基于双处理器结构的点云数据采集与处理装置的制作方法

本实用新型涉及地形测绘和嵌入式系统设计的技术领域，具体涉及一种基于双处理器结构的点云数据采集与处理装置。

背景技术：

机载激光扫描系统是指将机载LIDAR与惯性测量单元、GPS结合，以飞行器作为搭载平台，具有快速、精确获取高密度数据能力的新型空中对地测量系统。由于其主动性、受天气影响较小等优势，受到各行各业的广泛关注。

国内激光扫描测量系统的研究起步较晚，和外国的先进技术还存在着比较大的差距，我国测绘地理信息获取与更新长期以来主要依赖航空摄影测量方法，存在易受天气影响、作业效率低等问题，而机载激光雷达能够全天时、全天候快速获取各种地表环境下的高精度三维激光点云数据。以往的激光扫描系统都是采用单一的处理器结构，如果要同时采集点云数据、位置姿态数据甚至是高清图像数据，单一处理器的负荷能力就不足以承担如此大数据量的数据采集以及处理工作，往往会造成数据丢包甚至处理器奔溃的情况，制约了激光扫描系统的可拓展性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于双处理器结构的点云数据采集与处理装置，该装置实现了同步地采集多种大数据量数据，可快速高效地测绘地形，相对于传统的人工绘制方式，该数据采集装置具有快速性、准确性、简易性以及更高的环境适应能力，且可拓展性强的优点。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于双处理器结构的点云数据采集与处理装置，所述装置包括：主处理器、协处理器、惯性测量单元、差分全球卫星导航定位系统、三维激光扫描仪、高清摄像头、无线数传电台，

其中，所述主处理器，用于控制数据传输线程、采集图像数据以及和地面站的通讯过程；所述协处理器用于采集各传感器的数据；所述主处理器和所述协处理器相连；所述三维激光扫描仪，用于测量物体表面的三维点云数据，与所述协处理器相连；所述惯性测量单元，用于测量物体三轴姿态角，与所述协处理器相连；所述差分全球卫星导航定位系统，用于定位物体的位置，与所述协处理器相连；所述高清摄像头，用于采集物体彩色图像数据，与所述主处理器相连；所述无线数传电台，用于与地面站数据处理系统的数据传输，与所述主处理器相连。

进一步地，所述协处理器包括：SPI接口模块、TTL转RS232串口模块、以太网接口模块和以太网拓展接口模块，所述主处理器包括：以太网接口模块、以太网拓展接口模块、USB接口模块。

进一步地，所述主处理器和所述协处理器通过的以太网接口模块相连。

进一步地，所述协处理器通过以太网拓展接口模块采集所述三维激光扫描仪数据，通过TTL转RS232串口模块采集所述差分全球卫星导航定位系统数据，通过SPI接口模块采集所述惯性测量单元数据。

进一步地，所述主处理器通过USB接口模块采集所述高清摄像头的高清图像数据，通过以太网拓展接口模块与所述无线数传电台相连，把所有数据按固定格式打包后通过所述无线数传电台传回给地面站数据处理系统。

进一步地，所述主处理器还包括SD卡存储单元，用于备份存储通过所述无线数传电台传回给地面站数据处理系统的所有按固定格式打包后的数据。

进一步地，所述主处理器采用基于TI DM3730内核的CM-T3730工业控制板，嵌入实时Linux操作系统。

进一步地，所述协处理器采用基于的STM32F4系列单片机STM32F407。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本实用新型公开的双处理器结构的点云数据采集处理装置为了实现多个采集任务的并发执行，嵌入实时Linux操作系统的主处理器使用了Linux多线程技术，具有较强的实时性和同步性。STM32的协处理器采用定时中断、串口中断等中断方法，基本保障了所采集的数据的同步性。主、协处理器配合工作的设计，减轻了主处理器的工作负担，解决了处理器工作频率不够、大数据量影响处理器工作效率的问题。双处理器的结构保证数据采集过程中的可靠性和数据处理的高效性，大大提高了装置的可拓展性。

2)本实用新型公开的双处理器结构的点云数据采集处理装置的硬件设计集成度高，外形简单，结构轻巧，方便安装在包括无人机、飞艇等各类轻小型飞行平台上，可以避开航空管制飞行，大大减少飞行成本，并且使航空测绘扫描效率大大提高，实现快速高效地测绘地形。

附图说明

图1是本实用新型公开的基于双处理器结构的点云数据采集处理装置的组成框图；

图2是本实用新型公开的基于双处理器结构的点云数据采集处理装置的工作过程中的的数据流图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种双处理器结构的点云数据采集处理装置，包括：主处理器、协处理器、惯性测量单元(IMU)、差分全球卫星导航定位系统(GNSS)、三维激光扫描仪、高清摄像头、无线数传电台，如图1所示。

