一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置，涉及无人机空中三角形测绘领域。包括数据获取、特征点提取和匹配、数字表面模型生成、匹配点概率物方坐标获取、精化匹配结果、修正外方元素、计算地面坐标等步骤，无人机上还设有测绘装置，包括获取航空影像的航空相机、获取点云数据的长量程激光测距装置、获取航空相机概略外方位元素和瞬时时间戳数据的机载定位装置。实现地面物方的精确测绘。

A measuring device based on laser ranging and object matching virtual control points

The utility model relates to a measuring device based on laser ranging and object matching virtual control points, and relates to the aerial triangle mapping field of UAV. It includes data acquisition, feature point extraction and matching, digital surface model generation, matching point probabilistic square coordinates acquisition, refinement of matching results, correction of foreign elements, calculation of ground coordinates and other steps. The unmanned aerial vehicle is also equipped with mapping devices, including aerial cameras to obtain aerial images, long-range laser to obtain point cloud data. Ranging device, airborne positioning device for acquiring outline external orientation elements of aerial cameras and instantaneous time stamp data. To achieve accurate mapping of surface objects.

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置
本技术涉及自动化控制的
，尤其涉及.一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置。
技术介绍
机载激光探测与测距(AirborneLightDetectingandRanging,机载LiDAR)是一项集成激光扫描仪和定位定姿系统(PositioningandOrientationSystem,POS)的三维地形数据快速获取技术。机载LiDAR设备以一定的频率向地面发射激光束并接收地物反射激光信号，根据发射信号与反射信号的时间差计算扫描仪与地物的距离，再结合POS设备获取的平台当前的姿态计算地物的三维坐标。这一过程称为直接对地定位，获取的具有三维坐标的密集地面点称为LiDAR点云，在一条航带飞行中获取的点云称为LiDAR点云条带。在LiDAR点云数据获取过程中，常存在多种误差源，如激光扫描仪测距误差、扫描镜控制误差、激光扫描仪与POS设备时间同步误差、激光扫描仪与POS设备的偏心以及安置角误差、POS观测值系统误差等。其中POS观测值系统误差为主要误差源，以上误差会直接影响所获取的LiDAR点云坐标精度。在LiDAR数据处理的实际生产中发现，点云的高程误差一般在0.3m至1.0m之间，特别是在POS设备精度不高以及GPS信号不理想时，点云坐标误差尤其不能忽视，常导致点云条带之间无法良好吻合、生成的DEM精度无法满足需求。可基于LiDAR三角测量定位模型，在点云条带间手动或自动匹配同名平面片，内插点云的高程值获得概略物方坐标，以此作为控制数据采用空间后方交会方法解算POS观测值系统外方位角误差，在此基础上改正由外方位角误差导致的点云坐标误差。
技术实现思路
