机载三维地形自动测量系统及方法

文档序号:6151117阅读:165来源:国知局
专利名称:机载三维地形自动测量系统及方法
技术领域
本发明涉及测量技术,尤其涉及一种机载三维地形自动测量系统及方法。
背景技术
改善农田地面的平整精度可以有效提高地面灌溉系统的性能指标,取得 显著的节水增产效果。利用激光控制平地技术实现农田地面的高精度平整, 进而改善农田地形条件,是改进地面灌溉系统的重要措施。在农田地面的平 整作业中,需对土地平整前后的三维地形进行测量,以Y更拟定合理的平地工程 设计方案并对平地效果进行定量评价。
现有的三维地形测量设备主要有全站仪、经炜仪、全球定位系统(Global Position System;以下简称GPS)接收机等。然而现有的设备普遍存在测量 成本高、效率低等问题,这些问题已成为制约现代土地平整高新技术应用的 瓶颈。
中国专利申请号为200820079033.X的专利文件公开了 一种基于GPS和激 光技术的三维地形测量装置,包括测量杆、安装在测量杆上的用于测量待 测点的平面坐标的GPS接收机和GPS天线,其中还包括用于测量待测点的相对 高程数据的激光接收器和激光发射器,以及用于采集、处理数据的数据采集 器。该装置的使用过程为测量待测点A点的三维坐标时,将测量杆放置在A 点,调整固定在高程已知点B点的激光发射器,使其扫出一个水平基准的激光 平面后,测量者手动升降测量杆,使得激光接收器的正中点刚好在基准的激 光平面上,此时根据测量杆的高度数值即可得到A点的相对高程,然后将读 出的测量杆的高度数值4建入数据采集器中,并与GPS数据相结合得到三维地形数据。
然而,上述现有技术在测量三维地形时,针对每个待测点,都要手动将 测量杆放置在待测点,并且手动调节测量杆的高度以达到基准的激光平面, 而且高程信息也需手动输入到数据采集器中,这样费时费力,尤其在实施大 规模地面平整作业时,会耗费大量的时间和人力,测量效率低、成本高。

发明内容
本发明的目的是提供一种机载三维地形自动测量系统及方法,以实现自 动测量三维地形,提高测量效率和降低测量成本。
为了实现上述的一个目的,本发明提供了一种机载三维地形自动测量系
统,该系统包括激光发射装置、测量杆、GPS接收装置、设置于所述测量 杆上用于接收激光发射装置发射激光信号的激光测量接收装置和控制器;其
中,
所述测量杆设置于行进车辆上;所述激光测量接收装置包括多个纵向 分布的硅光电池,分别与每个硅光电池相连的多个测量电路;所述控制器分 別与所述GPS接收装置和所述激光测量接收装置连接。
本发明机载三维地形自动测量系统通过部分设置在可行进车辆上,对地 形进行连续测量,根据接收激光信号的硅光电池的高度偏差信号与GPS坐标 信息,实时自动的生成三维地形数据,提高了测量效率,降低了测量成本。
为了实现上述的另一个目的,本发明还提供了一种机载三维地形自动测 量方法,该方法包4舌
接收预设高度的激光发射装置发射的激光信号;
将所述激光信号所对应的电路信号与预设的基准面对应的参数进行比 较,获得接收到所述激光信号的硅光电池与所述基准面的高度偏差信号;
根据所述高度偏差信号和GPS接收装置接收到的待测点的GPS坐标信 息,生成、显示或储存待测点的三维坐标信息。本发明机载三维地形自动测量方法,通过部分设置在可行进车辆上的自 动测量系统对地形进行连续测量,根据接收激光信号的硅光电池的高度偏差 信号与GPS坐标信息,实时自动的生成三维地形数据,提高了测量效率,降 低了测量成本。


图1为本发明^L载三维地形自动测量系统第一实施例的结构示意图; 图2为本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例中升降杆的结构示
意图3为图2的俯^L图4为本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例中电路结构示意
