CN112197760A - 基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法 - Google Patents

基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法 Download PDF

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CN112197760A CN202011278569.6A CN202011278569A CN112197760A CN 112197760 A CN112197760 A CN 112197760A CN 202011278569 A CN202011278569 A CN 202011278569A CN 112197760 A CN112197760 A CN 112197760A
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徐强强
李若男
王巧凤
李士林
王鹏飞
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Abstract

本发明公开了基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法，测绘装置包含多旋翼无人机、安装在多旋翼无人机的顶端的机载GPS模块、设在多旋翼无人机的下方的自稳云台、在自稳云台的底部且竖直朝下的激光测距模块；自稳云台包括调平盘、伺服电机、固定盘，固定盘水平安装在多旋翼无人机的机架底部，调平盘位于固定盘下方，调平盘上安装有倾角传感器，在自稳云台上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；在固定盘上设有伺服电机，通过控制连杆机构确保调平盘处于水平工作状态，本发明利用自稳云台消除无人机测绘***作业时机体倾角的动态变化对激光测距模块的测量精度造成的影响，使得地形测绘作业更加便捷、高效、精确。

Description

基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法
技术领域
本发明涉及地形测绘技术领域，具体的说是基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法。
背景技术
以多旋翼无人机为载体，安装激光测距装置与高精度的全球定位***模块（GPS）进行地形测绘作业，可以方便、快捷、精准地获取地形数据。但是，多旋翼无人机的螺旋桨固定安装在浆盘平面内均匀分布的多个直流电机上，其高速旋转而产生的升力始终垂直于浆盘平面，故无人机的机体仅在竖直上升、竖直下降或定点悬停的过程中处于水平状态，而在其余阶段机体以倾斜姿态飞行。例如，当多旋翼无人机以一定的速度朝向某一方向飞行时，无人机的机体则以“前低后高”的倾斜姿态围绕一定的俯仰角度进行实时动态调整；当飞行速度或飞行方向改变时，无人机机体的倾斜角度大小及方向（俯仰角、横滚角与偏航角）相应地发生变化，反之亦然。另外，无人机测绘***飞行时不可避免地受到气流、横风、机械振动、负载扰动等多种因素影响，加剧了无人机的倾角变化，进而使得安装在无人机上的激光测距模块产生倾角偏差，严重影响地形测绘精度，为了改善地形测绘精度，通常采用在无人机机体上安装姿态传感器，待测绘作业完成后获取无人机倾斜角度的方法来修正激光测距值，如图三所示，其中d为多旋翼无人机倾斜一定角度时的无人机与地面点之间的距离测量值，dcorr为采用无人机姿态器数据、利用三角函数修正后的无人机与正下方地面点之间的真实距离值。该方法在地势起伏平缓的区域一定程度上可以改善地形测绘精度，但是在地面起伏急剧变化、凹凸点块密集的区域使用三角函数对激光测距值进行修正，反而会导致更大的***误差。因此，迫切需要一种装置和先进方法来消除因多旋翼无人机动态飞行倾角变化对地形测绘精度造成的影响。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置及方法，利用自稳云台消除多旋翼无人机测绘***作业时机体倾角的动态变化对激光测距模块的测量精度造成的影响，使得地形测绘作业更加便捷、高效、精确。
本发明通过以下技术方案来实现：
基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，包含多旋翼无人机、机载GPS模块、自稳云台、激光测距模块，所述机载GPS模块固定安装在多旋翼无人机的顶端，所述自稳云台设置在多旋翼无人机的下方，所述激光测距模块固定在自稳云台的底部，且竖直朝下发射并接收测距激光信号；
所述自稳云台包括调平盘、伺服电机、固定盘，所述固定盘水平安装在多旋翼无人机的机架底部，所述调平盘位于固定盘下方，所述调平盘上安装有倾角传感器，在自稳云台上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；
在固定盘上均匀设置有若干个伺服电机，在固定盘与调平盘之间设置有连杆机构，所述连杆机构包括铰接机构以及连杆，若干个伺服电机分别通过摇臂与连杆连接，所述连杆的另一端通过铰接机构与调平盘连接。
进一步的，所述激光测距模块竖直朝下固定在自稳云台的调平盘的底部。
进一步的，所述伺服电机的数量为3个，分别为电机A，电机B，电机C，且3个电机呈120°夹角中心对称分布在固定盘上。
