一种无人机的激光雷达系统和无人机系统
阅读说明：本技术 一种无人机的激光雷达系统和无人机系统 (Unmanned aerial vehicle's laser radar system and unmanned aerial vehicle system ) 是由 赵曙栋 谭弘武 范亮星 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了一种无人机的激光雷达系统和无人机系统,该无人机的机载电源能够为机身设备和激光雷达系统提供电源信号；该激光雷达系统包括电源转换模块、同步信号产生模块、定姿定位模块、图像采集模块、激光测距模块和数据处理模块；且电源转换模块、同步信号产生模块、定姿定位模块、图像采集模块、激光测距模块和数据处理模块集成于一体,并安装于无人机的机身设备上。本发明实施例提供的激光雷达系统重量轻、体积小、运行效率高以及鲁棒性强。(The embodiment of the invention provides a laser radar system of an unmanned aerial vehicle and an unmanned aerial vehicle system, wherein an airborne power supply of the unmanned aerial vehicle can provide power supply signals for a machine body device and the laser radar system; the laser radar system comprises a power supply conversion module, a synchronous signal generation module, an attitude determination and positioning module, an image acquisition module, a laser ranging module and a data processing module; and power conversion module, synchronizing signal produce module, decide appearance orientation module, image acquisition module, laser rangefinder module and data processing module integration in an organic whole to install on unmanned aerial vehicle's fuselage equipment. The laser radar system provided by the embodiment of the invention has the advantages of light weight, small volume, high operation efficiency and strong robustness.)
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种无人机的激光雷达系统和无人机系统。
背景技术
随着自动化技术和LIDAR(Light Detection And Ranging，激光探测与测量)技术的发展，无人机机载激光雷达系统由于具有快速性、非接触性以及穿透性，而被广泛应用于数字电网、城市三维建模、数字水利、林业等各领域。
当前，应用于无机的机载激光雷达系统通常包括电源、激光扫描仪、数码相机、GPS定位仪、控制器和电源等，其体积较大，轻则几十公斤，重则上百公斤，这种机载激光雷达系统搭载于无人机时，会使增大无人机的负重量，从而具有较大的功耗，影响飞行参数，具有较大的测量误差。
发明内容
本发明实施例提供一种无人机的激光雷达系统和无人机系统，以具有较小的体积，降低功耗，提高飞行效率和测量精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种无人机的激光雷达系统，所述无人机至少包括机身设备和机载电源，所述机载电源用于为所述机身设备和所述激光雷达系统提供电源信号；所述激光雷达系统包括：电源转换模块、同步信号产生模块、定姿定位模块、图像采集模块、激光测距模块和数据处理模块；
所述电源转换模块用于接收所述机载电源提供的电源信号，并将所述电源信号分配给所述同步信号产生模块、所述定姿定位模块、所述图像采集模块、所述激光测距模块和所述数据处理模块；
