專利名稱：一種車載移動測圖裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及非接觸測量技術，具體地涉及一種車載移動測圖裝置，在城市規劃、事故現場重構、考古等領域具有廣闊的應用前景。
背景技術：
目前已有的車載移動測圖系統，都是利用GPS、CCD、INS、激光或航位推算系統等先進的傳感器搭建，通過運載體的高速行進，快速采集地物的空間數據和屬性數據。由于系統采用了 GPS定位技術，因此系統只能適合空曠環境的測圖，不適于室內、隧道、城市等環境的測圖。因此，迫切需要一種車載移動測圖裝置，滿足無法接受GPS信號場景的測圖工作。發明內容
本發明要解決的技術問題解決了其它測繪系統因隧道、橋梁、城市峽谷、樹木遮擋等導致GNSS失鎖的問題，提出了利用傾角傳感器和編碼器作為慣性測量單元獲取位姿參數，解決了利用多傳感器采集信息時出現的各傳感器數據在時間和空間的不同步問題， 以及應用激光傳感器采集空間距離數據構建車載移動測圖系統的新方法，為實現無GPS/ IMU和先驗地圖輔助的6D同步定位與地圖創建提供良好的技術支撐。
本發明的技術方案為一種車載移動測圖裝置，該裝置包括運載平臺系統、驅動系統、慣性導航系統、三維數據采集系統、通信系統和上位機；其中
運載平臺系統運載整個裝置在場景空間中運動；運載平臺系統包括運載平臺、左前輪、右前輪、左后輪和右后輪；運載平臺系統通過驅動系統中的左前輪驅動電機驅動左前輪，驅動系統中的右前輪驅動電機驅動右前輪以實現平臺運動；慣性導航系統中的左編碼器與左前輪連接，記錄左前輪轉過的角度，慣性導航系統中的右編碼器與右前輪連接，記錄右前輪轉過的角度；
驅動系統控制運載平臺系統的運動速度及運動方向；驅動系統包括左電機驅動器、右電機驅動器、左前輪驅動電機和右前輪驅動電機；
慣性導航系統，可實時獲取裝置的空間六自由度位姿參數；慣性導航系統包括左編碼器、右編碼器、左編碼器計數器、右編碼器計數器、傾角儀和A/D采集卡；傾角儀獲取運載平臺的俯仰角與橫滾角，通過A/D采集卡將運載平臺的俯仰角與橫滾角的模擬信號轉換成數字信號傳到通信系統中的串口服務器；左編碼器以及右編碼器將采集到的驅動輪轉動角度信息通過左編碼器計數器以及右編碼器計數器傳給串口服務器；最終串口服務器將俯仰角與橫滾角以及驅動輪轉動角度信息的數據，即位姿數據，傳給上位機，上位機的上位機軟件通過解算所述的位姿數據得到運載平臺相對運載平臺初始位置的位姿信息；
三維數據采集系統，包括激光測距儀和舵機；舵機在通信系統中的單片機的控制下，帶動激光測距儀做俯仰運動，實現場景的三維數據采集，將采集到的場景極半徑信息通過通信系統中的串口服務器回傳給上位機；
通信系統，包括串口服務器和單片機；上位機通過串口服務器將控制命令傳給單機通過左電機驅動器驅動左前輪驅動電機控制左前輪運動，通過右電機驅動器驅動右前輪驅動電機控制右前輪運動；通過舵機控制二維激光測距儀做俯仰運動以實現三維數據采集；
上位機的上位機軟件通過向單片機發送命令控制運載平臺及舵機的運動；上位機軟件通過開辟多線程方式實現平臺位姿參數信息與激光三維數據信息的時間融合；串口服務器將三維數據采集系統的采集的極半徑信息，傾角儀和左右兩個編碼器的平臺位姿信息傳送到上位機，上位機軟件對獲取數據進行系統校正，將各坐標系的數據運用坐標歸一法轉換到統一的世界坐標系下，并將結果以點云的形式顯示。
所述的激光測距儀為二維激光傳感器。二維激光傳感器主要完成面掃描測量。該激光傳感器自然表面下的采樣量程不小于80m。測量精度不大于10cm，面掃描時的角分辨率不大于1°，具有RS232/422/485接口的基于脈沖反射時差法的激光傳感器。較高的采樣頻率可減少單次激光掃描時間，激光傳感器的測量精度越高，車載移動測圖系統裝置的掃描精度就越高，更加接近場景的真三維圖像，且控制接口簡單。
所述的左前輪驅動電機為步距角不大于1.2°，靜態相電流不小于6A，重量不大于Ig，配置減速器后保持轉矩不小于35N. m的三相步進電機，步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性；改變脈沖的順序可以方便的改變轉動的方向。
所述的右前輪驅動電機為步距角不大于1.2°，靜態相電流不小于6A，重量不大于Ig，配置減速器后保持轉矩不小于35N. m的三相步進電機，步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優越特性；改變脈沖的順序可以方便的改變轉動的方向。
所述的左前輪電機驅動器為額定電壓70V以內，最大輸出驅動電流為6V/相，具有脈沖信號輸入、方向信號輸入和脫機信號輸入三種端口的直流電機驅動器。可對輸入信號光電隔離，可適應共陽、共陰、單/雙脈沖多種模式，具有脫機保持功能，以及節能的自動半電流鎖定功能。