基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，主要包括以下步骤：
步骤一、在测绘区域20千米范围内的任意地点设置GPS基站，采用GPS设备获取GPS基站的地理坐标（经度、维度和海拔高度），并以此坐标为基准，对安装在多旋翼无人机顶部的机载GPS模块的定位数据进行实时动态修正或进行后处理修正，获取多旋翼无人机地形测绘***的地理坐标序列
Figure 631088DEST_PATH_IMAGE001
,其中
Figure 633679DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 157064DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 259013DEST_PATH_IMAGE004
分别为多旋翼无人机地形测绘***的经度、维度和海拔高度；
步骤二、设定多旋翼无人机飞行路线，使得地面测量点具有不低于2米×2米的空间分辨率；
步骤三、在地面水平位置对多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正，确保调平盘处于水平工作状态；
步骤四、多旋翼无人机按照预先规划的飞行路径进行地形测绘作业，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，通过多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正，使得调平盘保持水平状态，使得激光测距模块的激光发射器及接收器竖直指向地面，此时激光测距模块按照10Hz的频率获取多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列
Figure 628202DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤五、从步骤一得到的多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标序列
Figure 168904DEST_PATH_IMAGE006
中提取海拔高度序列分量
Figure 546796DEST_PATH_IMAGE007
，由步骤四中得到的多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列
Figure 147542DEST_PATH_IMAGE008
，可得地面点的海拔高度
Figure 797835DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure 142228DEST_PATH_IMAGE010
为安装在多旋翼无人机顶部的GPS流动站天线与激光测距模块的激光发射与接收透镜之间高度差；
步骤六、使用步骤五中得到的地面点的海拔高度
Figure 374627DEST_PATH_IMAGE011
代替多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标
Figure 83957DEST_PATH_IMAGE012
中的海拔高度序列
Figure 34595DEST_PATH_IMAGE013
，即获取地面点的地理坐标序列
Figure 917100DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 269584DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 399083DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 837018DEST_PATH_IMAGE011
分别为地面点的经度、维度和海拔高度；
步骤七、根据地面点的经度值
Figure 523214DEST_PATH_IMAGE016
，选取对应的3°或6°带号，按照高斯-克吕格投影获取投影平面坐标
Figure 730205DEST_PATH_IMAGE017
，使用投影平面坐标
Figure 781337DEST_PATH_IMAGE018
代替地面点的地理坐标序列
Figure 706568DEST_PATH_IMAGE019
中的
Figure 930876DEST_PATH_IMAGE020
坐标，最终获得地面点的投影空间坐标
Figure 257952DEST_PATH_IMAGE021
，其中
Figure 463674DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 876201DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 904200DEST_PATH_IMAGE024
分别为地面点的东距坐标、北距坐标及海拔高度坐标；
步骤八、基于步骤七得到的地面点的投影空间坐标
Figure 23466DEST_PATH_IMAGE025
，采用空间插值算法，对海拔高度坐标
Figure 478718DEST_PATH_IMAGE026
进行空间插值，即生成所需的数字地形模型。
进一步的，所述步骤一中GPS设备为包括但不限于高精度实时动态差分（RTK）GPS设备。
