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CN204832514U - 一体化多传感器激光雷达扫描系统 - Google Patents

一体化多传感器激光雷达扫描系统 Download PDF

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CN204832514U CN201520524626.2U CN201520524626U CN204832514U CN 204832514 U CN204832514 U CN 204832514U CN 201520524626 U CN201520524626 U CN 201520524626U CN 204832514 U CN204832514 U CN 204832514U
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Abstract

本实用新型公布了一体化多传感器激光雷达扫描系统，包括GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统和存储控制系统；惯性导航系统用于实时获取姿态和坐标位置并实现系统时间同步；存储控制系统基于低功耗的开发板进行集成开发而形成，用于存储采集数据并通过无线网络与地面站进行通讯；还可包括一个或多个外接传感器；上述部件均固定到安装架上形成一体化多传感器激光雷达扫描系统，并通过安装架将系统与装载平台相连接。本实用新型结构紧凑；体积、重量和功耗均很小；可提供更长续航时间；稳定性和安全性更好；方便用户快速获取多种遥感数据；可广泛应用于三维数据获取应用领域。

Description

一体化多传感器激光雷达扫描系统
技术领域
本实用新型涉及遥感数据获取系统，尤其涉及一种用于获取多种遥感数据的一体化多传感器激光雷达扫描系统。
背景技术
不管是侦察、早期预警等军事领域还是城市、林业、生态、植被、灾害应急、地形等民用应用领域均需获取遥感数据。移动遥感系统具有体积小、重量轻、低成本、低损耗、可重复使用且风险小等诸多优势，其应用领域从最初的军事领域扩大到非军事领域。无人机遥感的高时效、高分辨率等性能，是传统卫星遥感所无法比拟的，越来越受到研究者和生产者的青睐，大大扩大了遥感应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。
移动遥感系统主要包括传感器扫描遥感系统和装载传感器的移动平台。目前，传感器扫描遥感系统集成GPS、IMU、图像处理、摄影测量、地理信息及集成控制等技术，通过采集空间信息和实景影像，由卫星及惯性定位确定实景影像的位置姿态等测量参数，实现空间坐标上的按需测量，是目前获取遥感数据适用的重要设备。但是，现有的传感器系统存在一些问题，主要包括：
(一)传感器系统大多体积、重量较大，容易使得传感器装载平台续航时间不足；
(二)传感器系统获取遥感数据的密度、精度不够；
(三)传感器系统的稳定性、安全性不高。
因此，现有的传感器扫描遥感系统，在实际应用中难以满足多种需要。
实用新型内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种一体化多传感器激光雷达扫描系统，用于快速获取多种遥感数据，包括高密度、高精度的激光雷达点云数据；该系统包括GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统(IMU)和存储控制系统，还可包括一个或多个外接传感器；存储控制系统基于低功耗的开发板进行集成开发；系统结构紧凑；体积、重量和功耗均很小；可使得装载平台提供更长的续航时间；稳定性和安全性更好。
本实用新型提供的技术方案是：
一种一体化多传感器激光雷达扫描系统，包括GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统和存储控制系统；GPS通过天线馈线与惯性导航系统的天线接口相连接；惯性导航系统、存储控制系统和激光雷达扫描仪之间均相互连接；惯性导航系统用于实时获取姿态和坐标位置，并实现存储控制系统和激光雷达扫描仪二者之间的时间同步；一体化多传感器激光雷达扫描系统还可包括一个或多个外接传感器，外接传感器和存储控制系统相连接；存储控制系统基于低功耗的开发板进行集成开发而形成，用于存储传感器采集的数据，并通过无线网络与地面站进行通讯；所述GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统、存储控制系统和外接传感器均固定安装到安装架上，形成所述一体化多传感器激光雷达扫描系统；并通过安装架将所述一体化多传感器激光雷达扫描系统与装载平台相连接。