有鉴于此，本技术提供一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置由用于供电的蓄电池及同步检测单元、微控制单元、串行数据转换单元、航空相机组件、激光测距组件、POS数据组件、图像数据融合单元、电平数据转换芯片组成，同步检测单元和微控制单元均信号连接POS数据组件获取秒脉冲，同步检测单元以相机帧频经接口发送触发信号同步触发航空相机组件和激光测距组件，再分别经接口获取待测量区域虚拟控制点的图像数据及激光反射的时间差数据，再将所述图像数据及时间差数据经接口传送给图像数据融合单元，同步检测单元还同时经串口向微控制单元发送中断信号；微控制单元连接同步检测单元的GPIO端口，微控制单元还通过串行数据转换单元串接POS数据组件获取授时信息，基于所述中断信号从GPIO端口提取超前预测时间数据，最后通过串口传输至图像数据融合单元；图像数据融合单元还通过接口POS数据组件获取图像概略外方元素，并将相机外方元素、时间数据、时间差数据和图像数据融合经电平数据转换芯片输出。进一步地，所述POS数据组件由北斗/GPS双模接收单元、倾角传感器、电子罗盘组成，北斗/GPS双模接收单元信号连接串行数据转换单元提供协调世界时时间以及秒脉冲时间基准作为所述同步检测单元所输出触发信号的时钟基准源；倾角传感器、电子罗盘与所述图像数据融合单元通过接口连接。进一步地，所述同步检测单元为现场可编程门阵列，由20MHz外部晶振提供时钟经内部锁相环串接计数模块倍频得40MHz时钟；复位脚、秒脉冲脚均连接秒脉冲检测模块用于向计数模块发送复位低电平和时钟周期高电平；复位脚和外部晶振还连接模拟触发模块用于产生所述触发信号，模拟触发模块与复位脚和外部晶振还通过触发信号检测模块连接计数模块用于触发所述中断信号，将计数值锁存至复数寄存器计算超前预测时刻值，再将超前预测时刻值锁存至数据寄存器产生所述超前预测时间数据；计数模块连接时时序驱动电路用于同步向触发航空相机组件和激光测距组件发出所述触发信号；计数模块的GPIO端口和串口连接微控制单元。进一步地，所述微控制单元为ATmega128L单片机。进一步地，所述激光测距组件包括激光发射器信号连接同步检测单元接收开始信号，用于发射模拟脉冲信号；激光接收器，将模拟脉冲信号转换为TTL电平信号，用于判别接收模拟脉冲信号的时间；时间间隔测量器，通过接收TTL电平信号和从同步检测单元接收时钟信号和开始信号再向同步检测单元输出时间差。进一步地，所述航空相机组件包括与同步检测单元通过时序驱动电路和偏置电压电路连接的图像传感器芯片；A/D转换模块将图像传感器芯片采集的电平信号转换为数字信号后，再发送给同步检测单元。本技术的有益效果是：使航空相机组件拍摄图像数据同步于激光测距组件，获取了融合了时间数据、相机外方元素、图像数据、时间差数据的存储信息，为下一步精确量测地面控制点的物方坐标，改善高程精度提供了准确的同步数据。附图说明图1是本技术一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置的总体原理框图。图2是本技术一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置的同步检测单元逻辑电路图。图3是本技术一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置的同步检测单元与航空相机组件中图像传感器芯片的驱动结构框图。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。本技术提供一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置，由用于供电的蓄电池9及同步检测单元1、微控制单元2、串行数据转换单元3、航空相机组件4、激光测距组件5、POS数据组件6、图像数据融合单元7、电平数据转换芯片8组成，同步检测单元1(采用FPGA可编程门阵列，使用EP3C25Q240C8芯片)和微控制单元2(采用ATmega128L芯片)均信号连接POS数据组件6获取秒脉冲，同步检测单元1以相机帧频发送触发信号同步触发航空相机组件4和激光测距组件5，航空相机组件4开快门采集待测量区域虚拟控制点的图像数据，激光测距组件5发射/接收激光采集激光反射时间差数据，同时FPGA同步检测单元1向微控制单元2发送中断信号锁存超前预测触发时刻，将超前预测的触发时刻值和图像数据送至图像数据融合单元7(采用单片机：STC89C54RD)进行融合存储；微控制单元2连接同步检测单元1的GPIO端口，微控制单元2还通过串行数据转换单元3串接POS数据组件6获取授时信息，基于所述中断信号从GPIO端口提取超前预测时间数据，最后通过串口传输至图像数据融合单元7；图像数据融合单元7还通过接口POS数据组件6获取相机外方元素，并将相机外方元素、时间数据、时间差数据和图像数据融合经电平数据转换芯片8输出。以上图像数据是包括激光曝光点的图像数据，同步检测单元1主要负责同步精度的计算与超前预测触发航空相机组件4，微控制单元2主要进行系统控制和数据处理，总体原理框图如图1所示。