一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统

1.本发明涉及土方作业量计算技术领域，特别涉及一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统。


背景技术：

2.机载激光雷达测量技术是一种主动式的空对地观测技术，系统集成全球定位系统(gnss)、惯性导航系统、激光测距系统、数码相机等设备，利用主动返回脉冲获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，通过被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理生成逐个地面采样点的三维坐标与成像结果。
3.与传统遥感测量技术相比较，机载激光雷达系统具有作业流程简单、采集数据精度高、外业布设控制点少、受天气以及当地地理环境影响小等优点。由激光雷达系统发射的脉冲信号可以通过植被的树冠到达地面，使其能够很好地被用在植被覆盖程度相对较大的地区，技术应用范围更加广泛。
4.机载激光雷达测量系统是通过无人机或者飞行器搭载激光雷达进行作业的，在设备组装后，需要对激光雷达的初始状态进行调试，以便于使设备处于最佳的采集状态，有利于采集到更为准确的地形数据，因此，设备之间的适配性尤为重要，而目前多是采用固定式的机载挂架将激光雷达安装于无人机挂架上，在设备装配过程中，对于初始状态参数的调试比较困难，为此，我们提出一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，可以有效解决背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，包括系统工作平台、机载激光雷达、高精度定位定姿系统pos、避震挂架和rtk基站，所述系统工作平台搭载机载激光雷达对规划的土方作业区域进行扫描测绘，采集实时动态高精度点云数据，所述rtk基站同步接收卫星信息，获取基站数据，并结合机载激光雷达获取的雷达数据和高精度定位定姿系统pos获取的pos数据进行差分解算，实现点云数据的精准定位，所述避震挂架用于连接系统工作平台和机载激光雷达，包括上连接组件、姿态调节组件、避震组件和下连接组件，所述上连接组件一端与系统工作平台连接，另一端与姿态调节组件连接，所述姿态调节组件另一端与避震组件连接，所述避震组件另一端与下连接组件连接，所述下连接组件另一端与机载激光雷达固定连接。
8.进一步的，所述上连接组件包括连杆、卡接部、安装部和滑动件，所述连杆一端与卡接部固定连接，另一端与安装部固定连接，所述卡接部与系统工作平台的搭载挂架相卡合，所述安装部内部设有滑槽，所述滑动件安装于滑槽内部，所述滑动件包括滑块和旋紧手柄，所述滑块通过螺纹与旋紧手柄连接，且安装部夹紧在滑块与旋紧手柄中间。
9.进一步的，所述姿态调节组件包括上螺柱、套筒件、下螺柱、限位件、调节筒和球头杆，所述套筒件一端通过螺纹与上螺柱连接，另一端通过螺纹与下螺柱连接，所述上螺柱另一端通过螺纹与旋紧手柄连接，所述下螺柱另一端与限位件卡合，所述调节筒通过螺纹与下螺柱连接，所述球头杆安装于调节筒内部。
10.进一步的，所述避震组件包括固定座、阻尼块和连接板，所述固定座上端中部通过螺纹与球头杆连接，所述阻尼块为橡胶材质，且其截面为鼓形，所述阻尼块外缘面对称开设有环槽，所述固定座和连接板端面均开设有尺寸相同且均匀分布的贯穿式通孔，且阻尼块两端的环槽分别卡接在固定座和连接板的通孔内部。
11.进一步的，所述下连接组件包括雷达壳体固定架、下连接螺杆和下紧固螺栓，所述雷达壳体固定架贴合于机载激光雷达的壳体上端，且通过下连接螺杆与机载激光雷达的壳体固定连接，所述下连接螺杆另一端通过下紧固螺栓与连接板连接。
12.进一步的，所述系统工作平台包括但不限于无人机和航天飞行器。
13.进一步的，所述高精度定位定姿系统pos包括用于获取系统工作平台的旋转角度以及方向加速度数据的定位定姿测量装置与用于获取数据记录的数据记录仪。
14.进一步的，所述雷达数据包括激光发射的角度、时间、回波次数和回波强度。
15.进一步的，所述pos数据包括动态的gnss数据和imu数据，其中动态gnss数据为系统工作平台的实时位置信息，imu数据为机载激光雷达的三轴姿态角以及三轴加速度数据。