图5为本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例中的硅光电池的分 布示意图6为本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例测量过程示意图; 图7为本发明机载三维地形自动测量方法第一实施例的步骤流程图; 图8为本发明机载三维地形自动测量方法第二实施例的步骤流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明机载三维地形自动测量系统第一实施例的结构示意图。如
图l所示,该机载三维地形自动测量系统实施例包括激光发射装置IO、测
量杆20、 GPS接收装置30、激光测量接收装置40和控制器50。
激光发射装置10通过支撑架设置于待测地面的适当位置,调节支撑架,
使得激光发射装置IO旋转发射的激光信号形成的激光面高于车辆的顶端,即
使得激光面不^^车辆或其它物体遮挡。测量杆20设置于可行进的车辆上。
GPS接收装置30用于实时的接收待测点的GPS坐标信息,并将该GPS 坐标信息发送给控制器50,其中GPS接收装置30中的GPS天线可以位于测 量杆20的顶端,以1"更于4^收GPS坐标信息。
激光测量接收装置40设置于测量杆20上,包括滤光片、多个纵向分 布的硅光电池和多个测量电路。激光发射装置IO发射的激光信号首先经滤光 片滤除掉大量的太阳光后被硅光电池接收;多个硅光电池是纵向分布的,相 同高度的硅光电池对应连接的测量电路相同,而不同高度的硅光电池对应连 接的测量电路不同,每个硅光电池将接收到的激光信号转换为电信号后,经 由测量电路产生不同的电路信号,其中测量电路可以为信号放大电路、比较 电路和脉宽整形电路。其中,预设的基准面为激光测量接收装置中指定的硅 光电池所在的平面,具体基准面的设定详见本系统第二实施例的使用方法中 的描述。
控制器50分别与GPS接收装置30和激光测量接收装置40相连接。控 制器50接收GPS接收装置30发送的待测点的GPS坐标信息和测量电路发送 的电路信号,并将该电路信号与预设的基准面对应的参数进行比较,获得每 个电路信号对应的硅光电池与基准面的高度偏差信号,然后将该高度偏差信 号转换为待测点的高程信息,再将该高程信息与待测点的GPS坐标信息相结 合即可得到待测点的三维坐标信息。
本发明机载三维地形自动测量系统第一实施例通过将测量系统部分设 置在可行进车辆上,对地形进行连续测量,根据接收激光信号的硅光电池的 高度偏差信号与GPS坐标信息,实时自动的生成三维地形数据,提高了测量 效率,降低了测量成本。
图2为本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例中升降杆的结构示 意图,图3为图2的俯视图,图4为本发明机载三维地形自动测量系统第二 实施例中电路结构示意图。本实施例在上述系统第一实施例的基础上,对测量杆进行了改进,同时也增加了控制器对测量杆的控制。
机载三维地形自动测量系统第二实施例中的测量杆20包括升降杆、电 机和高度测量装置。其中,升降杆可以为现有的机械升降结构,也可以为普 通的不可升降杆置于升降机构上。电机与控制器相连,根据控制器的指令驱 动升降杆的升降。高度测量装置与控制器相连,用于获取升降杆升降的幅度 信息并发送给控制器;具体的,高度测量装置可以是编码器,根据对电机输 出轴转动进行计数向控制器输出升降杆升降的幅度,在具体实现的过程中, 可以是编码器将电机输出轴转动的脉沖数发送给控制器,控制器根据该脉冲 数和升降杆内部齿轮结构(即电机每转一圏升降杆的升降高度)等计算得到升 降杆升降的幅度;高度测量装置也可以是可变电阻,根据升降杆的升降引起 的电阻变化而得到升降杆升降的幅度;当然,高度测量装置也可利用其它的 现有技术来获取升降幅度。如图2和图3所示,本实施例中的测量杆20具体 可以包括升降杆21、导向螺母22、丝杆23、滚动轴承24、涡轮25、蜗杆26、 联轴器27、电机28、编码器29,升降杆21位于导向螺母22上,导向螺母 22位于丝杆23内,涡轮25通过滚动轴承24与丝杆23连接,蜗杆26与涡 轮25相配合构成减速才几构,蜗杆26的一端通过一个联轴器27与电机28相 连接,蜗杆26的另一端通过另一个联轴器27与编码器29相连接。其中,升 降杆21可以包括外杆和位于外杆内可滑动的内杆,优选的内杆为空心杆,以 减小测量杆的整体质量,同时降低对电机驱动能力的要求,减少了工艺的复 杂性。