所述同步信号产生模块用于在接收到所述电源转换模块分配的电源信号时，产生同步信号，并发送至所述定姿定位模块、所述图像采集模块和所述激光测距模块，以使所述定姿定位模块、所述图像采集模块以及所述激光测距模块同步运行；
所述定姿定位模块用于实时获取目标区域中各个位置点的定位信息和姿态信息，并发送至所述数据处理模块；
所述图像采集模块用于实时采集所述目标区域中各个位置点的影像色彩数据，并发送至所述数据处理模块；
所述激光测距模块用于实时获取所述目标区域中相邻两个位置点的距离信息，并发送至所述数据处理模块；
所述数据处理模块用于存储所述定位信息和姿态信息、所述影像色彩数据以及所述距离信息，并对所述定位信息和姿态信息、所述影像色彩数据以及所述距离信息进行初步处理，以获得三维点云数据集；
其中，所述电源转换模块、所述同步信号产生模块、所述定姿定位模块、所述图像采集模块、所述激光测距模块和所述数据处理模块集成于一体，并安装于所述机身设备上。
可选的，所述数据处理模块包括主处理器和通讯单元；
所述主处理器通过所述通讯单元分别与所述电源转换模块、所述定姿定位模块、所述图像采集模块、所述激光测距模块以及外部模块进行通信；
所述通讯单元包括RS232收发器、通用异步收发传输器、无线传输器、通用输入/输出口、HDMI接口、网口、USB集线器和USB接口中的至少三种。
可选的，所述主处理器包括IMX6芯片。
可选的，所述激光测距模块包括多线激光测距传感器；
所述多线激光测距传感器的测距范围L为：1m≤L≤200m；所述多线激光测距传感器的测距精度ΔL为：ΔL＜3cm。
可选的，所述同步信号产生模块集成于所述电源转换模块内。
可选的，定姿定位模块包括惯性陀螺仪和GPS定位仪。
可选的，所述图像采集模块包括摄像头。
可选的，所述激光雷达系统还包括：壳体；
所述电源转换模块、所述同步信号产生模块、所述定姿定位模块、所述激光测距模块和所述数据处理模块位于所述壳体内；
所述摄像头位于所述壳体外，且所述摄像头与所述壳体活动连接。
可选的，所述激光雷达系统还包括：电源检测模块；
所述电源检测模块用于检测所述机载电源的剩余电量；
所述电源检测模块与所述电源转换模块、所述同步信号产生模块、所述定姿定位模块、所述图像采集模块、所述激光测距模块和所述数据处理模块集成于一体。
可选的，所述激光雷达系统还包括：人机操作模块；
所述人机操作模块用于接收基站的参考数据和所述三维点云数据集，并结合所述参考数据和所述三维点云数据集进行点云赋色，获得彩色三维点云数据。
第二方面，本发明实施例还提供了一种无人机系统，包括：无人机和上述无人机的激光雷达系统。
本发明实施例提供的一种无人机的激光雷达系统和无人机系统，通过无人机的机载电源为无人机的机身设备和激光雷达系统提供电源，以无需在激光雷达系统额外设置电池电源，从而能够减小激光雷达系统的体积和重量，降低无人机的载重量，进而降低整体的功耗，提高飞行效率。同时，激光雷达系统的电源转换模块能够将机载电源转换为其它各模块的供电电压，以使其它各模块能够稳定运行；激光雷达系统的同步信号产生模块能够向定姿定位模块、图像采集模块和激光测距模块发送同步信号，以使定姿定位模块、图像采集模块以及激光测距模块能够同时运行，以使数据处理模块能够结合激光测距模块、定姿定位模块和图像采集模块发送的信号，获得三维点云数据集，从而提高三维点云数据集的精度，进而提高测量和扫描精度，使得激光雷达系统具有较强的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种激光雷达系统的数据处理模块的结构框图；
图3是本发明实施例提供的又一种激光雷达系统的结构框图；
图4是本发明实施例提供的又一种激光雷达系统的结构框图；
图5是本发明实施例提供的又一种激光雷达系统的结构框图；
图6是本发明实施例提供的一种无人机系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
本发明实施例提供了一种无人机的激光雷达系统，该激光雷达系统能够对目标区域进行扫描，绘制成三维立体图形，可以用于电力巡线中，对安全距离不足的隐患点进行查找。该激光雷达系统能够应用于无人机上，该无人机至少包括机身设备和机载电源。图1是本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图。如图1所示，激光雷达系统100包括电源转换模块30、同步信号产生模块40、定姿定位模块50、图像采集模块60、激光测距模块70和数据处理模块80；无人机200的机载电源20能够为无人机200的机身设备10和激光雷达系统100提供电源信号。