16.进一步的，所述rtk基站设在规划的土方作业区域中的开阔地带，且与系统工作平台的距离不小于十米，所述基站数据为静态的gnss数据。
17.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
18.(1)通过设有的避震挂架，在设备组装完成后，可以调节机载激光雷达与搭载无人机之间的距离，使系统工作平台下留有充足的挂载空间，同时便于调节初始状态时机载激光雷达的倾角，且设有的避震组件可以用于缓解系统工作平台飞行过程中出现的震动，使机载激光雷达采集的数据更加稳定准确；
19.(2)采用无人机搭载机载激光雷达，能够快速实现待测场地的地形扫描，从而获取高精度的点云数据，在三维平台中，通过开挖前后地形数据对比和差分运算，不仅能够实现训练场地的三维展示，还可快速计算场地开挖的土方量。
附图说明
20.图1为本发明的整体结构示意图；
21.图2为本发明避震挂架的结构示意图；
22.图3为本发明上连接组件的分解结构示意图；
23.图4为本发明姿态调节组件的分解结构示意图；
24.图5为本发明避震组件的分解结构示意图；
25.图6为下连接组件的分解结构示意图；
26.图7为限位件的截面结构示意图。
27.图中：1、系统工作平台；2、机载激光雷达；3、高精度定位定姿系统pos；4、避震挂架；41、上连接组件；410、连杆；411、卡接部；412、安装部；413、滑动件；130、滑块；131、旋紧手柄；42、姿态调节组件；421、上螺柱；422、套筒件；423、下螺柱；424、限位件；425、调节筒；
426、球头杆；43、避震组件；431、固定座；432、阻尼块；433、连接板；44、下连接组件；441、雷达壳体固定架；442、下连接螺杆；443、下紧固螺栓。
具体实施方式
28.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制，为了更好地说明本发明的具体实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。
29.实施例1
30.如图1-7所示，一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，包括系统工作平台1、机载激光雷达2、高精度定位定姿系统pos3、避震挂架4和rtk基站，系统工作平台1搭载机载激光雷达2对规划的土方作业区域进行扫描测绘，采集实时动态高精度点云数据，rtk基站同步接收卫星信息，获取基站数据，并结合机载激光雷达2获取的雷达数据和高精度定位定姿系统pos3获取的pos数据进行差分解算，实现点云数据的精准定位，避震挂架4用于连接系统工作平台1和机载激光雷达2，包括上连接组件41、姿态调节组件42、避震组件43和下连接组件44，上连接组件41一端与系统工作平台1连接，另一端与姿态调节组件42连接，姿态调节组件42另一端与避震组件43连接，避震组件43另一端与下连接组件44连接，下连接组件44另一端与机载激光雷达2固定连接。
31.上连接组件41包括连杆410、卡接部411、安装部412和滑动件413，连杆410一端与卡接部411固定连接，另一端与安装部412固定连接，卡接部411与系统工作平台1的搭载挂架相卡合，安装部412内部设有滑槽，滑动件413安装于滑槽内部，滑动件413包括滑块130和旋紧手柄131，滑块130通过螺纹与旋紧手柄131连接，且安装部412夹紧在滑块130与旋紧手柄131中间。
32.姿态调节组件42包括上螺柱421、套筒件422、下螺柱423、限位件424、调节筒425和球头杆426，套筒件422一端通过螺纹与上螺柱421连接，另一端通过螺纹与下螺柱423连接，上螺柱421另一端通过螺纹与旋紧手柄131连接，下螺柱423另一端与限位件424卡合，调节筒425通过螺纹与下螺柱423连接，球头杆426安装于调节筒425内部。
33.避震组件43包括固定座431、阻尼块432和连接板433，固定座431上端中部通过螺纹与球头杆426连接，阻尼块432为橡胶材质，且其截面为鼓形，阻尼块432外缘面对称开设有环槽，固定座431和连接板433端面均开设有尺寸相同且均匀分布的贯穿式通孔，且阻尼块432两端的环槽分别卡接在固定座431和连接板433的通孔内部。
34.下连接组件44包括雷达壳体固定架441、下连接螺杆442和下紧固螺栓443，雷达壳体固定架441贴合于机载激光雷达2的壳体上端，且通过下连接螺杆442与机载激光雷达2的壳体固定连接，下连接螺杆442另一端通过下紧固螺栓443与连接板433连接。