激光测量接收装置40设置于测量杆20上,可以随着升降杆21的升降而 升降。本实施例中的激光测量接收装置40在上述系统第一实施例的基础上, 基于测量过程和地面地形的实际情况,将多个硅光电池优选为36个硅光电 池,图5为本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例中的硅光电池的分 布示意图。
如图5所示,36个硅光电池41在电路板42两侧的金属支架43上分布
8为9层4列,每列中的9个硅光电池41设于一个平面(即一个金属支架)上, 金属支架43包括第一支架431 、第二支架432、第三支架433和第四支架434, 每个支架上分布9层硅光电池41,其中四个支架中相同层中的4个硅光电池 41的高度相同,并且任意两个相邻的支架之间的夹角9为卯°,即第一支架 431与第二支架432、第二支架432与第三支架433、第三支架433与第四支 架434以及第四支架434与第一支架431之间的夹角e为卯。,也相当于每 层中任意相邻的2个硅光电池41所在的平面相互垂直。其中每个硅光电池的 尺寸可以为5x20mm,每相邻两层的硅光电池的间距为2mm,每层硅光电池 对应一个测量电路,硅光电池将接收到的激光信号转换为电信号后,经由测 量电路产生不同的电路信号,然后控制器将测量电路产生的电路信号与基准 面对应的参数相比较,得到该硅光电池与基准面的高度偏差信号,即激光信 号与基准面的高度偏差,然后控制器根据该高度偏差信号,可以获得该层硅 光电池的高度。
本发明测量系统实施例中激光信号的直径小于一个硅光电池的长度 (20mm),大于相邻层珪光电池之间的间距(2mm),由此9层硅光电池可 以对应17个不同的电路信号,具体为当激光信号完全射在某一个硅光电池 上时,9层硅光电池对应9个不同的电路信号;当激光信号射在相邻两层硅 光电池的间隙上时,由于激光信号的直径大于间隙的宽度,所以相邻的两层 硅光电池都会接收到激光信号,由此相应的两个测量电路都产生电路信号, 此时9层硅光电池形成的8个间隙可以对应8个不同的电路信号,总共为17 路不同的电路信号。其中,17路不同的电路信号还可以通过以下具体方式获 得采用数字电路,9个高度的硅光电池的信号可以用0 (无信号,即没有接 收到激光信号)或1 (有信号,即接收到激光信号)表示,如果9个高度的 硅光电池都没有接收到激光信号,则输出给控制器的电路信号为000000000 (从左到右依次表示第1个、第2个一直到第9个不同高度的硅光电池), 如果激光束打到第1个硅光电池上,则输出信号为100000000,如果激光束打到第2、 3个硅光电池的中间缝隙,即第2、 3个硅光电池都接收到了激光 信号,则输出的电路信号是011000000,依次类推,可以向控制器发出17种 不同的电路信号,控制器根据这些不同的电路信号,可以得到相应的高度偏 差信号。当然,多个硅光电池也可以按照其它尺寸和数量来设置,例如将 72个石圭光电池i殳置成18层4列,每个石圭光电池尺寸为5xl0mm,这样就可以 产生35种不同的电鴻"言号。
本发明测量系统实施例的硅光电池的纵向总长度为19.6cm,再配合升降 杆的升降,可以使本系统第二实施例在竖直方向上接收激光信号的范围比第 一实施例更好的满足农田高程测量的要求。本实施例中硅光电池的分布对激 光信号的接收角度可以到达360。。当然在具体实施中,并不限于36个硅光电 池,可以有多个硅光电池呈多层多列的分布,以满足农田高程测量的要求, 各个支架之间的夹角也不限于90。,并且每列中的硅光电池还可以位于相互平 4亍的平面上。