本实用新型的双处理器结构的点云数据采集处理装置由控制器、各传感器与无线传输电台组成。各传感器分别采集实时激光测距信息、姿态信息、位置信息和图像信息。上述主控制器嵌入了实时Linux操作系统，运行数据采集软件，协处理器采用中断采集方式，与主处理器配合，实时同步采集各传感器数据。

所述处理器分为主处理器和协处理器，协处理器包括：SPI接口模块、UART TTL转RS232串口模块、以太网接口模块和以太网拓展接口模块；主处理器模块包括USB接口模块、以太网接口模块和以太网拓展接口模块。

主处理器搭载了SD卡存储单元，传感器数据不仅可以通过无线传输电台实时发送到地面站，还可以同时存储到SD卡存储单元中。

本装置设计的难点在于每个传感器的数据发送频率都不一致，而激光扫描仪与摄像头数据量十分庞大，数据采集层设计的关键在于统一各传感器的频率并且保证各传感器数据采集的同步性与实时性，数据处理发送层则要保证准确无误地解析数据并且把数据封装打包成固定的格式。为此，在协处理器中采用一定的方式来控制各传感器的采集频率，在主处理器搭载LINUX系统来管理数据的接收、采集以及发送，具有较高的实时性和同步性。整体的处理器结构如图2所示。

协处理器把上述所有数据打包，通过以太网接口模块发送给主处理器，主处理器通过以太网接口模块接收协处理器的数据并存储，同时通过USB接口模块采集高清图像数据，一方面把所有数据存储在主处理器的SD卡存储单元中备份，以便后续进行较为复杂的数据处理工作，另一方面把所有数据按固定格式打包后通过无线数传电台传回给地面站数据处理系统，进行实时监控。

为保证数据采集传输的实时性，本装置的机载部分的数据传输通路都是采用UDP协议。

如图1所示，本实施例中三维激光扫描系统选用基于TI DM3730(1GHz)内核的CM-T3730工业控制板作为处理中心(即主处理器)，板上可搭载8G micro-SD卡作为SD卡存储单元，具有高速USB接口模块(480Mbps)，以太网口模块和以太网拓展接口模块，可运行实时Linux操作系统。硬件资源和软件支持上完全符合本装置设计需求，且编程开发环境简易，开发效率高。CM-3730作为主控制器，主要完成下述功能：与协处理器建立可靠的通信连接，实时接收协处理器数据并且实时把数据通过无线数传电台发送到地面站数据处理系统和存储在SD卡存储单元中。

本实施例中，协处理器采用STM32F407ZGT6，带有FPU的32位-M4CPU、在Flash存储器中实现零等待状态运行性能的自适应实时加速器(ART加速器TM)、主频高达168MHz，具有硬件MPU，能够实现高达210 DMIPS/1.25DMIPS/MHz的性能，具有DSP指令集。存储器有高达1MB的Flash，高达192+4KB的SRAM，包括64-KB的CCM(内核耦合存储器)数据RAM；具有高达32位数据总线的灵活外部存储控制器：SRAM、PSRAM、NOR/NAND存储器；具有多达17个定时器，15个不同的通信接口(SPI、I2C、USART、CAN)；具有专用DMA的10/100以太网MAC：支持IEEE 1588v2硬件；具有专用DMA、片上全速PHY和ULPI的USB 2.0高速控制器。硬件资源和软件支持上完全符合本系统设计需求，且编程开发环境简易，开发效率高。作为协处理器，STM32F407ZGT6主要完成采集各传感器的数据并简单解析，保证数据的同步性并把数据传输给主处理器的功能。逻辑上把协处理器设计分为底层驱动层、数据采集层和数据处理层。

该实施例中，三维激光扫描仪选用了Velodyne公司的小型三维激光扫描仪VLP-16采集激光测距数据，差分全球卫星导航定位系统选用了NovAtel公司的OEM628采集GNSS定位数据，惯性测量单元选用了高精度的惯性导航单元ADIS16480采集姿态数据，高清摄像头选用了高清USB广角高清摄像头采集图像数据。

综上所述，本实用新型公开的双处理器结构的点云数据采集处理装置为保证所有传感器数据的同步性，该系统采用双处理器结构，提高系统的实时性和可拓展性；该系统硬件集成度高、外形美观、结构简单轻巧，方便安装在小型无人机、无人艇以及各种自主系统当中；为保证远距离传输的可靠性，该系统测绘范围可以达到100米，测绘精度在±3cm，满足测绘要求。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。