35.系统工作平台1包括但不限于无人机和航天飞行器。
36.高精度定位定姿系统pos3包括用于获取系统工作平台1的旋转角度以及方向加速度数据的定位定姿测量装置与用于获取数据记录的数据记录仪。
37.雷达数据包括激光发射的角度、时间、回波次数和回波强度。
38.pos数据包括动态的gnss数据和imu数据，其中动态gnss数据为系统工作平台1的实时位置信息，imu数据为机载激光雷达2的三轴姿态角以及三轴加速度数据。
39.rtk基站设在规划的土方作业区域中的开阔地带，且与系统工作平台1的距离不小于十米，基站数据为静态的gnss数据。
40.通过采用上述技术方案：以系统工作平台1为大疆m600无人机、机载激光雷达2为武汉际上导航gs-100m激光雷达扫描设备为例，该检测系统的工作流程如下：
41.步骤一：设备组装与调试，由于选用的激光雷达扫描设备集成了机载激光雷达2和高精度定位定姿系统pos3，在组装时，只需通过避震挂架4将机载激光雷达2搭载在无人机的挂架处，按图1方式将各组件进行组装后，使用螺栓将上连接组件41的卡接部411固定于无人机的挂架杆外侧，滑动滑块130至适当位置，同时调节球头杆426的倾角，通过旋动调节筒425，调节筒425带动球头杆426与限位件424紧密贴合，从而将球头杆426的位置进行固定，使无人机在水平放置的情况下时，机载激光雷达2的激光发射口也处于水平装置即可。
42.步骤二：规划无人机航线，通过google earth或localspase等软件，通过卫星影像查看测区地形最高点、最低点及起飞点高程等信息，了解测区基本地形地貌特征，并对其记录，在此基础上，为保证航线引导线及测区外延情况下的飞行安全，测区范围可适当外扩生成kml文件，采用第三方航线规划软件自动生成航线，导入无人机地面站，给与无人机使用；手动规划航线按测区最高点算航带重叠率，按测区的最低点算最大测距，通过手动对其规划，执行飞行作业前，导出航线设计kml文件并导入dji gs pro软件，在dji gs pro中点击“素材”按钮，进入文件列表，从中找到导入的kml航线，左滑导入生成地图；点击“地图”按钮，选择对应文件，左滑创建新的“任务”，在此基础上，设置转弯模式为协调转弯，单击一个中间航点，在单个航点设置中设置转弯为航带间隔的一半以下，然后，点击设置为默认、取消航线、不保存；重新编辑导入航线，左滑、新建任务，所有航点即为协调转弯和统一转弯半径，点击保存。
43.步骤三：架设rtk基站，在规划的土方作业区域中的开阔地带，且与系统工作平台1的距离不小于十米的位置架设rtk基站，同步接收gnss信号。
44.步骤四：航测飞行，在dji gs pro软件中，完成重叠度、转弯模式、飞行高度等参数设置后，保存飞行任务，并将无人机置于卫星信号良好的开阔地，设备通电后，雷达数据指示灯、触发信号指示灯、gnss状态指示灯、电源指示灯同时亮起，等待系统启动后，只有电源指示的常亮，设备开始搜索卫星信号。搜索到卫星信号后，gnss指示灯开始间隔1s闪烁，等待大约30s后，lidar指示灯开始间隔1s闪烁，此时设备进入正常工作状态。进入正常工作状态后，检查无人机及雷达指示灯正常，上传航线、开始执行任务，航测开始时，需首先进行绕八字飞行，确保设备进入正常工作状态；然后执行航线规划任务，逐条航线进行飞行。
45.步骤五：数据采集，依据预设好的设备工作参数，无人机进入预设航线，开始进行数据采集，采集数据包括雷达数据、pos数据和基站数据，雷达数据主要包括激光发射的角度、时间、回波次数和回波强度等信息，pos数据主要包括动态的gnss数据和imu数据，动态gnss数据主要是平台的实时位置信息，imu数据主要是雷达的三轴姿态角以及三轴加速度数据，基站数据为静态的gnss数据，数据采集完成后，从内存卡中分别拷出雷达数据、pos数据和基站数据即可。
46.步骤六：激光数据预处理，采用与激光雷达设备配套的shuttle和gairhawk预处理软件进行轨迹解算和坐标解算，轨迹解算主要利用shuttle软件进行，通过gnss基站数据和gnss流动站数据进行计算，其中，基站数据包括基站架设点的三维坐标、天线高和静态gnss