POS数据组件(6)中的BD/GPS双模接收器61定位启动完成后，输出时间基准秒脉冲信号(PPS)、授时时间、经纬度等信息。FPGA同步检测单元1和微处理单元2同时检测秒脉冲信号，微处理单元2读取精确到秒级的授时信息并更新授时信息，FPGA同步检测单元1中的内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置，由用于供电的蓄电池(9)及同步检测单元(1)、微控制单元(2)、串行数据转换单元(3)、航空相机组件(4)、激光测距组件(5)、POS数据组件(6)、图像数据融合单元(7)、电平数据转换芯片(8)组成，同步检测单元(1)和微控制单元(2)均信号连接POS数据组件(6)获取秒脉冲，同步检测单元(1)以相机帧频经接口发送触发信号同步触发航空相机组件(4)和激光测距组件(4)，再分别经接口获取待测量区域虚拟控制点的图像数据及激光反射的时间差数据，再将所述图像数据及时间差数据经接口传送给图像数据融合单元(7)，同步检测单元(1)还同时经串口向微控制单元(2)发送中断信号；微控制单元(2)连接同步检测单元(1)的GPIO端口，微控制单元(2)还通过串行数据转换单元(3)串接POS数据组件(6)获取授时信息，基于所述中断信号从GPIO端口提取超前预测时间数据，最后通过串口传输至图像数据融合单元(7)；图像数据融合单元(7)还通过接口POS数据组件(6)获取图像概略外方元素，并将相机外方元素、时间数据、时间差数据和图像数据融合经电平数据转换芯片(8)输出；所述同步检测单元(1)为现场可编程门阵列，由20MHz外部晶振(11)提供时钟经内部锁相环(12)串接计数模块(15)倍频得40MHz时钟；复位脚(13)、秒脉冲脚(14)均连接复数寄存器(18)用于向计数模块(15)发送复位低电平和时钟周期高电平；复位脚(13)和外部晶振(11)还连接模拟触发模块(16)用于产生所述触发信号，模拟触发模块(16)与复位脚(13)和外部晶振(11)还通过触发信号检测模块(17)连接计数模块(15)用于触发所述中断信号，将计数值锁存至复数寄存器(18)计算超前预测时刻值，再将超前预测时刻值锁存至数据寄存器产生所述超前预测时间数据；计数模块(15)连接时序驱动电路(41)用于同步向触发航空相机组件(4)和激光测距组件(4)发出所述触发信号；计数模块(15)的GPIO端口和串口连接微控制单元(2)；所述微控制单元(2)为ATmega128L单片机，用于信号连接POS数据组件获取秒脉冲；所述图像数据融合单元(7)为STC89C54RD单片机，用于融合存储。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光测距以及物方匹配虚拟控制点的量测装置，由用于供电的蓄电池(9)及同步检测单元(1)、微控制单元(2)、串行数据转换单元(3)、航空相机组件(4)、激光测距组件(5)、POS数据组件(6)、图像数据融合单元(7)、电平数据转换芯片(8)组成，同步检测单元(1)和微控制单元(2)均信号连接POS数据组件(6)获取秒脉冲，同步检测单元(1)以相机帧频经接口发送触发信号同步触发航空相机组件(4)和激光测距组件(4)，再分别经接口获取待测量区域虚拟控制点的图像数据及激光反射的时间差数据，再将所述图像数据及时间差数据经接口传送给图像数据融合单元(7)，同步检测单元(1)还同时经串口向微控制单元(2)发送中断信号；微控制单元(2)连接同步检测单元(1)的GPIO端口，微控制单元(2)还通过串行数据转换单元(3)串接POS数据组件(6)获取授时信息，基于所述中断信号从GPIO端口提取超前预测时间数据，最后通过串口传输至图像数据融合单元(7)；图像数据融合单元(7)还通过接口POS数据组件(6)获取图像概略外方元素，并将相机外方元素、时间数据、时间差数据和图像数据融合经电平数据转换芯片(8)输出；所述同步检测单元(1)为现场可编程门阵列，由20MHz外部晶振(11)提供时钟经内部锁相环(12)串接计数模块(15)倍频得40MHz时钟；复位脚(13)、秒脉冲脚(14)均连接复数寄存器(18)用于向计数模块(15)发送复位低电平和时钟周期高电平；复位脚(13)和外部晶振(11)还连接模拟触发模块(16)用于产生所述触发信号，模拟触发模块(16)与复位脚(13)和外部晶振(11)还通过触发信号检测模块(17)连接计数模块(15)用于触发所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王效波，张辰辰，
申请(专利权)人：武汉智能鸟无人机有限公司，
类型：新型
国别省市：湖北,42