基于多旋翼无人机的基建设施测量系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于多旋翼无人机的基建设施测量系统和方法，所述测量系统包括多旋翼无人机、搭载在无人机平台上的多传感融合测量子系统和设置在地面的地面端数控子系统，多传感融合测量子系统用于采集基建设施的相关数据，并保证数据时间同步，地面端数控子系统用于根据时间同步后的基建设施采集数据完成基建设施的三维重建。该系统可通过初次飞行时的激光雷达、全景相机、IMU以及RTK数据估计无人机的真实位姿，并可利用地面站服务主机中搭载的SLAM算法进行三维重建，构建精密的特大基建设施三维高精地图。本发明专利技术可实现精密、直观的测量效果，有效提高检修人员的工作效率，为基建设施提供健康状态监测。基建设施提供健康状态监测。基建设施提供健康状态监测。

【技术实现步骤摘要】
基于多旋翼无人机的基建设施测量系统和方法


[0001]本专利技术涉及无人机勘探
，具体来讲，涉及一种基于多旋翼无人机的基建设施测量方法和一种基于多旋翼无人机的基建设施测量系统。

技术介绍

[0002]基建设施是我国交通的重要组成部分。随着使用年限的增长以及通车量的不断增加，部分基建设施可能出现承载力下降、形变、内部结构损伤以及表面裂纹等问题，会造成巨大的经济损失。因此，对基建设施进行定期的、系统性的测量工作，并基于此进行基建设施的寿命预测、健康状态评估以及灾害预防是必要的。
[0003]现有技术中，针对地面基建设施的测量方法形成了很多研究成果。例如，于2012年1月11日公开的名称为大地测量装置、公开号为CN102317738A的专利文献记载了一种基于经纬仪或全站仪的大地测量装置，该测量装置借助望远测量的方式，可实现目标角度和距离测量的功能，但这种方式易受到大气扰动的干扰，导致观测困难、测量误差大的问题。于2018年9月7日公开的名称为一种桥梁检测装置、公开号为CN207828780U的专利文献记载了一种桥梁检测装置，利用液压系统将工作臂弯曲深入到桥底对桥梁进行检测，虽然检测人员无需到桥面以下，但不能进行高频次的满载荷在线检测，且还是需要工人在桥面上测量，具有一定的安全隐患。于2016年10月26日公开的名称为一种基于光纤传感器的自供电桥梁受损情况实时监测装置、公开号为CN106053388A的专利文献记载了一种基于光纤传感器的桥梁受损情况实时检测装置，可通过解调后的光信号判断桥梁受损位置，这种分布式预埋光电类传感器的方式存在建设施工复杂，累计误差大，后续纠察难，且苛刻自然环境下光电传感器损坏率高且更换麻烦，更换成本高等问题。除此之外，对于特大型的基建设施，其结构形状以及所处环境极其复杂，且大多数都是凌空建设，侧面和底部人力难以接近。对于这种特大型的基建设施，除了难以测量之外，如何直观地给出缺陷所在位置也是亟待解决的问题。
[0004]无人机技术以及多种高精度、高性能的传感器的融合技术的高速发展为特大型基础建筑工程的测量工作提供了新的思路。无人机技术指的是利用无线电遥控或嵌入式程序装置控制的不载人飞机，具有体积小、重量轻、成本低、环境适应好等优势，可以在人力难以到达的地方完成多种复杂任务，广泛应用于军事侦查、航拍、电力巡检、灾情监控等领域。
[0005]例如，于2019年10月22日公开的名称为一种基于四旋翼无人机的大型储罐自主巡检方法、公开号为CN110362100A的专利文献记载了一种基于四旋翼无人机的大型储罐自主巡检方法，上位机根据储罐的几何参数规划路线并输入给无人机，无人机按照该路径对罐体表面进行巡检，实时记录隐患点的位置。这种检测方法选用四旋翼无人机进行检测任务，操控灵活性以及载荷能力上有所欠缺。于2016年11月16日公开的名称为检测结构件表面裂缝的多旋翼无人机检测平台系统及其用于检测结构件表面裂缝的方法、公开号为CN106124517A的专利文献记载了一种检测大型结构件表面裂缝的多旋翼无人机系统，由安装在地面站的主控机借助数传电台控制无人机的飞行，利用相机与激光测距仪采集结构件