如图4所示,控制器50分别与GPS接收装置30、激光测量接收装置40、 电机28和高度测量装置相连接。控制器50具体可以包括微处理模块51、 存储模块52、显示模块53和输入模块54。微处理模块51分别与存储模块 52、显示模块53和输入模块54相连接,微处理模块可以采用PHILIPS公司 的ARM7芯片LPC2119。存储模块可以为U盘,采用CH375HM,其核心芯 片是CH375,微控制模块通过该核心芯片读写U盘的数据,将三维地形信息 进行存储;显示模块可以选用LCM128645ZK液晶才莫块,内含ST7920驱动控 制器,采用串行模式硬件设计,实时显示地面相对高程、经绵度、三维地形 图及GPS坐标信息等;输入模块可以是键盘模块,用于输入控制信息,即输 入对本发明机载三维地形自动测量系统实施例的工作状态控制信息,包括 开启或关闭、暂停、清零、实时显示三维地形信息、生成三维地形图和存储 三维地形信息等。
控制器50安装在测量杆20所在的车辆上,控制器50与测量杆20、 GPS接收装置30和激光测量接收装置40相连,优选的一种方案是,控制器通过 电缆与测量杆相连,控制器通过电缆与激光测量接收装置相连,控制器通过 串口线与GPS接收装置相连。控制器50接收GPS接收装置30发送的GPS 坐标信息,即测量点的平面坐标信息;控制器50将激光测量接收装置40中 测量电路发送的电路信号与预设的基准面对应的参数进行比较,获得该电路 信号对应的硅光电池与基准面的高度偏差信号,判断该高度偏差信号是否达 到预设阈值,如果达到预设阈值,则通过测量杆中的电机控制升降杆的升降 以保证激光测量接收装置中的硅光电池能接收到激光信号,并且根据升降杆 升降后的硅光电池的高度偏差信号和升降杆升降的幅度得到测量点的相对高 程,再结合GPS坐标信息,生成三维地形信息并对该三维地形信息进行显示 和存储,其中,三维地形信息包括地面相对高程、经绵度和三维地形图。
进一步的控制器50还可以包括指示模块55,指示模块55与微处理模块 51相连接,用于指示激光测量接收装置与基准面的位置关系,如指示激光测 量接收装置中接收到激光信号的硅光电池的高度位于基准面上方或下方。
本发明提供的机载三维地形自动测量系统尤其适用于对农田地形的测 量,下面以测量一块农田的三维地形为例,具体描述本发明机载三维地形自 动测量系统第二实施例的使用方法,其中使用农用拖拉机作为测量系统的载 体,图6为本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例测量过程示意图。
将激光发射装置10置于待测农田的适当位置A点(该点可以是待测农 田中或待测农田旁边任意一处平地),调整激光发射装置高度,使其旋转发 射的激光信号11形成的激光面高于拖拉机顶端。
将GPS接收装置、激光测量接收装置、控制器和测量杆组装在拖拉机上。 在进行测量前,拖拉机位于待测农田的B点,在B点处,调节升降杆的高度 和/或激光测量接收装置安装在测量杆上的位置,使得多个硅光电池中高度位 于中间位置的第一硅光电池411接收到激光信号11,并指定该第一硅光电池 411所在的平面为基准面,利用本发明的测量系统测量的地面相对高程是相对于B点的相对高程。当然,基准面并不限于位于中间位置的硅光电池,只 要是预先指定的即可。
驾驶拖拉机进行实地测量,随着地面高程的变化,激光测量接收装置接 收到激光信号的硅光电池的位置也随之变化。当拖拉机行驶到B!点(高于B 点)时,第二硅光电池412接收到激光信号,由于每个高度的硅光电池对应 的电信号不同,控制器可以得到第二硅光电池412与第一硅光电池411的高 度偏差信号,并对该高度偏差信号进行处理,判断该高度偏差信号不大于预 设阈值(即最上方或者最下方的硅光电池距离第一硅光电池的高度),则该 高度偏差信号表示的高度偏差值h!即为B,点相对于B点的相对高程;拖拉 机继续行驶,当高度偏差信号大于预设阈值时,控制器对测量杆进行升降控 制,以保证硅光电池始终能接收到激光信号,控制器通过控制电机的正向或 反向转动来控制测量杆的升降;当拖拉机行驶到B2点(高于B点)时,第三 硅光电池413接收到激光信号,第三硅光电池413与第一硅光电池411的高 度偏差信号表示的高度偏差值为h2,测量杆由原始长度U减少为L2,控制器 通过编码器对电机输出轴转动进行计数而获得测量杆相对与B点时降低的高 度为Ll5则B2点相对于B点的相对高程为h2 + L"
