一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置及方法，以多旋翼飞行平台、三轴稳定云台、伺服升降架、全地形脚架、反射棱镜等为主要组成部件；反射棱镜固定于三轴稳定云台顶端，用于反射由光电测距仪发射出来的光束；三轴稳定云台固定于伺服升降架上，能够带动反射棱镜旋转至指定的姿态角度；伺服升降架安装于飞行平台之上，通过两段式折叠结构实现伸展，控制伺服升降架的伸展长度，进而控制反射棱镜的高度；飞行平台是整套装置实现飞行移动和定点悬停的载体，携带反射棱镜在水平面内大范围跨地形障碍进行移动；全地形脚架安装于飞行平台下方，主要用于观察、测量待定落点的地面情况并实现飞行立标装置在不同地形的水平着陆和稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置及方法
本专利技术专利属于工程技术测量领域，具体涉及了一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置。
技术介绍
在工程建设项目的规划和施工阶段，都需要对施工环境进行测高、测角、测距、定向及测图等工作，在进行这些工程测量工作过程中，通常会用到一种仪器——全站仪，即全站型电子测距仪，在测绘、测试、监测等测量领域都已经得到广泛应用。全站仪工作时由光电测距仪发出红外光束到目标点位处调平后的棱镜再反射回来，通过测量发出光束到光束返回的时间差，从而计算光束传播轨迹的长度。全站仪运用光沿直线传播的原理，实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴的同轴化，可以实现对棱镜所处位置的距离、角度、高度等信息的测量，因此在测绘过程中需要将全站仪和棱镜配合使用。工程测量过程中，全站仪通常需要两人配合进行测量，其中一人操作全站仪，另一人放置棱镜。放置棱镜这一过程被称为立标，在一些特殊场合人工放置棱镜立标会有很多的局限性。例如，在野外地形测绘环境中，经常会遇到人力难以跨越的河流沟壑，此时若需要测绘对岸目标的角度、距离等情况，就需要耗费大量的时间、人力等成本以跨越地形障碍。此外，在野外测绘环境中，难以避免的另一个问题是测绘立标人员可能会面临较大的安全隐患，如高处坠落、坍塌滑坡伤害、雷电伤人、溺水、动物伤人等。专利“一种棱镜杆的组装式延长杆”(专利公开号：CN209764105U)中针对现有的全站仪棱镜杆长度不足给操作人员进行测量工作带来不便的问题，专利技术了一种能够在传统棱镜杆基础上对其延长的装置，解决了操作人员使用传统棱镜杆时面对过低、过高、环境恶劣测量位置时的诸多困难。该延长杆将主杆通过夹持装置与传统全站仪棱镜杆相固定，使传统全站仪棱镜杆得以延长，使操作人员使用全站仪棱镜杆时更加方便快捷。此方法虽然与传统全站仪棱镜杆测量装置相比有所改进，但仍存在着一些不足：(1)并未从根本上排除操作人员立标时复杂环境带来的安全隐患；(2)虽然能够在一定程度上克服传统全站仪棱镜杆长度带来的限制，但仍不能完全克服深沟险壑等复杂恶劣地理环境造成的抵达立标点困难，因难以立标导致无法测量的问题；(3)传统测量过程需要两个操作人员配合工作，立标操作人员需要抵达立标地点，跨越险峻地形障碍时所耗费的时间、人力成本大大增加，降低了工作效率。
技术实现思路
为减少复杂野外环境下人工测绘的时间和经济成本、降低恶劣测量环境下立标人员面临的人身风险、提高测量快速性和精度，本专利技术提出了一种基于无人飞行平台、配合全站仪使用的飞行立标装置。利用本飞行立标装置，使得单人便可遥控操作搭载着反射棱镜的飞行平台在测量区域内飞行起落，并通过远程操纵控制反射棱镜的高度和角度，实现无人远程遥控立标，减小了险峻地形对立标工作的制约。通过本专利技术提出的远程控制自动化飞行立标装置，解放了立标工作所需人力，提高了险峻环境下测量工作的效率、精度和安全性。技术方案本专利技术给出了一套以多旋翼飞行平台、三轴稳定云台、伺服升降架、全地形脚架、反射棱镜等为主要组成部件，能够实现高精度单人操作且适用于多种险峻测量环境的远程无人立标定点测量装置的技术方案。考虑到野外险峻环境给工程测绘带来的安全问题、人力成本问题以及测量效率问题，提出了一套能够进行远程遥控飞行从而放置并操控反射棱镜位置和方向的无人立标装置，实现飞行立标装置跨越地形障碍后反射棱镜的精确定位和定向。