启动所述手机端的文件传输端口，建立所述手机端与pc端地面站的文件传输连接；
34.在传输连接建立后，所述pc端地面站设置完数据采集任务的参数，发送采集参数和指令到所述手机端开始采集任务；
35.所述手机端完成数据采集任务后将数据实时发送至所述pc端地面站，所述pc端地面站收到数据后对数据判断，如果数据为文件，所述pc端地面站保存文件；如果数据为传感器数据，所述pc端地面站解析传感器数据，并将数据显示实时显示。
36.建立连接后，所述pc端地面站一方面传递给所述手机端数据采集任务的各项参数，由所述手机端连接飞控进行对所述无人机飞行平台的控制，所述pc端地面站一方面则根据获取的数据的类别不同，进行对应操作，从而提升所述手机端数据准确、稳定的传输。
37.其中，所述激光雷达避障系统的vfh避障算法包括如下步骤：
38.激光雷达传感器获取信息，通过串口将实时测量的距离数据发送至所述树莓派；
39.传感器数据被映射到相应的栅格中，更新笛卡尔坐标障碍图；
40.环境信息的描述从笛卡尔坐标系下的栅格描述转换为极坐标系下的直方图描述，并根据无人机的当前位置建立极坐标图；
41.通过极坐标系下的直方图计算出无人机的转角和运动速度；
42.树莓派将控制指令通过串口发送至飞控。
43.改进所述激光雷达避障系统的避障算法，从而有效提升所述无人机飞行平台在室内执行数据采集任务时的避障能力，提升所述无人机飞行平台应对复杂飞行条件的能力。
44.本发明的一种室内空间数据采集系统及方法，在提出室内空间数据采集系统的基础上，对应提出采集方法，通过改进采集方法，有效提升采集系统在执行数据采集任务时应对室内空间复杂飞行情况、同步控制及数据实时传输要求的能力。
附图说明
45.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，下面将对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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1是本发明提供的一种室内空间数据采集系统的结构示意图。
47.图2是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的步骤示意图。
48.图3是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的手机端与ch340模块建立连接的过程的运行步骤示意图。
49.图4是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的对手机传感器数据姿态解算过程步骤示意图。
50.图5是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的pc端数据采集地面站运行步骤
示意图。
51.图6是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的手机端与pc地面站建立通信步骤示意图。
52.图7是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的激光雷达避障系统上运行的vfh避障算法流程示意图。
53.图8是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的采集app的运行步骤示意图。
54.图9是本发明提供的一种室内空间数据采集方法的控制手机采集数据的步骤示意图。
具体实施方式
55.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
56.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
57.请参阅图1，本发明提供一种室内空间数据采集系统，所述室内空间数据采集系统包括：
58.无人机飞行平台，用于搭载手机完成目标区域的数据采集任务，且所述无人机飞行平台包括飞控、接收机、数传、传感器和动力系统，所述飞控设有相机触发器，以配合拍照；
59.激光雷达避障系统，包括树莓派和激光雷达，用于辅助所述无人机飞行平台在飞行时躲避障碍物，所述树莓派通过串口采集所述激光雷达测量的距离数据，然后通过vfh避障算法计算出所述无人机飞行平台需要运动角度，最后所述树莓派通过串口将计算出的控制信息发送至所述无人机飞行平台，从而实现所述无人机飞行平台的实时避障；
60.pc端地面站，包括无人机控制地面站和数据采集地面站，所述无人机控制地面站用于查看所述无人机飞行平台的飞行高度和姿态数据，进行航线规划，所述数据采集地面站用于接收手机端采集的数据；
61.遥控器，用于控制所述无人机飞行平台解锁及飞行；
62.路由器，用于给所述手机端和所述pc端地面站通信提供局域网络；
63.手机端，用以进行对智能手机的传感器数据和手机图像数据的采集，并利用采集app接收来自飞控和数据采集地面站的指令进行数据采集，所述手机端包括ch340模块和usb口，且所述ch340模块与所述usb口连接。
64.在本实施方式中，利用所述收集端与所述无人机配合，从而构建数据采集结构，再配合所述路由器、所述遥控器和所述pc端地面站配合，从而实现对所述手机端采集到的数据的实时传输，而所述激光雷达避障系统则用以提升室内复杂的飞行条件下，所述无人机飞行平台的应对能力，再利用所述ch340模块和配合所述usb口，从而解决所述手机端与所
述无人机飞行平台之间的同步控制问题。
65.请参阅图2至图9，本发明还提出一种室内空间数据采集方法，包括如上述所述的室内空间数据采集系统，还包括如下步骤：
66.s101：启动路由器，对手机端采集app初始化，获取手机摄像头和传感器数据，并建立所述手机端与ch340模块通讯连接；
67.s102：对pc端地面站初始化，建立所述pc端地面站与所述手机端通讯连接，接收手机数据；