在本实用新型一实施例中，安装架包括下固定板、上固定板、下固定板与下固定板的连接竖杆和安装在上固定板上的固定横杆；安装架的下固定板上设有惯性导航系统固定接口、存储控制系统固定接口、激光雷达扫描仪固定接口、一个或多个外接传感器接口，上固定板上设有装载平台接口。惯性导航系统IMU、存储控制系统和激光雷达扫描仪均安装在安装架的相应固定接口，由紧固件固定；固定横杆一端与上固定板对齐，另一端水平伸出，GPS安装于固定横杆的伸出顶端。固定横杆长约40厘米；惯性导航系统置于下固定板之上；下固定板与下固定板的连接竖杆共有四根；存储控制系统和激光雷达扫描仪均置于下固定板之下；将惯性导航系统置于激光雷达扫描仪的顶部(上方)，进行一体化的设计，使得多传感器激光雷达扫描系统结构更为紧凑，节省了大量的空间；一体化多传感器激光雷达扫描系统整体尺寸为220×120×100mm，功耗为40w，总重量不超过3KG。
将上述一体化多传感器激光雷达扫描系统利用紧固件通过安装架的装载平台接口与装载平台相连接；装载平台包括无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机、汽车、轮船、背包等载体，极大地方便用户实施数据获取作业。
存储控制系统具体是基于低功耗的开发板进行集成开发，体积小，从而从总体上控制了功耗和体积。上述一体化多传感器激光雷达扫描系统中，存储控制系统包括外壳、开发板、存储卡、供电系统和连接接口(串行通讯端口com口和网口)；供电系统在存储控制系统内部，在工作时，供电系统给所有设备供电，包括IMU、激光雷达扫描仪和开发板等设备；开发板控制激光雷达扫描仪和IMU何时开始采集数据和工作状态等；激光雷达和惯导IMU采集的数据传回开发板，由存储卡存储记录；存储控制系统通过com口用连接线与惯性导航系统相连接，通过网口用连接线和激光雷达扫描仪相连接。存储控制系统通过无线网络与地面站进行通讯，将数据传输到地面站。在本实用新型一实施例中，存储控制系统具体基于XILINX嵌入式DK-V6-EMBD-G开发板进行集成开发而成。存储控制系统置于存储控制系统外壳中，存储控制系统外壳材料采用钛合金，重量轻、硬度高。
惯性导航系统IMU由高精度三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速度计组成。也是整个激光雷达系统的基准中心，它的主要优点是能够在没有外部参考的情况下能够实时获取姿态以及坐标位置。在本实用新型一实施例中，惯性导航系统IMU为NovatelS1；激光雷达扫描仪可选用Riegl、Optech或Velodyne等激光雷达扫描仪；激光雷达扫描仪优选为更为轻便的velodyne16E，可使得一体化多传感器激光雷达扫描系统重量更轻，更为轻便。
外接传感器可以是高光谱相机、多光谱相机或普通相机；外接传感器与存储控制系统相互连接，外接传感器采集到的数据传送到存储控制系统进行存储记录；外接传感器还可与惯性导航系统相互连接，通过惯性导航系统实现存储控制系统和外接传感器二者之间的时间同步。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供一种用于获取多种遥感数据的一体化多传感器系统，集成了高精度IMU、存储控制系统、激光雷达和GPS，系统集成度高、轻巧。其中，惯性导航系统、存储控制系统和激光雷达扫描仪(外接传感器)之间均相互连接；惯性导航系统用于实时获取姿态和坐标位置，并实现存储控制系统和激光雷达扫描仪(外接传感器)二者之间的时间同步；存储控制系统通过无线网络与地面站进行通讯，具体是基于低功耗的开发板进行集成开发，体积小，从而从总体上控制了功耗和体积。系统总重量不超过3KG，可以根据不同需要安装在无人直升机、多旋翼无人机或固定翼无人机平台上；还可以安装在汽车、轮船、背包等载体上；方便用户快速获取多种遥感数据，包括高密度、高精度的激光雷达点云数据。系统结构紧凑；体积、重量和功耗均很小；可使得装载平台提供更长的续航时间；稳定性和安全性更好；可应用于城市、林业、生态、植被、灾害应急、地形等三维数据获取应用领域。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一体化多传感器激光雷达扫描系统的结构框图。