进一步的，所述步骤四中多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正的调平控制方法为：
步骤a、沿固定盘平面内任意径向设定X轴及其正方向，沿固定盘平面内与既定X轴正方向逆时针旋转90°为Y轴正方向，按照右手法则确定Z轴正方向，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，外接单片机控制模块实时获取安装在自稳云台调平盘上的倾角传感器的读数，即得到无人机机体倾斜时自稳云台的俯仰角变化量（绕Y轴旋转角度）
Figure 112961DEST_PATH_IMAGE027
与横滚角变化量（绕X轴旋转角度）
Figure 679072DEST_PATH_IMAGE028
，得到自稳云台的调平运动学模型，其模型为：
Figure 980740DEST_PATH_IMAGE029
；
Figure 796774DEST_PATH_IMAGE030
；
Figure 918314DEST_PATH_IMAGE031
；
其中
Figure 288115DEST_PATH_IMAGE032
为电机A输出轴的旋转角度，
Figure 444290DEST_PATH_IMAGE033
为电机B输出轴的旋转角度，
Figure 179028DEST_PATH_IMAGE034
为电机C输出轴的旋转角度，
Figure 787864DEST_PATH_IMAGE035
为电机输出轴位置比例常数，
Figure 695777DEST_PATH_IMAGE036
为自稳云台处于初始水平状态时固定盘与调平盘之间的原始行程；
步骤b、根据步骤a得到的自稳云台的调平运动学模型，外接单片机控制模块采用PID控制算法分别调节3个电机的输出轴旋转角度
Figure 706458DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 861365DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 957497DEST_PATH_IMAGE039
，进而通过对应的摇臂带动连杆运动，动态补偿调平盘的倾角变化，使得调平盘保持水平状态。
进一步的，所述步骤b 中PID控制算法为：
Figure 669101DEST_PATH_IMAGE040
；
其中：
Figure 534289DEST_PATH_IMAGE041
为电机输出轴旋转角度；
Figure 610829DEST_PATH_IMAGE042
为PID控制算法的比例控制系数；
Figure 194257DEST_PATH_IMAGE043
为本次调整的角度偏差；
Figure 709552DEST_PATH_IMAGE044
为PID控制算法的积分控制系数；
Figure 429247DEST_PATH_IMAGE045
为角度偏差的累积（k=1,2，…）；
Figure 739005DEST_PATH_IMAGE046
为PID控制算法的差分控制系数；
Figure 996680DEST_PATH_IMAGE047
为调整前的角度偏差。
进一步的，所述步骤八中空间插值算法包括但不局限于样条曲线空间插值算法、克里金空间插值算法、反距离权重空间插值算法、不规则三角网空间插值算法。
本发明的有益效果在于：
（1）与基于航空摄影测量的无人机地形测绘方式相比较，本发明基于激光测距的无人机地形测绘方式可直接获取作业区域的点云数据，不需要空中三角解算、测量地面控制点坐标等繁琐的作业流程，具有效率高、成本低的优势；
（2）与航拍无人机的嵌入式一体化三轴自稳云台相比较，本发明设计基于“伺服电机+摇臂连杆机构”的自稳云台具有承重能力强、拆卸方便、同时搭载多种传感器的优点；
（3）与传统的基于激光雷达或激光测距仪的、利用无人机的姿态信息、通过三角函数对测绘结果进行后期修正的方式相比较，本发明基于激光测距与自稳云台的无人机地形测绘方式能够消除多旋翼无人机在飞行过程中的倾角变化对地形测绘精度的影响，可显著提高地势急剧起伏区域的测绘精度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的自稳云台的结构示意图；
图3是现有技术的一种无人机地形测绘方法；
图4是本发明的多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间高度的示意图；
附图标记：1、多旋翼无人机，2、机载GPS模块，3、自稳云台，4、激光测距模块，5、倾角传感器，6、调平盘，7、铰接机构，8、连杆，9、摇臂，10、伺服电机，11、固定盘。
具体实施方式
下面根据附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如附图所示，基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，包含多旋翼无人机1、机载GPS模块2、自稳云台3、激光测距模块4，所述机载GPS模块2固定安装在多旋翼无人机1的顶端，所述自稳云台3设置在多旋翼无人机1的下方；
所述自稳云台3包括调平盘6、伺服电机10、固定盘11，所述固定盘11水平安装在多旋翼无人机1的机架底部，所述调平盘6位于固定盘11下方，所述激光测距模块4竖直朝下固定在自稳云台3的调平盘6的底部，用于发射并接收测距激光信号；所述调平盘6上安装有倾角传感器5，在自稳云台3上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；