所述的右前輪電機驅動器為額定電壓70V以內，最大輸出驅動電流為6V/相，具有脈沖信號輸入、方向信號輸入和脫機信號輸入三種端口的直流電機驅動器。可對輸入信號光電隔離，可適應共陽、共陰、單/雙脈沖多種模式，具有脫機保持功能，以及節能的自動半電流鎖定功能。
所述的舵機為最大扭矩2. 4N. m占空比0. 9ms 2. Ims,脈沖頻率50Hz 300Hz 的數字舵機，脈沖頻率達300Hz的舵機使得馬達在同一時間收到更多的激勵信號，并轉動的更快；高頻率的脈沖也使數字舵機的無反應區變小，反應更快，加速和減速反應更迅速柔和。
所述的左編碼器為響應頻率0 100Hz，輸出波形為方波，分辨率刻線不小于500 的增量式光柵編碼器，編碼器輸出的信號是方波脈沖，有A、B兩相，可實現運載平臺的前進和后退記錄。當A相的信號脈沖超前B相90°時，表示運載平臺前進，脈沖計數增加；當B 相的信號脈沖超前A相90°時，表示運載平臺后退，脈沖計數減小。
所述的右編碼器為響應頻率0 100Hz，輸出波形為方波，分辨率刻線不小于500 的增量式光柵編碼器，編碼器輸出的信號是方波脈沖，有A、B兩相，可實現運載平臺的前進和后退記錄。當A相的信號脈沖超前B相90°時，表示運載平臺前進，脈沖計數增加；當B 相的信號脈沖超前A相90°時，表示運載平臺后退，脈沖計數減小。
所述的左編碼器計數器為記錄編碼器所產生的脈沖個數，波特率1200 19200bps,具有RS232/422/485接口的脈沖計數器。
所述的右編碼器計數器為記錄編碼器所產生的脈沖個數，波特率1200 19200bps,具有RS232/422/485接口的脈沖計數器。
所述的傾角儀為雙軸之間完全獨立和隔離，測量范圍不小于士30°，士 15V直流供電，輸出的直流電壓不小于士5V，輸出數據頻率不小于40Hz，精度不小于2rad/S，零點漂移不大于0. 02V的雙軸傾角傳感器。
所述的A/D采集卡為分辨率不小于12位，將傾角儀采集的角度模擬信號轉換成上位機可處理的二進制信號，通信接口為RS232/422/485的模數轉換器。
所述的串口服務器為供電電壓12 48V，輸出為RJ45型網卡接口、支持10兆和 100兆自適應的網絡連接速度，具有至少八個RS-232/422/485接口的數據傳輸裝置。
所述的上位機為至少具有網口，系統內存大于2GB，顯卡內存大于256M，支持 Windows XP操作系統的工控機。
所述通信及上位機單元中的控制軟件實現過程如下
1)三維數據采集系統與通信系統初始化系統上電后，舵機復位到系統所設置的基準位置，串口服務器自啟動并與上位機連接成功。
2)慣性導航系統與上位機初始化左右脈沖計數器脈沖計數復位為0 ；設置各串口參數，設置激光測距儀的掃描方式、掃描角度、角分辨率及掃描精度；設置舵機的俯仰角度、旋轉速度及旋轉步長。
3)啟動開始掃描按鈕以平臺初始位置為世界坐標的零點，通過控制電機轉向控制運載平臺的運動方向。上位機軟件通過開辟多線程的方式實現裝置采集的極半徑信息與位姿數據信息的時間融合。三維數據采集系統和慣性導航系統實時將場景極半徑信息及平臺位姿信息通過串口服務器回傳給上位機進行下一步的數據處理。
4)解算數據上位機對采集的坐標數據運用坐標歸一算法處理，即將激光極坐標系，激光直角坐標系，支架坐標系，運載平臺坐標系歸一到由平臺初始位置確定的世界坐標系下，實現所采集數據的空間融合。建立激光極坐標系，激光直角坐標系O1-X1Y1Z1,支架坐標系Of-^ypf，平臺坐標系ov-Xvyvzv，世界坐標系ow-Xwywzw，各直角坐標系均符合笛卡爾右手準則。根據坐標系的相關轉化關系解算出場景中一點在世界坐標系中的坐標信息Cii cos(汐) 0(Ii sin(汐) 1
其中，Cli是點在激光極坐標系中的極半徑，θ是點在激光極坐標系中的極角。& 為激光直角坐標系到支架坐標系的旋轉矩陣，Tf為激光直角坐標系到支架坐標系的平移向量。Rv為支架坐標系到運載平臺坐標系的旋轉矩陣，Tv為支架坐標系到運載平臺坐標系的平移向量。Rw為運載平臺坐標系到世界坐標系的旋轉矩陣，Tw為運載平臺坐標系到世界坐標系的平移向量。
5)將上述經坐標歸一算法處理過的數據進行精簡、降噪處理后予以實時顯示。
本發明與現有技術相比的優點在于
權利要求