本装置使用了三轴稳定云台、伺服升降架、八旋翼飞行平台、全地形脚架等自动化设备实现了高效的远程定点立标，提高了工程测量效率，解决了险峻地形条件下测量人员面临安全风险和地形限制难以立标等问题，形成了基于无人飞行平台搭载的工程测量立标装置技术方案，主要特征包括：采用多旋翼飞行平台(优选八旋翼飞行平台)作为本飞行立标装置的基础飞行平台，具有载重量大和飞行平稳等优点，可人工操纵其定点飞行跨越地形障碍，实现悬停和垂直起降；飞行平台底部安装具有地形测量与适应功能的全地形脚架，能够协助飞行平台在不同坡度和环境垂直起降；飞行平台顶部通过伺服升降架连接三轴稳定云台，三轴稳定云台上安装反射棱镜，能够由测量人员远程控制反射棱镜的三个姿态角，使得反射棱镜的反射光轴与光电测距仪目镜视准轴相重合；承载三轴稳定云台的伺服升降架在伺服电机驱动下可实现对反射棱镜水平高度的调节。本技术方案的主要特点包括：(1)以多旋翼飞行平台作为基础载体，能够实现高效的跨地形障碍移动，利用飞行平台的空中悬停和垂直起降特性，相比于传统棱镜杆具有了对任意目标位置点的测量能力；(2)飞行立标装置具有双工作模式——悬停测量和降落测量，可针对不同环境采用适合的工作模式；(3)棱镜方向能够远程控制，测量人员通过光电测距仪目镜观测到棱镜当前位置后，可通过远程遥控三轴稳定云台的方式控制棱镜转动到反射光轴与目镜光轴重合的位置；(4)全地形脚架搭载的测量传感器能够对落地高度和落地点地形进行判断，进而操纵可伸缩的全地形脚架适应地形，使得工程立标装置能够在复杂倾斜地形上安全的垂直起降并保持水平姿态；(5)全地形脚架搭载的图像传感器能够将飞行立标装置待降落地点的地面情况进行回传，帮助测量人员选择相应的工作模式。本装置具有悬停测量和降落测量两种工作模式，悬停测量由飞行立标装置平稳飞行并悬停于待测点的正上空进行测量工作，降落测量则依靠全地形脚架适应地形起伏从而平稳降落进行测量工作。测量任务开始后首先由测量人员控制无人飞行平台飞行抵达待测目标点上空，由图像传感器获取待降落地点的地形图像信息，测量人员据此对当前位置点的地形情况进行分析，选择一种合适的工作模式。若预定落点处地形复杂、障碍物较多可选择悬停测量模式，若预定落点处地形空旷、较为平坦则选择降落测量模式，接下来再根据不同工作模式对应的操作方法进行立标测量。下面分别介绍飞行立标平台两种工作模式下的工作过程。悬停测量模式：此测量方式好处在于无需降落，不受待测量点的地形限制，但飞行悬停耗能高，因此这种测量方式更适用于单次快速测量和不适宜降落的情况。飞行立标平台在测量人员控制下飞行至目标点位置，飞行悬停于近地空中，测量人员首先对飞行立标平台的高度进行调节，此时可以通过调整旋翼飞行平台在竖直方向上的飞行高度进行粗调，接着调节伺服升降架的展开长度。由于三轴稳定云台位于伺服升降架顶端，因此通过控制伺服升降架的展开长度即可细调三轴稳定云台及云台上反射棱镜的高度，通过此方式将反射棱镜调整至合适的高度。接着控制三轴稳定云台转动，由于反射棱镜与三轴稳定云台的内框相固连，因此可以通过操纵三轴稳定云台内、中、外框的转动分别控制反射棱镜的俯仰、偏航和滚动等三个方向角。通过将飞行平台的飞行高度、姿态与伺服升降架伸展高度、三轴稳定云台转动角度进行联动控制和位置补偿，最终使得反射棱镜调整并始终保持在反射光与光电测距仪的目镜光轴重合的位置，完成测量工作。测量结束后，飞行立标装置飞离被测点并适时降落或返回，执行下一测量任务时重复上述过程。降落测量模式：在需要进行长时间作业的工程测量任务环境中，优先使用降落测量方式，由于本方式将飞行立标装置降落在地面上进行测量工作，缩短了能耗最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置，其特征在于：包括多旋翼飞行平台、三轴稳定云台、伺服升降架、全地形脚架、反射棱镜；/n所述多旋翼飞行平台为立标装置的基础飞行平台，能实现悬停和垂直起降；所述多旋翼飞行平台底部安装具有地形测量与适应功能的全地形脚架，能够协助飞行平台在不同坡度和环境垂直起；所述多旋翼飞行平台顶部通过伺服升降架连接三轴稳定云台，三轴稳定云台顶端安装反射棱镜，通过远程控制反射棱镜的三个姿态角，能够使得反射棱镜的反射光轴与光电测距仪目镜视准轴相重合；承载三轴稳定云台的伺服升降架在伺服电机驱动下可实现对反射棱镜水平高度的调节。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置，其特征在于：包括多旋翼飞行平台、三轴稳定云台、伺服升降架、全地形脚架、反射棱镜；
所述多旋翼飞行平台为立标装置的基础飞行平台，能实现悬停和垂直起降；所述多旋翼飞行平台底部安装具有地形测量与适应功能的全地形脚架，能够协助飞行平台在不同坡度和环境垂直起；所述多旋翼飞行平台顶部通过伺服升降架连接三轴稳定云台，三轴稳定云台顶端安装反射棱镜，通过远程控制反射棱镜的三个姿态角，能够使得反射棱镜的反射光轴与光电测距仪目镜视准轴相重合；承载三轴稳定云台的伺服升降架在伺服电机驱动下可实现对反射棱镜水平高度的调节。


