[发明专利]小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统及方法

权利要求书

1.一种小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，包括负责各传感器数据的正确采集、对传感器数据进行同步处理以及无人直升机的导航控制，并通过无线收发设备实现与地面站系统数据交互的机载系统，和用于接收和处理来自机载激光雷达硬件系统的数据，或离线查看和处理数据文件的地面站系统，所述机载系统由协处理器模块和主处理器模块组成；所述协处理器模块用于采集系统的姿态数据和位置数据，以及实现对机载系统的导航控制，所述的主处理器模块用于采集协处理器模块与激光传感器的信号，并实现通过无线收发设备转发数据；所述的地面站系统实现与机载系统通信，接受来自机载系统的数据，并发送控制指令给机载系统，此外，地面站系统还实现了三维成图显示、数据编辑、数据滤波以及数据格式转换。

2.根据权利要求1所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述协处理器模块包括CPU处理器，与处理器信号连接的电子罗盘、IMU、GPS差分板以及通道舵机。

3.根据权利要求1所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述主处理器模块包括双核CPU处理器，与CPU处理器连接的协处理器模块，与CPU处理器模块连接的无线收发模块，通过USB转RS442与CPU处理器连接的激光扫描仪。

4.根据权利要求1所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述机载平台的处理器系统采用三层结构搭建，底层是协处理器电路板，实现数据采集和向上层传输；中间层是一个连接板，实现上下层数据的通讯桥梁；顶层是一个主处理器电路板，实现数据的同步设计和数据转发。

5.根据权利要求1所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统，其特征在于，所述地面站系统包括便携式计算机服务器和无线通信设备。

6.根据权利要求1所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法，其特征在于，还包括供电装置，所述供电装置为两个锂电池，根据需要分压到提供12V、9V、5V及3.3V的四种电压。

7.根据权利要求1所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘系统的测绘方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、协处理器模块采集传感器的数据，为了得到机载系统的正确状态，在对多传感器系统进行数据融合处理前，需要保证不同传感器数据的同步性，即要求各个传感器的数据在进行三维点云数据解算时是同一时刻的，协处理器模块不断主动通过SPI口采集IMU的数据，在一次协处理器模块CPU更新周期里面多次采样IMU数据，保证发送给主处理器模块的IMU数据是最新的；

S2、协处理器模块在将采集到的传感器数据打包成一个自定义的字符形式数据包，并将该数据包传给主处理器的模块，协处理器的数据包包括HMR3000航向角、IMU三轴角速度、IMU三轴加速度、GPS模式和GPS星数信息；

S3、主处理器模块采集协处理器模块和激光传感器的数据，分别对两种数据加入时间属性的标记，并通过无线收发模块把数据转发到地面站系统；

S4、地面站系统收到两种数据后保存数据，对于协处理器模块的数据进行扩展卡尔曼数据融合算法实现，选取小型无人直升机的非线性导航模型的系统在导航坐标系中的3个位置信息(x,y,z)，3个速度信息(u，v，w)，用四元数描述的机载系统姿态信息(q₀,q₁,q₂,q₃)和当地重力加速度g作为系统的状态向量；选取3个位置信息(x,y,z)，3个速度信息(u,v,w)，三个用欧拉角表示的机载系统姿态信息θ,ψ)作为系统的观测向量；

S5、地面站系统利用卡尔曼数据融合后的姿态和位置信息，联合激光测距仪的测距信息进行三维解算，得到三维点云数据。

8.根据权利要求7所述的小型无人直升机超低空激光雷达数字地形测绘方法，其特征在于，步骤S1中，保证数据实时性和同步性的具体方法是：GPS差分板和电子罗盘采用中断方式，有数据更新就产生中断，然后协处理器模块更新数据和各自的数据更新标志位，这样主处理器可以通过判断标志位来判断此时协处理器模块传来的GPS差分板或电子罗盘数据是不是最新的，这样数据到达主处理器模块的时间延迟就近似只有协处理器串口传送数据的时间，在主处理器模块的数据接收时刻减去这个时间就可以实现数据的同步性。