1.一種車載移動測圖裝置，其特征在于該裝置包括運載平臺系統(1)、驅動系統(2)、慣性導航系統(3)、三維數據采集系統(4)、通信系統(5)和上位機(6)；其中 運載平臺系統(1)運載整個裝置在場景空間中運動；運載平臺系統(1)包括運載平臺、左前輪、右前輪、左后輪和右后輪；運載平臺系統(1)通過驅動系統O)中的左前輪驅動電機(8)驅動左前輪，驅動系統O)中的右前輪驅動電機(18)驅動右前輪以實現平臺運動； 慣性導航系統C3)中的左編碼器(9)與左前輪連接，記錄左前輪轉過的角度，慣性導航系統(3)中的右編碼器(19)與右前輪連接，記錄右前輪轉過的角度；驅動系統( 控制運載平臺系統(1)的運動速度及運動方向；驅動系統( 包括左電機驅動器(7)、右電機驅動器(17)、左前輪驅動電機(8)和右前輪驅動電機(18)；慣性導航系統(3)，可實時獲取裝置的空間六自由度位姿參數；慣性導航系統(3)包括左編碼器(9)、右編碼器(19)、左編碼器計數器(10)、右編碼器計數器00)、傾角儀(11)和 A/D采集卡(1 ；傾角儀(11)獲取運載平臺的俯仰角與橫滾角，通過A/D采集卡(1 將運載平臺的俯仰角與橫滾角的模擬信號轉換成數字信號傳到通信系統(5)中的串口服務器 (15)；左編碼器(9)以及右編碼器(19)將采集到的驅動輪轉動角度信息通過左編碼器計數器(10)以及右編碼器計數器00)傳給串口服務器(1 ；最終串口服務器(1 將俯仰角與橫滾角以及驅動輪轉動角度信息的數據，即位姿數據，傳給上位機(6)，上位機(6)通過解算所述的位姿數據得到運載平臺相對運載平臺初始位置的位姿信息；三維數據采集系統G)，包括激光測距儀和舵機(14)；舵機(14)在通信系統(5)中的單片機(16)的控制下，帶動激光測距儀做俯仰運動，實現場景的三維數據采集，將采集到的場景極半徑信息通過通信系統(5)中的串口服務器(15)回傳給上位機(6)；通信系統(5)，包括串口服務器(15)和單片機(16)；上位機(6)通過串口服務器(15) 將控制命令傳給單片機(16)，單片機(16)通過左電機驅動器(7)驅動左前輪驅動電機(8) 控制左前輪運動，通過右電機驅動器(17)驅動右前輪驅動電機(18)控制右前輪運動；通過舵機(14)控制激光測距儀做俯仰運動以實現三維數據采集；上位機(6)的上位機軟件通過向單片機(16)發送命令控制運載平臺及舵機(14)的運動；上位機軟件通過開辟多線程方式實現平臺位姿參數信息與激光三維數據信息的時間融合；串口服務器(15)將三維數據采集系統(4)的采集的極半徑信息，傾角儀(11)和左右兩個編碼器的平臺位姿信息傳送到上位機(6)，上位機軟件對獲取數據進行系統校正，將各坐標系的數據運用坐標歸一法轉換到統一的世界坐標系下，并將結果以點云的形式顯示。
2.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的激光測距儀為二維激光傳感器(1 ；二維激光傳感器主要完成面掃描測量；該二維激光傳感器自然表面下的采樣量程不小于80m ；測量精度不小于10cm，面掃描時的角分辨率不小于Γ，并且為具有RS232/422/485接口的基于脈沖反射時差法的二維激光傳感器。
3.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的左前輪驅動電機(8)為步距角不大于1. 2°，靜態相電流不小于6Α，重量不大于3kg，配置減速器后保持轉矩不小于35N. m的三相步進電機。
4.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的右前輪驅動電機(18)為步距角不大于1.2°，靜態相電流不小于6A，重量不大于3kg，配置減速器后保持轉矩不小于35N. m的三相步進電機。
5.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的左前輪電機驅動器(7)為額定電壓70V以內，最大輸出驅動電流為6V/相，具有脈沖信號輸入、方向信號輸入和脫機信號輸入三種端口的直流電機驅動器。
6.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的右前輪電機驅動器(17)為額定電壓70V以內，最大輸出驅動電流為6V/相，具有脈沖信號輸入、方向信號輸入和脫機信號輸入三種端口的直流電機驅動器。
7.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的舵機(14)為最大扭矩2. 4N. m,占空比0. 9ms 2. lms，脈沖頻率50Hz 300Hz的數字舵機。
8.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的左編碼器(9) 為響應頻率0 100Hz，輸出波形為方波，分辨率刻線不小于500的增量式光柵編碼器。
9.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的右編碼器(19) 為響應頻率0 100Hz，輸出波形為方波，分辨率刻線不小于500的增量式光柵編碼器。