电源转换模块30用于接收无人机200的机载电源20提供的电源信号，并将该电源信号分配给同步信号产生模块40、定姿定位模块50、图像采集模块60、激光测距模块70和数据处理模块80；同步信号40产生模块用于在接收到电源转换模块30分配的电源信号时，产生同步信号，并发送至定姿定位模块50、图像采集模块60和激光测距模块70，以使定姿定位模块50、图像采集模块60以及激光测距模块70同步运行；定姿定位模块50用于实时获取目标区域中各个位置点的定位信息和姿态信息，并发送至数据处理模块80；图像采集模块60用于实时采集目标区域中各个位置点的影像色彩数据，并发送至数据处理模块80；激光测距模块70用于实时获取目标区域中相邻两个位置点的距离信息，并发送至数据处理模块80；数据处理模块80用于存储定位信息和姿态信息、影像色彩数据以及距离信息，并对定位信息和姿态信息、影像色彩数据以及距离信息进行初步处理，以获得三维点云数据集；其中，电源转换模块30、同步信号产生模块40、定姿定位模块50、图像采集模块60、激光测距模块70和数据处理模块80集成于一体，并安装于机身设备10上。
具体的，无人机200飞行过程中需要机载电源20为无人机200的机身设备10提供电源信号，以使机身设备10能够正常运行，该机身设备10例如可以为无人机200的飞行平台。在对电力巡线、建筑测量等过程中，无人机200可协助激光雷达系统100完成对目标区域的扫描，此时，可将激光雷达系统100设置在无机人200的机身设备10上。激光雷达系统100对目标区域进行扫描时需要相应的供电电源，若在激光雷达系统100中设置电池电源，这将会增大激光雷达系统的体积，同时还会增加激光雷达系统100的重量，这将影响无人机200的飞行效率。通过无人机200的机载电源20为激光雷达系统100提供电源信号，并在激光雷达系统100中设置电源转换模块30，可由该电源转换模块30对机载电源20提供的电源电压进行转换，以能够使机载电源20提供的电源电压通过电源转换模块30进行稳压和变压转换后，满足激光雷达系统100中的同步信号产生模块40、定姿定位模块50、图像采集模块60、激光测距模块70和数据处理模块80的电源需求。如此，激光雷达系统100中无需再设置电池电源，从而能够减轻激光雷达系统100的重量，减小激光雷达系统100的体积，进而降低无人机200的机身设备负载量，有利于提高无人机200的飞行效率。
同时，激光雷达系统中还设置有同步信号产生模块40，该同步信号产生模块40能够在接收到电源转换模块30提供的电源信号时，分别向定姿定位模块50、图像采集模块60以及激光测距模块70发送同步信号，以使定姿定位模块50、图像采集模块60以及激光测距模块70能够同步运行。如此，定姿定位模块50获取的定位信息和姿态信息、图像采集模块60采集的影像色彩数据以及激光测距模块70获取的目标区域中相邻两个位置点的距离信息能够实时同步，使得定位信息和姿态信息、影像色彩数据以及目标区域中相邻两个位置点的距离信息能够具有更高的匹配度，从而提高数据处理模块80获取的三维点云数据集的准确度，进而能够提高激光雷达系统100测量和扫描的准确度，使得激光雷达系统100具有较强的鲁棒性。
可选的，图2是本发明实施例提供的一种激光雷达系统的数据处理模块的结构框图。结合图1和图2，数据处理模块80包括主处理器81和通讯单元82；该主处理器81通过通讯单元82分别与电源转换模块30、定姿定位模块50、图像采集模块60、激光测距模块70以及外部模块(图中未示出)进行通信；该通讯单元82包括RS232收发器、通用异步收发传输器、无线传输器、通用输入/输出口、HDMI接口、网口、USB集线器和USB接口中的至少三种。如此，该数据处理模块80能够具有更高的兼容性，进一步增强激光雷达系统100的鲁棒性。
其中，数据处理模块80的主处理器81可以包括IMX6芯片。该IMX6芯片为工业级的芯片，支持内置LORA收发器和外置数传电台，能够通过4G、SATA、USB、RS232、网口等接口与其它模块或设备之间进行数据传输，具有较高的兼容性。
可选的，继续参考图1，激光雷达系统100的激光测距模块70可以包括多线激光测距传感器。该多线激光测距传感器的测距范围L为：1m≤L≤200m；该多线激光测距传感器的测距精度ΔL为：ΔL＜3cm。
示例性的，多线激光测距传感器例如可以为Quanergy M8激光雷达，该激光雷达具有较高的稳定性，较轻的重量和较小的体积，从而能够进一步提高激光雷达系统的稳定性，减轻激光雷达系统100的重量，减小激光雷达系统100的体积。该多线激光测距传感器的技术参数可如表1所示。
表1多线激光测距传感器的技术参数表