数据，架设点三维坐标通过trk设备直接测量，天线高是地面至基站相位中心的高度，静态gnss数据是基站静态模式下生成的定位数据，以.dat格式存储在基站内存卡中。流动站数据是机载激光雷达设备在航摄过程中，pos的生成gnss数据，以.dat格式存储在激光雷达内存卡中，在使用shuttle软件进行轨迹计算时，主要操作步骤包括新建工程、添加基站数据、添加流动站数据和轨迹一键解算5个步骤。新建工程主要是保存解算过程数据和结果数据，在基站数据和流动站数据添加完成后，软件能够进行一键解算，生成结果文件；点云坐标解算是在轨迹解算结果的基础上，通过坐标计算和坐标系设置，为每个激光点进行坐标赋值，生成标准格式的点云数据文件，使用gairhawk软件进行坐标解算的主要步骤包括新建工程、加载数据、参数设置、数据解算和成果输出5个步骤，其中，新建工程主要是保存解算过程数据和结果数据，加载数据是加载激光雷达的.lid文件数据，参数设置主要是选择飞机型号，录入雷达设备转角、中心偏分量和误差角等参数，当设备型号固定后，上述参数均为固定值，一次录入后保存默认即可，上述参数设置后，选择输出点云数据的坐标系，录入工程所在位置的中央子午线，完成上述设置后，激光雷达的点云数据可以按文件进行输出，也可按航带进行输出，当按文件输出的输出结果，与添加的.lid文件一一对应；当按航带输出可在多个航带中，手动选择要输出航带数据，选择的文件将保存在一个数据文件中，选择输出形式后，点击“点云计算”按钮，生成标准las格式的点云数据文件，完成激光雷达点云数据预处理。
47.步骤七：土方量计算，在标准格式点云数据的基础上，通过点云数据滤波、数据分类等处理，获取土方作业前后的地面数据，进而生成地表模型，通过点云重采样对比前后地形数据，采用格网法计算开挖前后的土体体积，即为作业土方量，其中，格网法的计算原理为：根据地形情况及计算精度，将场地划分为若干方格形成方格网，方格边长越小计算结果越准确，计算每个格网开挖前后的高程差，进而求出各方格的填挖方量，对其求和即可得出作业场地的土方量，具体步骤为：取格网范围内点云数据高程值的算术平均值h(i,j)用于高程差计算，其中，h(i,j)＝(h1+h2+
…
+hn)/n，其中hi为设定格网距离，根据开挖前后点云高度差来确定填挖方类型，设开挖后格网点高程为h2(i,j)，开挖前格网点高程为h1(i,j)，二者高程差为δh(i,j)：
48.δh(i,j)＝h1(i,j)-h2(i,j)
49.当δh(i,j)》0时，则该格网点为挖方，反之则为填方，格网位置的棱柱体积差即为该点的填挖方量：
50.v(i,j)＝s
·
δh(i,j)
51.其中，s为四棱柱底面积，其值由设定格网步距决定。
52.最后，将计算范围内所有符号相同的格网点土方量相加，即为场地总的填方和挖方量，计算公式为：
[0053][0054]
通过上述公式计算的土方作业量数值与规划的理想数值相比较，从而可以对规划区域作业效果进行评价。
[0055]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。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。

技术特征：
1.一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，包括系统工作平台(1)、机载激光雷达(2)、高精度定位定姿系统pos(3)、避震挂架(4)和rtk基站，所述系统工作平台(1)搭载机载激光雷达(2)对规划的土方作业区域进行扫描测绘，采集实时动态高精度点云数据，所述rtk基站同步接收卫星信息，获取基站数据，并结合机载激光雷达(2)获取的雷达数据和高精度定位定姿系统pos(3)获取的pos数据进行差分解算，实现点云数据的精准定位，其特征在于：所述避震挂架(4)用于连接系统工作平台(1)和机载激光雷达(2)，包括上连接组件(41)、姿态调节组件(42)、避震组件(43)和下连接组件(44)，所述上连接组件(41)一端与系统工作平台(1)连接，另一端与姿态调节组件(42)连接，所述姿态调节组件(42)另一端与避震组件(43)连接，所述避震组件(43)另一端与下连接组件(44)连接，所述下连接组件(44)另一端与机载激光雷达(2)固定连接。