表面数据后，建立起稳定的实际物体尺度和图像尺度的对应关系，从而达到获取裂缝的实际尺寸的目的。这种方式虽然自动化程度和测量精度有了一定程度的提高，但存在需要根据目标相对无人机的位置调整传感器的安装位置、传感器种类不足导致无法获取裂缝深度信息、裂缝展示效果不直观的问题。
[0006]因此，有必要提出一种能够实现高效率、高精度、高安全系数的基建设施测量任务的无人机测量方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本专利技术的目的之一在于提供一种以多旋翼无人机和多传感器融合技术为基础的基建设施的高精度测量系统，以克服基建设施安全监测过程中传统的依赖人工且精度不够的问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种基于多旋翼无人机的基建设施测量系统，包括多旋翼无人机，还包括搭载在无人机平台上的多传感融合测量子系统和设置在地面的地面端数控子系统；所述多传感融合测量子系统包括多传感器采集单元、授时单元、同步驱动单元、天空控制单元和机载通信单元；其中，所述授时单元，用于获取卫星时间信息，并输出秒时间脉冲和推荐定位信息；所述同步驱动单元与所述授时单元连接，用于根据秒时间脉冲针对不同类型的传感器产生不同类型的同步控制信号，并记录在同步驱动单元时间系下产生同步控制信号的第一控制采集时间，和多传感器采集单元返回采集数据的第二控制采集时间，所述同步控制信号包括同步脉冲和同步触发指令；所述多传感器采集单元分别与所述同步驱动单元和所述天空控制单元连接，用于在同步控制信号的触发下开始采集基建设施的相关数据，并包括第一多传感器模组和第二多传感器模组，第一多传感器模组能够在同步脉冲的触发下开始采集数据，并将对应的采集数据和内部采集时间传输至天空控制单元，第二多传感器模组能够在同步触发指令的触发下开始采集数据，并将对应的采集数据传输至同步驱动单元；所述天空控制单元分别与所述无人机平台、所述同步驱动单元和所述多传感器采集单元连接，用于获取机体飞行状态信息、不同类型传感器的内部采集时间、采集数据、第一控制采集时间和第二控制采集时间，并对不同类型传感器的采集数据进行时间同步；所述机载通信单元分别与所述无人机平台、所述天空控制单元和所述地面端数控子系统连接，用于无人机平台、天空控制单元和地面端数控子系统之间的通信数据传输；所述地面端数控子系统，用于向多传感融合测量子系统和无人机平台发送地面控制信号，以及根据时间同步后的基建设施采集数据完成基建设施的三维重建。
[0009]在本专利技术的基于多旋翼无人机的基建设施测量系统的一个示例性实施例中，所述第一多传感器模组可包括激光雷达和摄像装置，其中，所述激光雷达用于采集基建设施的点云数据；所述摄像装置包括全景相机和全局相机，全景相机用于获取机上实时飞行图像数据，全局相机用于获取基建设施表面图像数据；所述第二多传感器模组包括惯性测量传感器、差分定位传感器和激光测距仪，其中，所述惯性测量传感器用于获取无人机飞行过程中的IMU数据；所述差分定位传感器用于获取无人机飞行过程中的RTK数据，以校正无人机位姿；所述激光测距仪用于获取高精度激光标定点的位置信息。
[0010]在本专利技术的基于多旋翼无人机的基建设施测量系统的一个示例性实施例中，所述地面端数控子系统可包括地面基站，所述地面基站用于接收和观测卫星导航信号，并进行
差分处理以生成差分数据。
[0011]在本专利技术的基于多旋翼无人机的基建设施测量系统的一个示例性实施例中，所述同步驱动单元可包括基时钟模块、标准时间确定模块、脉冲处理模块、同步触发指令确定模块、采集数据解析模块和匹配模块，其中，所述基时钟模块被配置为能够结合秒时间脉冲产生基时钟和基计数器，所述基计数器用于记录在同步驱动单元时间系下生成同步脉冲的第一秒内时间戳，和第二多传感器模组经同步触发指令的触发后返回采集数据的第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多旋翼无人机的基建设施测量系统，包括多旋翼无人机，其特征在于，所述测量系统还包括搭载在无人机平台上的多传感融合测量子系统和设置在地面的地面端数控子系统；所述多传感融合测量子系统包括多传感器采集单元、授时单元、同步驱动单元、天空控制单