在固定盘11上均匀设置有若干个伺服电机10，在固定盘11与调平盘6之间设置有连杆机构，所述连杆机构包括铰接机构7以及连杆8，若干个伺服电机10分别通过摇臂9与连杆8连接，所述连杆8的另一端通过铰接机构7与调平盘6连接，所述伺服电机10的数量为3个，分别为电机A，电机B，电机C，且3个电机呈120°夹角中心对称分布在固定盘11上。
基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，主要包括以下步骤：
步骤一、在测绘区域20千米范围内的任意地点设置GPS基站，采用包括但不限于高精度实时动态差分（RTK）GPS设备获取GPS基站的地理坐标（经度、维度和海拔高度），并以此坐标为基准，对安装在多旋翼无人机顶部的机载GPS模块2的定位数据进行实时动态修正或进行后处理修正，获取多旋翼无人机地形测绘***的地理坐标序列
Figure 50087DEST_PATH_IMAGE048
,其中
Figure 889867DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 370527DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 866230DEST_PATH_IMAGE051
分别为多旋翼无人机地形测绘***的经度、维度和海拔高度；
步骤二、设定多旋翼无人机飞行路线，使得地面测量点具有不低于2米×2米的空间分辨率；
步骤三、在地面水平位置对多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正，确保调平盘6处于水平工作状态；
步骤四、多旋翼无人机按照预先规划的飞行路径进行地形测绘作业，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，通过多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正，使得调平盘不受多旋翼无人机机体倾斜的影响，始终保持水平状态，激光测距模块固定安装在自稳云台的调平盘上，使得激光测距模块4的激光发射器及接收器竖直指向地面，此时激光测距模块4按照10Hz的频率获取多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列
Figure 457748DEST_PATH_IMAGE052
，如图4所示；
进一步的，所述步骤四中多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正的调平控制方法为：
步骤a、沿固定盘11平面内任意径向设定X轴及其正方向，沿固定盘11平面内与既定X轴正方向逆时针旋转90°为Y轴正方向，按照右手法则确定Z轴正方向，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，外接单片机控制模块实时获取安装在自稳云台调平盘上的倾角传感器5的读数，即得到无人机机体倾斜时自稳云台的俯仰角变化量（绕Y轴旋转角度）
Figure 152035DEST_PATH_IMAGE053
与横滚角变化量（绕X轴旋转角度）
Figure 69175DEST_PATH_IMAGE054
，得到自稳云台的调平运动学模型，其模型为：
Figure 35863DEST_PATH_IMAGE055
；
Figure 431072DEST_PATH_IMAGE056
；
Figure 245445DEST_PATH_IMAGE057
；
其中
Figure 67907DEST_PATH_IMAGE058
为电机A输出轴的旋转角度，
Figure 272624DEST_PATH_IMAGE059
为电机B输出轴的旋转角度，
Figure 471524DEST_PATH_IMAGE060
为电机C输出轴的旋转角度，
Figure 140402DEST_PATH_IMAGE061
为电机输出轴位置比例常数，
Figure 133766DEST_PATH_IMAGE062
为自稳云台处于初始水平状态时固定盘与调平盘之间的原始行程；
步骤b、单片机控制模块基于调平盘的倾角传感器读数，根据步骤a得到的自稳云台的调平运动学模型，外接单片机控制模块采用PID控制算法分别调节3个电机的输出轴旋转角度
Figure 888096DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 826707DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 350092DEST_PATH_IMAGE039
，进而通过对应的摇臂带动连杆运动，动态补偿调平盘的倾角变化，使得调平盘保持水平状态。
进一步的，所述步骤b 中PID控制算法为：
Figure 779936DEST_PATH_IMAGE065
；
其中：
Figure 21562DEST_PATH_IMAGE066
为电机输出轴旋转角度；
Figure 234368DEST_PATH_IMAGE067
为PID控制算法的比例控制系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为本次调整的角度偏差；