68.s103：在建立稳定的通讯连接后，启动无人机飞行平台，建立所述手机端与所述无人机飞行平台的飞控的通讯连接，设置所述无人机飞行平台飞行模式；
69.s104：初始化激光雷达避障系统，启动树莓派并建立所述飞控与所述树莓派通信连接；
70.s105：在室内环境下，利用所述pc端地面站设置图像采集的间隔、采集数据；于室外环境下，利用无人机控制地面站规划目标区域的航点；最后使用遥控器解锁，将所述无人机飞行平台切换为offbord模式，等待完成数据采集任务。
71.在本实施方式中，对应数据采集系统而提出相应的采集方法，从而提升数据采集系统在对室内空间进行数据采集时的采集能力。
72.进一步的，所述手机端采集app的运行流程如下：
73.采集app启动后先初始化相关设置，主要包括系统存储、相机、网络和usb权限检查；
74.初始化完成，主界面显示实时显示摄像头预览帧、传感器数据，以及各个设置按钮；
75.若pc端地面站启动，所述采集app通过tcp自动连接到所述pc端地面站，并实时传输摄像头预览帧到所述pc端地面站显示；
76.确认摄像头传输成功后，连接所述pc端地面站，建立文件传输端口连接；因pc端地面站的ip地址和端口号发生变化，无法连接地面站时，通过app菜单界面重新设置连接参数；
77.所述手机端在没有连接飞控时则与所述数据采集地面站连接，独立完成数据采集，所述采集app监听到有ch340模块连入所述手机端后，建立所述飞控和所述手机端的通信连接，在所述手机端收到飞控命令后，所述采集app执行拍照任务，并将文件发送到所述数据采集地面站。
78.在本实施方式中，通过设置所述采集app的运行步骤，进而使得所述收集端在每次启动时进行自检，能适应数据采集系统，避免数据采集系统出现故障，再配合所述pc端地面站确定是否建立连接，从而避免所述手机端采集到的数据无法上传，同时无法及时接收采集指令和数据，从而满足对于数据的实时传输要求。
79.进一步的，所述手机端与ch340模块通讯连接包括如下步骤：
80.采集app初始化完成后，采集app实时监测usb口是否有设备接入；
81.当检测到有设备接入时，用户触发按钮即可建立所述手机端与所述ch340模块的连接。
82.在本实施方式中，利用所述手机端与所述ch340模块连接后，具体为配合pixhawk
相机触发器即可有效实现所述手机端与所述无人机飞行平台的同步控制，所述手机端通过ch340模块连接至手机的usb口，所述飞控通过pixhawk相机触发器在辅助通道输出信号控制手机拍照，完成数据采集，所述pixhawk相机触发驱动器是通过飞控的aux辅助通道发出一个脉冲来触发相机，所述pixhawk相机触发器通过控制单反相机的快门实现航点拍照，从而解决所述手机端与所述无人机飞行平台的同步控制问题。
83.进一步的，所述pc端地面站的运行步骤如下：
84.启动服务器设置，让所述手机端进行连接，使得所述pc端地面站和所述手机端在同一局域网下进行通讯；
85.pc端地面站初始化窗口后，如果所述pc端地面站收到所述手机端的连接请求，所述pc端地面站建立与所述手机端之间的连接，并实时显示所述手机端摄像头采集的视频；用户启动所述手机端的文件传输端口，建立所述手机端与pc端地面站的文件传输连接；
86.在传输连接建立后，所述pc端地面站设置完数据采集任务的参数，发送采集参数和指令到所述手机端开始采集任务；
87.所述手机端完成数据采集任务后将数据实时发送至所述pc端地面站，所述pc端地面站收到数据后对数据判断，如果数据为文件，所述pc端地面站保存文件；如果数据为传感器数据，所述pc端地面站解析传感器数据，并将数据显示实时显示。
88.在本实施方式中，所述pc端地面站通过与所述手机端设置在同一局域网下，以提升对接准确性，再通过分别使用文件传输端口、视频传输端口两个连接进行传输，使得所述手机端数据能准确、稳定的传输，再通过所述pc端对数据的类型进行判断，从而实现对数据的实时显示。
89.进一步的，所述激光雷达避障系统的vfh避障算法包括如下步骤：
90.激光雷达传感器获取信息，通过串口将实时测量的距离数据发送至所述树莓派；
91.传感器数据被映射到相应的栅格中，更新笛卡尔坐标障碍图；
92.环境信息的描述从笛卡尔坐标系下的栅格描述转换为极坐标系下的直方图描述，并根据无人机的当前位置建立极坐标图；
93.通过极坐标系下的直方图计算出无人机的转角和运动速度；
94.所述树莓派将控制指令通过串口发送至飞控。
95.在本实施方式中，所述极坐标系下的直方图h由n个角度为α扇形区域构成，笛卡尔坐标系下的当前活动窗口的每个栅格的cv值将被转换为相应扇形区域的h值，其中，cv值指明该栅格存在障碍物的可能性，h值用以描述相应扇形区域内的障碍物密度值。
96.进一步的，所述pc端地面站解析传感器数据包括如下步骤：
97.利用陀螺仪输出的角速度和四元数微分方程计算出角速度微分四元数；
98.对测得的加速度计和磁罗盘数据进行预处理，根据加速度计和磁罗盘的误差函数及其导数，得出姿态传感器的梯度公式，再利用梯度下降法消除四元数误差，得到精确的姿态四元数；
99.将陀螺仪角速度积分得到的四元数融合梯度下降法求出的姿态四元数，从而实现了姿态数据的补偿修正，提高了姿态解算精度。
100.在本实施方式中，通过分析姿态数据，从而提升了所述pc端地面站对所述无人机飞行平台的控制精确性，从而实现对图像的校正。
101.进一步的，控制所述手机端采集数据的流程如下：
102.在所述飞控和所述手机端建立了通信连接后，所述无人机飞行平台在飞到任务的航点时发送采集命令至所述手机端；
103.所述手机端在收到命令后拍照，保存当前位置的照片和姿态数据至所述手机端内存中，同时通过wifi将数据文件发送到所述pc端地面站保存。
104.利用所述飞控与所述手机端配合，进而提升所述手机端采集数据的精确性。
105.以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。