2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述上连接组件(41)包括连杆(410)、卡接部(411)、安装部(412)和滑动件(413)，所述连杆(410)一端与卡接部(411)固定连接，另一端与安装部(412)固定连接，所述卡接部(411)与系统工作平台(1)的搭载挂架相卡合，所述安装部(412)内部设有滑槽，所述滑动件(413)安装于滑槽内部，所述滑动件(413)包括滑块(130)和旋紧手柄(131)，所述滑块(130)通过螺纹与旋紧手柄(131)连接，且安装部(412)夹紧在滑块(130)与旋紧手柄(131)中间。3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述姿态调节组件(42)包括上螺柱(421)、套筒件(422)、下螺柱(423)、限位件(424)、调节筒(425)和球头杆(426)，所述套筒件(422)一端通过螺纹与上螺柱(421)连接，另一端通过螺纹与下螺柱(423)连接，所述上螺柱(421)另一端通过螺纹与旋紧手柄(131)连接，所述下螺柱(423)另一端与限位件(424)卡合，所述调节筒(425)通过螺纹与下螺柱(423)连接，所述球头杆(426)安装于调节筒(425)内部。4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述避震组件(43)包括固定座(431)、阻尼块(432)和连接板(433)，所述固定座(431)上端中部通过螺纹与球头杆(426)连接，所述阻尼块(432)为橡胶材质，且其截面为鼓形，所述阻尼块(432)外缘面对称开设有环槽，所述固定座(431)和连接板(433)端面均开设有尺寸相同且均匀分布的贯穿式通孔，且阻尼块(432)两端的环槽分别卡接在固定座(431)和连接板(433)的通孔内部。5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述下连接组件(44)包括雷达壳体固定架(441)、下连接螺杆(442)和下紧固螺栓(443)，所述雷达壳体固定架(441)贴合于机载激光雷达(2)的壳体上端，且通过下连接螺杆(442)与机载激光雷达(2)的壳体固定连接，所述下连接螺杆(442)另一端通过下紧固螺栓(443)与连接板(433)连接。6.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述系统工作平台(1)包括但不限于无人机和航天飞行器。7.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述高精度定位定姿系统pos(3)包括用于获取系统工作平台(1)的旋转角度以及方向加速度数据的定位定姿测量装置与用于获取数据记录的数据记录仪。8.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征
在于：所述雷达数据包括激光发射的角度、时间、回波次数和回波强度。9.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述pos数据包括动态的gnss数据和imu数据，其中动态gnss数据为系统工作平台(1)的实时位置信息，imu数据为机载激光雷达(2)的三轴姿态角以及三轴加速度数据。10.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，其特征在于：所述rtk基站设在规划的土方作业区域中的开阔地带，且与系统工作平台(1)的距离不小于十米，所述基站数据为静态的gnss数据。

技术总结
本发明公开了一种基于激光雷达数据采集的土方作业量检测系统，包括系统工作平台、机载激光雷达、高精度定位定姿系统POS、避震挂架和RTK基站，所述系统工作平台搭载机载激光雷达对规划的土方作业区域进行扫描测绘，采集实时动态高精度点云数据，所述RTK基站同步接收卫星信息，获取基站数据，并结合机载激光雷达获取的雷达数据和高精度定位定姿系统POS获取的POS数据进行差分解算，实现点云数据的精准定位。通过设有的避震挂架，可以调节机载激光雷达与搭载无人机之间的距离，使系统工作平台下留有充足的挂载空间，便于调节初始状态时机载激光雷达的倾角，缓解系统工作平台飞行过程中出现的震动，使机载激光雷达采集的数据更加稳定准确。稳定准确。稳定准确。


技术研发人员：王峰 张凯凯 涂建刚 徐成 杜朋召 张忠源 罗丹
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/19