Figure 877839DEST_PATH_IMAGE069
为PID控制算法的积分控制系数；
Figure 213006DEST_PATH_IMAGE070
为角度偏差的累积（k=1,2，…）；
Figure 128878DEST_PATH_IMAGE071
为PID控制算法的差分控制系数；
Figure 207692DEST_PATH_IMAGE072
为调整前的角度偏差。
步骤五、从步骤一得到的多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标序列
Figure 705670DEST_PATH_IMAGE073
中提取海拔高度序列分量
Figure 477317DEST_PATH_IMAGE007
，由步骤四中得到的多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列
Figure 427955DEST_PATH_IMAGE074
，可得地面点的海拔高度
Figure 248144DEST_PATH_IMAGE075
；
其中，
Figure 600628DEST_PATH_IMAGE076
为安装在多旋翼无人机顶部的GPS流动站天线与激光测距模块的激光发射与接收透镜之间高度差；
步骤六、使用步骤五中得到的地面点的海拔高度
Figure 543176DEST_PATH_IMAGE011
代替多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标
Figure 981110DEST_PATH_IMAGE048
中的海拔高度序列
Figure 588678DEST_PATH_IMAGE077
，即获取地面点的地理坐标序列
Figure 61248DEST_PATH_IMAGE078
，其中
Figure 174697DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 99928DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 261919DEST_PATH_IMAGE011
分别为地面点的经度、维度和海拔高度；
步骤七、根据地面点的经度值
Figure 323416DEST_PATH_IMAGE016
，选取对应的3°或6°带号，按照高斯-克吕格投影获取投影平面坐标
Figure 607767DEST_PATH_IMAGE079
，使用投影平面坐标
Figure 20294DEST_PATH_IMAGE080
代替地面点的地理坐标序列
Figure 235243DEST_PATH_IMAGE081
中的
Figure 416826DEST_PATH_IMAGE082
坐标，最终获得地面点的投影空间坐标
Figure 606499DEST_PATH_IMAGE083
，其中
Figure 506321DEST_PATH_IMAGE084
，
Figure 72432DEST_PATH_IMAGE085
，
Figure 311783DEST_PATH_IMAGE086
分别为地面点的东距坐标、北距坐标及海拔高度坐标；
步骤八、基于步骤七得到的地面点的投影空间坐标
Figure 672358DEST_PATH_IMAGE087
，采用空间插值算法，对海拔高度坐标
Figure 59477DEST_PATH_IMAGE088
进行空间插值，即生成所需的数字地形模型，其中空间插值算法包括但不局限于样条曲线空间插值算法、克里金空间插值算法、反距离权重空间插值算法、不规则三角网空间插值算法。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，其特征在于：包含多旋翼无人机（1）、机载GPS模块（2）、自稳云台（3）、激光测距模块（4），所述机载GPS模块（2）固定安装在多旋翼无人机（1）的顶端，所述自稳云台（3）设置在多旋翼无人机（1）的下方，所述激光测距模块（4）固定在自稳云台（3）的底部，且竖直朝下发射并接收测距激光信号；
所述自稳云台（3）包括调平盘（6）、伺服电机（10）、固定盘（11），所述固定盘（11）水平安装在多旋翼无人机（1）的机架底部，所述调平盘（6）位于固定盘（11）下方，所述调平盘（6）上安装有倾角传感器（5），在自稳云台（3）上还设置有用于读取倾角传感器数据的外接单片机控制模块；
在固定盘（11）上均匀设置有若干个伺服电机（10），在固定盘（11）与调平盘（6）之间设置有连杆机构，所述连杆机构包括铰接机构（7）以及连杆（8），若干个伺服电机（10）分别通过摇臂（9）与连杆（8）连接，所述连杆（8）的另一端通过铰接机构（7）与调平盘（6）连接。
2.根据权利要求1所述的基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，其特征在于：所述激光测距模块（4）竖直朝下固定在自稳云台（3）的调平盘（6）的底部。
3.根据权利要求1所述的基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置，其特征在于：所述伺服电机（10）的数量为3个，分别为电机A，电机B，电机C，且3个电机呈120°夹角中心对称分布在固定盘（11）上。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