图2是本实用新型实施例提供的安装架及其连接关系的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型的范围。
本实用新型提供一种一体化多传感器激光雷达扫描系统，图1是本实用新型实施例提供的一体化多传感器激光雷达扫描系统的结构框图，包括GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统(IMU)和存储控制系统；还可包括一个或多个外接传感器。
一体化多传感器激光雷达扫描系统中，GPS通过天线馈线与IMU上的TNC头(天线接口)相连接；惯性导航系统、存储控制系统和激光雷达扫描仪(或外接传感器)之间均相互连接，惯性导航系统提供存储控制系统和激光雷达扫描仪(或外接传感器)二者之间的时间同步功能。IMU由高精度三轴陀螺仪以及三个坐标轴方向上的加速度计组成，也是整个激光雷达扫描系统的基准中心，它的主要优点是能够在没有外部参考的情况下能够实时获取姿态以及坐标位置。本实施例中，IMU使用的是Novatel的S1。
激光雷达扫描仪利用高速旋转的高频测距激光头，不断地记录不同方向的测距数据，从而得出以扫描中心为基准的三维坐标信息。考虑到激光雷达扫描仪上方不需要进行数据采集，本实用新型将IMU放置在激光雷达扫描仪的顶部，进行一体化的设计，使得多传感器激光雷达扫描系统结构更为紧凑，节省了大量的空间。
存储控制系统与地面站通过无线网络进行通讯；存储控制系统基于低功耗的开发板进行集成开发；存储控制系统包括外壳、开发板、存储卡、供电系统和连接接口(串行通讯端口com口和网口)；供电系统在存储控制系统内部，在工作时，供电系统给所有设备供电，包括IMU、激光雷达扫描仪和开发板等设备；开发板控制激光雷达扫描仪和IMU何时开始采集数据和工作状态等；激光雷达和惯导IMU采集的数据传回开发板，由存储卡存储记录。本实施例中，存储控制系统具体基于XILINX嵌入式DK-V6-EMBD-G开发板进行集成开发；存储控制系统通过com口用连接线与惯性导航系统相连接，通过网口用连接线和激光雷达扫描仪相连接。存储控制系统置于存储控制系统外壳中，存储控制系统外壳材料采用钛合金，重量轻、硬度高。
外接传感器可包括多种传感器，如高光谱相机、多光谱相机或普通相机等；与激光雷达扫描仪一样，存储控制系统可通过网口用连接线与外接传感器相连接；也可与惯性导航系统相连接，由惯性导航系统提供外接传感器和存储控制系统二者之间的时间同步。
图2是本实用新型实施例提供的安装架及其连接关系的结构框图。安装一体化多传感器激光雷达扫描系统时，具体通过安装架对上述GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统(IMU)、存储控制系统和一个或多个外接传感器进行一体化的固定连接；本实施例中，安装架包括下固定板、上固定板、下固定板与下固定板的连接竖杆和安装在上固定板上的固定横杆；安装架还包括惯性导航系统固定接口、存储控制系统固定接口、激光雷达扫描仪固定接口、一个或多个外接传感器接口(上述接口位于下固定板上)和装载平台接口(位于上固定板上)；其中，惯性导航系统IMU、存储控制系统和激光雷达扫描仪均安装在安装架的相应固定接口，由紧固件固定；GPS安装在固定横杆上，固定横杆长约40厘米，其一端与上固定板对齐，另一端水平伸出，GPS安装于固定横杆的伸出顶端。本实施例中，GPS通过天线馈线与IMU连接，位置在整个系统上方，以保证信号接收良好；惯性导航系统置于下固定板之上；下固定板与下固定板的连接竖杆共有四根；存储控制系统和激光雷达扫描仪均置于下固定板之下；存储控制系统置于激光雷达扫描仪的左侧；安装架包括一个或多个外接传感器接口，用于外接一个或多个外接传感器；外接传感器通过外接传感器接口与安装架固定连接；外接传感器置于激光雷达扫描仪的右侧。
利用紧固件(如螺丝)通过安装架的装载平台接口将上述一体化多传感器激光雷达扫描系统与装载平台相连接；直接拧上螺丝即可，安装非常方便。可将一体化多传感器激光雷达扫描系统安装在无人直升机、多旋翼无人机或固定翼无人机平台上；还可以安装在汽车、轮船、背包等载体上；方便用户进行数据获取。