由上表可知，该多线激光测距传感器具有较高的测距精度和安全风机，可在负载环境中稳定运行，同时具有较小的体积、较轻的重量和较低的功耗。该多线激光测距传感器还具有较广的扫描范围，并能够快速传输所获取的数据，且在进行数据传输时具有较高的兼容性。
可选的，图3是本发明实施例提供的又一种激光雷达系统的结构框图。如图3所示，激光雷达系统100的同步信号产生模块40集成于电源转换模块30内。如此，无需额外设置同步信号产生模块40，简化激光雷达系统得及结构，且在电源转换模块30提供电源信号时，能够同步向定姿定位模块50、图像采集模块60和激光测距模块70发送同步运行的同步信号，以使定姿定位模块50、图像采集模块60和激光测距模块70能够快速启动，并同步运行，提高激光雷达系统的扫描效率。
可选的，继续参考图3，定姿定位模块50包括惯性陀螺仪51和GPS定位仪52。其中，惯性陀螺仪51通过其定轴性和逆动性的特点，确定当前无人机200和激光雷达系统100所处的姿态。GPS定位仪能够通过GPS定位功能，确定当前的位置坐标。如此，在激光雷达系统100对目标区域进行扫描时，能够通过定姿定位模块50包括惯性陀螺仪51和GPS定位仪52分别获知当前所处的姿态和位置坐标，以防丢失航向。
可选的，图4是本发明实施例提供的又一种激光雷达系统的结构框图。如图4所示，激光雷达系统100的图像采集模块60包括摄像头。该摄像头用于采集目标区域各个位置点的影像色彩数据，该影像色彩数据能够与其它数据结合进行点云赋色。
可选的，继续参考图4所示，激光雷达系统100还包括壳体101。电源转换模块30、同步信号产生模块40、定姿定位模块50、激光测距模块70和数据处理模块80位于壳体101内，而摄像头60也可固定安装于壳体101内。或者，摄像头60也可与壳体101活动连接，即摄像头60可外挂于壳体外，如此，在不需要摄像头60时，可将摄像头60拆下，从而减轻激光雷达系统100的重量，有利于提高无人机200的飞行效率。
可选的，图5是本发明实施例提供的又一种激光雷达系统的结构框图。如图5所示，激光雷达系统100还包括电源检测模块90；该电源检测模块90用于检测机载电源20的剩余电量；电源检测模块90与电源转换模块30、同步信号产生模块40、定姿定位模块50、图像采集模块60、激光测距模块70和数据处理模块80集成于一体。如此，电源检测模块90可在激光雷达系统100其它模块运行过程中能够对机载电源20的剩余电量进行实时检测，以防机载电源20的电量不足而影响激光雷达系统100对目标区域的扫描。
可选的，继续参考图5，激光雷达系统100还包括人机操作模块300；该人机操作模块300用于接收基站的参考数据和数据处理模块80获取的三维点云数据集，并结合参考数据和三维点云数据集进行点云赋色，获得彩色三维点云数据。
具体的，该人机操作模块300例如可以为计算机，该人机操作模块300与激光雷达系统100的其它模块并非是一体的，该人机操作模块300未安装于无人机200的机身设备10上。在无人机200携带激光雷达系统100对目标区域进行扫描时，地下基站同时会形成相应的参考数据，该参考数据可与激光雷达系统100的数据处理模块80经初步处理所得的三维点云数据集结合，通过人机操作模块300进行后处理，以获得更高精度的彩色三维点云数据。示例性的，下表2为人机操作模块300进行后处理的数据精度与其它数据精度的情况表。
表2人机操作模块进行后处理的数据精度与其它数据精度的情况表
由上表可知，经人机操作模块300进行后处理的平面定位精度相较于单点的平面定位精度提升了三个数量级，且相较于实时动态差分法(Real Time Kinematic，RTK)的平面定位精度提升了一个数量级；经人机操作模块300进行后处理的高程定位精度较于单点的高程定位精度提升了两个数量级，且相较于RTK的高程定位精度提升了一倍。同时，经人机操作模块300进行后处理的速度精度和姿态精度都较原来的单点和RTK的速度精度和姿态精度有所提高，从而能够进一步提高激光雷达系统的扫描精度。
本发明实施例还提供了一种无人机系统，该无人机系统包括无人机和本发明实施例提供的无人机的激光雷达系统，因此该无人机系统也具有本发明实施例提供的激光雷达系统所具有的有益效果，相同之处可参照上文理解，下文中不再赘述。
示例性的，图6是本发明实施例提供的一种无人机系统的结构框图。如6所示，无人机系统400的无人机200可包括机身设备和机载电源，该机载电源能够为无人机200的机身设备和激光雷达系统提供电源信号，以使机身设备和激光雷达系统能够稳定运行。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。