2.根据权利要求1所述一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置，其特征在于：所述多旋翼飞行平台为八旋翼飞行平台。


3.根据权利要求1所述一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置，其特征在于：所述三轴稳定云台包括云台内框、云台中框、云台外框、外框电机、中框电机、内框电机、伺服升降架顶板；云台内框顶端固连有反射棱镜，内框电机、中框电机、外框电机分别驱动云台内框、云台中框、云台外框绕各自轴转动，从而能够调节反射棱镜的滚转、俯仰和偏航姿态角；当三轴稳定云台带动反射棱镜转动至反射棱镜的反射光束与光电测距仪目镜光轴相重合的位置后，能够利用三轴稳定云台各框姿态角信息以及飞行平台本身的姿态角信息进行融合解算，得到当前反射棱镜在大地坐标系下的实际俯仰角、滚转角和偏航角。


4.根据权利要求1所述一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置，其特征在于：所述伺服升降架包括伺服升降架顶板、多根双段折叠杆、折叠杆升降伺服电机和伺服升降架底板组成；伺服升降架顶板与三轴稳定云台固连，伺服升降架底板连接多旋翼飞行平台；折叠杆升降伺服电机能够驱动多根双段折叠杆伸展或折叠，从而带动伺服升降架顶板在高度方向运动。


5.根据权利要求1所述一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置，其特征在于：所述全地形脚架包括飞行平台设备舱、图像传感器和多组脚架结构；所述飞行平台设备舱连接在多旋翼飞行平台底部；图像传感器安装在飞行平台设备舱底部，能够拍摄地面地形情况并将回传图像；多组脚架结...

【专利技术属性】
技术研发人员：高智刚，李朋，周军，王超然，张佼龙，伍思欢，霍大海，杨玉嫣，姜伟，王启，张沈钦，邵茂森，靳浩，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61