本实施例中，一体化多传感器激光雷达扫描系统集成了高精度IMU、存储控制系统、激光雷达和GPS，整体尺寸为220×120×100mm，功耗为40w，总重量不超过3KG(重量为2.6kg)，集成度高且轻巧稳定，是目前无人机激光雷达扫描系统中尺寸、重量和功耗最小的产品，可以根据不同需要安装在多种平台上。无人机对重量功耗等比较敏感，更轻的重量、更低的功耗意味着能够提供更长的续航时间、稳定性和安全性更好。将该一体化多传感器激光雷达扫描系统安装到一款轻小型无人机装载平台(定制多旋翼无人机)上，整机重量不超过10kg，无需控制点即可以满足1∶2000测图需求。多旋翼无人机激光雷达系统在80m高度处，高程精度和水平精度大约在20cm左右，扫描幅宽大概在140m左右，飞行速度在20公里/小时，每平方米点密度约为100点/平方米，一个架次大概飞行15-25分钟左右，面积约为0.5平方公里。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种一体化多传感器激光雷达扫描系统，包括GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统和存储控制系统；所述GPS通过天线馈线与惯性导航系统的天线接口相连接；惯性导航系统、存储控制系统和激光雷达扫描仪之间均相互连接；惯性导航系统用于实时获取姿态和坐标位置，并实现存储控制系统和激光雷达扫描仪二者之间的时间同步存储控制系统基于低功耗的开发板进行集成开发而形成，用于存储传感器采集的数据，并通过无线网络与地面站进行通讯；一体化多传感器激光雷达扫描系统还可包括一个或多个外接传感器，外接传感器和存储控制系统相连接；所述GPS、激光雷达扫描仪、惯性导航系统、存储控制系统和外接传感器均固定安装到安装架上，形成所述一体化多传感器激光雷达扫描系统；并通过安装架将所述一体化多传感器激光雷达扫描系统与装载平台相连接。
2.如权利要求1所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述安装架包括下固定板、上固定板、下固定板与下固定板的连接竖杆和安装在上固定板上的固定横杆；安装架的下固定板上设有惯性导航系统固定接口、存储控制系统固定接口、激光雷达扫描仪固定接口、一个或多个外接传感器接口，上固定板上设有装载平台接口；固定横杆一端与上固定板对齐，另一端水平伸出，GPS安装在固定横杆的伸出顶端；惯性导航系统、存储控制系统和激光雷达扫描仪均通过紧固件固定安装在安装架的相应固定接口。
3.如权利要求2所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述固定横杆长约40厘米；所述惯性导航系统安装在下固定板之上；所述下固定板与下固定板的连接竖杆共有四根；所述存储控制系统和激光雷达扫描仪均安装在下固定板之下。
4.如权利要求1所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，惯性导航系统置于激光雷达扫描仪的上方。
5.如权利要求1所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述系统整体尺寸为220×120×100mm，功耗为40w，总重量不超过3KG。
6.如权利要求1所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述外接传感器包括高光谱相机、多光谱相机或普通相机中的一个或多个；所述装载平台包括无人直升机、多旋翼无人机、固定翼无人机、汽车、轮船或背包载体。
7.如权利要求1所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述惯性导航系统为NovatelS1；所述激光雷达扫描仪包括Riegl、Optech或Velodyne激光雷达扫描仪中的一种；优选为激光雷达扫描仪velodyne16E。
8.如权利要求1所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述存储控制系统包括外壳、开发板、存储卡、供电系统和连接接口；供电系统在存储控制系统内部，在工作时，供电系统给所有设备供电；开发板控制激光雷达扫描仪和惯性导航系统；激光雷达扫描仪和惯性导航系统采集的数据传回开发板，由存储卡存储记录；存储控制系统置于存储控制系统外壳中。
9.如权利要求8所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述存储控制系统基于XILINX嵌入式DK-V6-EMBD-G开发板进行集成开发；所述连接接口包括串行通讯端口和网口，所述存储控制系统通过串行通讯端口与惯性导航系统相连接，通过网口与激光雷达扫描仪相连接。
10.如权利要求8所述一体化多传感器激光雷达扫描系统，其特征是，所述存储控制系统外壳材料为钛合金。
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