10.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的左編碼器計數器(10)為記錄編碼器所產生的脈沖個數，波特率1200 19200bps，具有RS232/422/485接口的脈沖計數器。
11.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的右編碼器計數器00)為記錄編碼器所產生的脈沖個數，波特率1200 19200bps，具有RS232/422/485接口的脈沖計數器。
12.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的傾角儀(11) 為雙軸之間完全獨立和隔離，測量范圍不小于士30°，士 15V直流供電，輸出的直流電壓不小于士5V，輸出數據頻率不小于40Hz，精度不小于2rad/s，零點漂移不大于0. 02V的雙軸傾角傳感器。
13.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的A/D采集卡 (12)為分辨率不小于12位，將傾角儀采集的角度模擬信號轉換成上位機(6)可處理的二進制信號，通信接口為RS232/422/485的模數轉換器。
14.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述的串口服務器 (15)為供電電壓12 48V，輸出為RJ45型網卡接口、支持10兆和100兆自適應的網絡連接速度，具有至少八個RS-232/422/485接口的數據傳輸裝置。
15.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述上位機(6)的為至少具有網口，系統內存大于2GB，顯卡內存大于256M，支持Windows XP操作系統的工控機。
16.根據權利要求1所述的一種車載移動測圖裝置，其特征在于所述通信系統(5)及所述上位機(6)中的控制軟件實現過程如下1)三維數據采集系統⑷與通信系統(5)初始化系統上電后，舵機(14)復位到系統所設置的基準位置，串口服務器(1 自啟動并與上位機(6)連接成功；2)慣性導航系統(3)與上位機(6)初始化左右脈沖計數器脈沖計數復位為0；設置各串口參數，設置激光測距儀(13)的掃描方式、掃描角度、角分辨率及掃描精度；設置舵機 (14)的俯仰角度、旋轉速度及旋轉步長；3)啟動開始掃描按鈕將平臺初始位置設為世界坐標系的原點，通過控制電機轉向控制運載平臺的運動方向；舵機(14)帶動激光測距儀(1 做俯仰運動以獲取三維的場景信息。上位機軟件通過開辟多線程保證采集的平臺位姿參數及場景極半徑信息的時間融合； 三維數據采集系統(4)和慣性導航系統(3)實時將場景極半徑信息及平臺位姿信息通過串口服務器(15)回傳給上位機(6)進行下一步的數據處理；4)解算數據上位機(6)對采集的坐標數據運用坐標歸一算法處理，即將激光極坐標系，激光直角坐標系，支架坐標系，平臺坐標系歸一到由運載平臺初始位置確定的世界坐標系下，實現所采集數據的空間融合；建立激光極坐標系，激光直角坐標系O1-X1Y1Z1,支架坐標系，平臺坐標系ov-Xvyvzv，世界坐標系ow-Xwywzw，各直角坐標系均符合笛卡爾右手準則；根據坐標系的相關轉化關系解算出場景中一點在世界坐標系中的坐標信息
全文摘要
本發明公開了一種車載移動測圖裝置，包括運載平臺系統、驅動系統、慣性導航系統、三維數據采集系統、通信系統以及上位機，利用三維數據采集系統獲取場景表面的極半徑信息，運用運載平臺系統搭載整個裝置；通過驅動系統控制裝置在場景中運動；用慣性導航系統獲取裝置空間六自由度的位姿參數；運用通信系統將慣性導航系統獲取的裝置位姿參數及三維數據采集系統采集的場景極半徑信息實時的傳送到上位機；上位機軟件通過處理場景的極半徑與裝置的空間六自由度位姿參數信息重建出場景的三維點云圖像。本發明克服了傳統測量方法表現出的數據生產周期長、數據生產成本高及人員不能到達的地方很難獲得有效數據等缺點，實現了室內室外的快速準確測圖，在城市規劃、事故現場重構、考古等領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01S17/89GK102508257SQ20111029541
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月27日 優先權日2011年9月27日
發明者張愛武, 朱林林, 胡少興, 陳春鵬 申請人:北京航空航天大學