控制器将测量点的相对高程与GPS坐标信息结合后得到测量点的三维坐 标信息,进一步的,控制器将待测地面的所有点的三维坐标信息融合后生成 三维地形图、地面相对高程以及经绵度量等三维地形信息,通过显示模块进 行显示并存储在存储才莫块中。
本发明机载三维地形自动测量系统第二实施例通过设置在可行进车辆 上的测量杆对地形进行连续测量,并且控制器才艮据接收激光信号的硅光电池 的高度偏差信号自动控制测量杆的升降,可以实时自动的测量三维地形,生 成三维地形数据,提高了测量效率,降低了测量成本。
图7为本发明机载三维地形自动测量方法第一实施例的步骤流程图,该 方法可以包括步骤701、接收预设高度的激光发射装置发射的激光信号,调节测量杆 的高度和/或激光测量接收装置在测量杆的位置,确定基准面;
步骤702、激光测量接收装置的硅光电池接收预设高度的激光发射装置 发射的激光信号;
步骤703、将激光信号所对应的电路信号与预设的基准面对应的参数进 行比较,获得接收到激光信号的硅光电池与基准面的高度偏差信号;
步骤704、控制器根据高度偏差信号和GPS接收装置接收到的待测点的 GPS坐标信息,生成、显示或储存待测点的三维坐标信息;
进一步,还可以包括步骤705、控制器根据多个待测点的三维坐标信 息,生成、显示或存储待测地面的地面相对高程、经绰度和/或三维地形图。
本发明机载三维地形自动测量方法第一实施例通过将测量系统部分设 置在可行进车辆上,对地形进行连续测量,4艮据接收激光信号的硅光电池的 高度偏差信号与GPS坐标信息,实时自动的生成三维地形数据,提高了测量 效率,降低了测量成本。
图8为本发明机载三维地形自动测量方法第二实施例的步骤流程图,该 方法可以包括
步骤801、接收预设高度的激光发射装置发射的激光信号,调节测量杆 的高度和/或激光测量接收装置在测量杆的位置,确定基准面;
步骤802、激光测量接收装置的硅光电池接收预设高度的激光发射装置 发射的激光信号;
步骤803、将激光信号所对应的电路信号与预设的基准面对应的参数进 行比较,获得接收到激光信号的硅光电池与基准面的高度偏差信号;
步骤804、控制器对接收到的高度偏差信号进行判断,当高度偏差信号 对应的高度偏差绝对值大于或等于预设阔值时,控制测量杆的升降并获取测 量杆的升降幅度;
步骤805、 4艮据高度偏差信号、测量杆的升降幅度和GPS接收装置接收到的待测点的GPS坐标信息,生成、显示或储存待测点的三维坐标信息;
进一步,还可以包括步骤806、控制器根据多个待测点的三维坐标信 息,生成、显示或存储待测地面的地面相对高程、经炜度和/或三维地形图。
本发明机载三维地形自动测量方法第二实施例,通过设置在可行进车 辆上的测量杆对地形进行连续测量,并且控制器根据接收激光信号的硅光电 池的高度偏差信号自动控制测量杆的升降,可以实时自动的测量三维地形, 生成三维地形数据,提高了测量效率,降低了测量成本。
最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进 行限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技 术人员应当理解其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换, 而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的 ^"神和范围。