元和无线数传单元；其中，所述授时单元用于获取卫星时间信息，并输出秒时间脉冲和推荐定位信息；所述同步驱动单元与所述授时单元连接，用于根据秒时间脉冲针对不同类型的传感器产生不同类型的同步控制信号，并记录在同步驱动单元时间系下产生同步控制信号的第一控制采集时间，和多传感器采集单元返回采集数据的第二控制采集时间，所述同步控制信号包括同步脉冲和同步触发指令；所述多传感器采集单元分别与所述同步驱动单元和所述天空控制单元连接，用于在同步控制信号的触发下开始采集基建设施的相关数据，并包括第一多传感器模组和第二多传感器模组，第一多传感器模组能够在同步脉冲的触发下开始采集数据，并将对应的采集数据和内部采集时间传输至天空控制单元，第二多传感器模组能够在同步触发指令的触发下开始采集数据，并将对应的采集数据传输至同步驱动单元；所述天空控制单元分别与所述无人机平台、所述同步驱动单元和所述多传感器采集单元连接，用于获取机体飞行状态信息、不同类型传感器的内部采集时间、采集数据、第一控制采集时间和第二控制采集时间，并对不同类型传感器的采集数据进行时间同步；所述无线数传单元分别与所述无人机平台、所述天空控制单元和所述地面端数控子系统连接，用于无人机平台、天空控制单元和地面端数控子系统之间的通信数据传输；所述地面端数控子系统用于向多传感融合测量子系统和无人机平台发送地面控制信号，以及根据时间同步后的基建设施采集数据完成基建设施的三维重建。2.根据权利要求1所述的基于多旋翼无人机的基建设施测量系统，其特征在于，所述第一多传感器模组包括激光雷达和摄像装置，其中，所述激光雷达用于采集基建设施的点云数据；所述摄像装置包括全景相机和全局相机，全景相机用于获取机上实时飞行图像数据，全局相机用于获取基建设施表面图像数据；所述第二多传感器模组包括惯性测量传感器、差分定位传感器和激光测距仪，其中，所述惯性测量传感器用于获取无人机飞行过程中的IMU数据；所述差分定位传感器用于获取无人机飞行过程中的RTK数据，以校正无人机位姿；所述激光测距仪用于获取高精度激光标定点的位置信息。3.根据权利要求2所述的基于多旋翼无人机的基建设施测量系统，其特征在于，所述地面端数控子系统包括地面基站，所述地面基站用于接收和观测卫星导航信号，并进行差分处理以生成差分数据。4.根据权利要求2所述的基于多旋翼无人机的基建设施测量系统，其特征在于，所述同步驱动单元包括基时钟模块、标准时间确定模块、脉冲处理模块、同步触发指令确定模块、采集数据解析模块和匹配模块，其中，所述基时钟模块被配置为能够结合秒时间脉冲产生基时钟和基计数器，所述基计数器用于记录在同步驱动单元时间系下生成同步脉冲的第一秒内时间戳，和第二多传感器模组
经同步触发指令的触发后返回采集数据的第二秒内时间戳；所述标准时间确定模块被配置为能够对推荐定位信息进行解析，以提取世界标准时间，并对世界标准时间进行标记；所述脉冲处理模块与所述基时钟模块连接，并被配置为能够基于基时钟将秒时间脉冲校准为同步脉冲，并根据预设的触发信号偏移参数生成不同类型传感器的同步触发信号；所述同步触发指令确定模块与所述脉冲处理模块连接，并被配置为能够基于同步触发信号，产生不同类型传感器的同步触发指令；所述采集数据解析模块与所述第二多传感器模组连接，并被配置为能够解析获得第二多传感器模组的采集数据；所述匹配模块与所述采集数据解析模块连接，并被配置为能够分别将第二多传感器模组的采集数据和对应的第二秒内时间戳拼接，并进行标记，以获得对应的传感器采集数据集。5.根据权利要求4所述的基于多旋翼无人机的基建设施测量系统，其特征在于，所述同步驱动单元还包括第一存放区、第二存放区、第三存放区和串行上传模块，其中，所述第一存放区与所述匹配模块连接，包括多个缓冲模块，分别用于存放第一多传感器模组的第一秒内时间戳；所述第二存放区与所述匹配模块连接，包括多个缓冲模块，分别用于存放第二多传感器模组的采集数据集；所述第三存放区与所述标准时间确定模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄战华，潘成，董联鑫，张晏涵，王康年，
申请(专利权)人：天津大学四川创新研究院，
类型：发明
国别省市：