步骤一、在测绘区域20千米范围内的任意地点设置GPS基站，采用GPS设备获取GPS基站的地理坐标（经度、维度和海拔高度），并以此坐标为基准，对安装在多旋翼无人机顶部的机载GPS模块（2）的定位数据进行实时动态修正或进行后处理修正，获取多旋翼无人机地形测绘***的地理坐标序列
Figure 812444DEST_PATH_IMAGE001
,其中
Figure 122203DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 192927DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 433285DEST_PATH_IMAGE004
分别为多旋翼无人机地形测绘***的经度、维度和海拔高度；
步骤二、设定多旋翼无人机飞行路线，使得地面测量点具有不低于2米×2米的空间分辨率；
步骤三、在地面水平位置对多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正，确保调平盘（6）处于水平工作状态；
步骤四、多旋翼无人机按照预先规划的飞行路径进行地形测绘作业，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，通过多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正，使得调平盘保持水平状态，使得激光测距模块（4）的激光发射器及接收器竖直指向地面，此时激光测距模块（4）按照10Hz的频率获取多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列
Figure 273065DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤五、从步骤一得到的多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标序列
Figure 753724DEST_PATH_IMAGE001
中提取海拔高度序列分量
Figure 46166DEST_PATH_IMAGE006
，由步骤四中得到的多旋翼无人机地形测绘装置与其正下方地面点之间的距离序列
Figure 903263DEST_PATH_IMAGE007
，可得地面点的海拔高度
Figure 535233DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，
Figure 186794DEST_PATH_IMAGE009
为安装在多旋翼无人机顶部的GPS流动站天线与激光测距模块的激光发射与接收透镜之间高度差；
步骤六、使用步骤五中得到的地面点的海拔高度
Figure 232110DEST_PATH_IMAGE010
代替多旋翼无人机地形测绘装置的地理坐标
Figure 627320DEST_PATH_IMAGE001
中的海拔高度序列
Figure 363063DEST_PATH_IMAGE011
，即获取地面点的地理坐标序列
Figure 451105DEST_PATH_IMAGE012
，其中
Figure 718138DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 854722DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 258021DEST_PATH_IMAGE010
分别为地面点的经度、维度和海拔高度；
步骤七、根据地面点的经度值
Figure 516964DEST_PATH_IMAGE002
，选取对应的3°或6°带号，按照高斯-克吕格投影获取投影平面坐标
Figure 271293DEST_PATH_IMAGE013
，使用投影平面坐标
Figure 198186DEST_PATH_IMAGE013
代替地面点的地理坐标序列
Figure 721571DEST_PATH_IMAGE012
中的
Figure 151415DEST_PATH_IMAGE014
坐标，最终获得地面点的投影空间坐标
Figure 127461DEST_PATH_IMAGE015
，其中
Figure 605847DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 249318DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 584485DEST_PATH_IMAGE018
分别为地面点的东距坐标、北距坐标及海拔高度坐标；
步骤八、基于步骤七得到的地面点的投影空间坐标
Figure 313406DEST_PATH_IMAGE015
，采用空间插值算法，对海拔高度坐标
Figure 579171DEST_PATH_IMAGE018
进行空间插值，即生成所需的数字地形模型。
5.根据权利要求4所述的基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，其特征在于：所述步骤一中GPS设备为包括但不限于高精度实时动态差分（RTK）GPS设备。
6.根据权利要求4所述的基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的测绘方法，其特征在于：所述步骤四中多旋翼无人机地形测绘***的自稳云台进行水平校正的调平控制方法为：