权利要求
1、一种机载三维地形自动测量系统,包括激光发射装置、测量杆、GPS接收装置、设置于所述测量杆上用于接收激光发射装置发射激光信号的激光测量接收装置和控制器;其特征在于所述测量杆设置于行进车辆上;所述激光测量接收装置包括多个纵向分布的硅光电池,分别与每个硅光电池相连的多个测量电路;所述控制器分别与所述GPS接收装置和所述激光测量接收装置连接。
2、 根据权利要求1所述的机载三维地形自动测量系统,其特征在于,所 述控制器包括微处理模块、用于存储所述三维地形信息的存储模块、用于 显示所述三维地形信息的显示模块和用于输入控制信息的输入模块,所述存 储模块、显示模块和输入模块分别与所述微处理模块连接。
3、 根据权利要求2所述的机载三维地形自动测量系统,其特征在于,所 述测量杆包括升降杆,驱动所述升降杆升降的电机,获取所述升降杆升降 幅度信息的高度测量装置;所述控制器还与所述电机和所述高度测量装置连 接。
4、 根据权利要求3所述的机载三维地形自动测量系统,其特征在于所 述升降杆包括外杆和位于所述外杆内可滑动的内杆。
5、 根据权利要求2所述的机载三维地形自动测量系统,其特征在于所 述控制器还包括指示模块;所述指示模块与所述微处理模块相连接,用于指 示所述激光测量接收装置与所述基准面的位置关系。
6、 根据权利要求l-5任一所述的机载三维地形自动测量系统,其特征在 于,所述多个纵向分布的硅光电池具体分布为36个硅光电池分布为9层4 列,每层中4个硅光电池的高度相同,且每层中任意相邻的2个硅光电池所 在的平面相互垂直,每列中9个硅光电池设于一个平面或相互平行的平面上。
7、 一种机载三维地形自动测量方法,其特征在于,包括接收预设高度的激光发射装置发射的激光信号;将所述激光信号所对应的电路信号与预设的基准面对应的参数进行比 较,获得接收到所述激光信号的硅光电池与所述基准面的高度偏差信号;根据所述高度偏差信号和GPS接收装置接收到的待测点的GPS坐标信 息,生成、显示或4诸存待测点的三维坐标信息。
8、 根据权利要求7所述的机载三维地形自动测量方法,其特征在于,还 包括接收预设高度的激光发射装置发射的激光信号,调节测量杆的高度和/ 或激光测量接收装置在测量杆的位置,获得所述预设的基准面。
9、 根据权利要求8所述的机载三维地形自动测量方法,其特征在于所 述根据所述高度偏差信号和GPS接收装置接收到的待测点的GPS坐标信息, 生成、显示或储存待测点的三维坐标信息包括当所述高度偏差信号对应的高度偏差绝对值大于或等于预设阈值时,控 制测量杆的升降并获取所述测量杆的升降幅度;根据所述高度偏差信号、所述测量杆的升降幅度和GPS接收装置接收到 的待测点的GPS坐标信息,生成、显示或储存待测点的三维坐标信息。
10、 根据权利要求7-9任一所述的机载三维地形自动测量方法,其特征 在于,还包括根据多个所述待测点的三维坐标信息,生成、显示或存储待 测地面的地面相对高程、经绰度和/或三维地形图。
全文摘要
本发明提供了一种机载三维地形自动测量系统及方法,该系统包括激光发射装置、测量杆、GPS接收装置、设置于测量杆上用于接收激光发射装置发射激光信号的激光测量接收装置和控制器;其中,测量杆设置于行进车辆上;激光测量接收装置包括多个纵向分布的硅光电池,分别与每个硅光电池相连的多个测量电路;控制器分别与GPS接收装置和激光测量接收装置连接。本发明机载三维地形自动测量系统及方法可以实时自动的测量三维地形,生成三维地形数据,提高了测量效率,降低了测量成本。
文档编号G01C5/00GK101539417SQ20091008255
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者刚 刘, 孟庆宽, 政 杨, 谢幸福, 郎晓哲 申请人:中国农业大学
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