步骤a、沿固定盘（11）平面内任意径向设定X轴及其正方向，沿固定盘（11）平面内与既定X轴正方向逆时针旋转90°为Y轴正方向，按照右手法则确定Z轴正方向，在飞行过程中，无人机机体的自身倾角不断变化，外接单片机控制模块实时获取安装在自稳云台调平盘上的倾角传感器（5）的读数，即得到无人机机体倾斜时自稳云台的俯仰角变化量（绕Y轴旋转角度）
Figure DEST_PATH_IMAGE019
与横滚角变化量（绕X轴旋转角度）
Figure 77149DEST_PATH_IMAGE020
，得到自稳云台的调平运动学模型，其模型为：
Figure 583217DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 737117DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 619623DEST_PATH_IMAGE023
；
其中
Figure 972107DEST_PATH_IMAGE024
为电机A输出轴的旋转角度，
Figure 914655DEST_PATH_IMAGE025
为电机B输出轴的旋转角度，
Figure 539540DEST_PATH_IMAGE026
为电机C输出轴的旋转角度，
Figure 960157DEST_PATH_IMAGE027
为电机输出轴位置比例常数，
Figure 432727DEST_PATH_IMAGE028
为自稳云台处于初始水平状态时固定盘与调平盘之间的原始行程；
步骤b、根据步骤a得到的自稳云台的调平运动学模型，外接单片机控制模块采用PID控制算法分别调节3个电机的输出轴旋转角度
Figure 280597DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 143511DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 367819DEST_PATH_IMAGE026
，进而通过对应的摇臂带动连杆运动，动态补偿调平盘的倾角变化，使得调平盘保持水平状态。
7.根据权利要求6所述的基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的使用方法，其特征在于：所述步骤b 中PID控制算法为：
Figure 694895DEST_PATH_IMAGE029
；
其中：
Figure 979246DEST_PATH_IMAGE030
为电机输出轴旋转角度；
Figure 578723DEST_PATH_IMAGE031
为PID控制算法的比例控制系数；
Figure 341143DEST_PATH_IMAGE032
为本次调整的角度偏差；
Figure 460409DEST_PATH_IMAGE033
为PID控制算法的积分控制系数；
Figure 915661DEST_PATH_IMAGE034
为角度偏差的累积（k=1,2，…）；
Figure 815484DEST_PATH_IMAGE035
为PID控制算法的差分控制系数；
Figure 381594DEST_PATH_IMAGE036
为调整前的角度偏差。
8.根据权利要求4所述的基于激光测距和自稳云台的无人机地形测绘装置的使用方法，其特征在于：所述步骤八中空间插值算法包括但不局限于样条曲线空间插值算法、克里金空间插值算法、反距离权重空间插值算法、不规则三角网空间插值算法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113157005A (zh) * 2021-04-22 2021-07-23 中煤科工集团重庆研究院有限公司 用于隧道断面变形监测的旋转云台及其控制***
CN113311461A (zh) * 2021-05-31 2021-08-27 自然资源部第三海洋研究所 一种自稳测距辅助的rtk数据采集***及其测量方法
CN114323145A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 华南农业大学 一种基于多传感器信息融合的果园地形建模方法及***
CN115574789A (zh) * 2022-09-07 2023-01-06 中交第二航务工程局有限公司 空中rtk悬停对地目标激光测量装置及方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113157005A (zh) * 2021-04-22 2021-07-23 中煤科工集团重庆研究院有限公司 用于隧道断面变形监测的旋转云台及其控制***
CN113311461A (zh) * 2021-05-31 2021-08-27 自然资源部第三海洋研究所 一种自稳测距辅助的rtk数据采集***及其测量方法
CN114323145A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 华南农业大学 一种基于多传感器信息融合的果园地形建模方法及***
CN115574789A (zh) * 2022-09-07 2023-01-06 中交第二航务工程局有限公司 空中rtk悬停对地目标激光测量装置及方法
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