头戴式RTK测量装置的制作方法

头戴式rtk测量装置
技术领域
1.本技术涉及测量技术领域，尤其涉及一种头戴式rtk测量装置。


背景技术：

2.rtk技术(实时动态差分技术)是载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站接收机采集的载波相位发给用户接收机(也可以称为移动站接收机)，进行求差解算坐标。其关键在于数据处理技术和数据传输技术，rtk定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给移动站接收机。移动站接收机即通常意义上的rtk测量设备。基准站有多种模式，其中一种是cors(continuously operating reference stations，连续运行参考站)。
3.一套rtk测量设备通常包含：1)移动站接收机；2)手簿；3)对中杆；4)包装箱以及电池配件。目前多数rtk测量设备可以通过互联网(比如3g/4g)接收基准站观测数据并组合移动站接收机观测数据，进行rtk结算，称为网络rtk，其定位精度能够到毫米级别，达到测量测绘的精度要求。移动站通过互联网从cors服务器获取参考数据，进行rtk测量。移动站接收机通常包含：高精度定位板卡、gnss天线、4g模块、蓝牙wifi模块、主控板和电台(如果用互联网播发的基站观测数据电台可省略)。但是要做测量作业还需要：对中杆、手簿、三角架和电池等等。手簿是一个工业级三防手机，具有按键，一般配置安卓系统，安装测绘app软件，通过蓝牙或者wifi与移动站接收机通信，手簿app上一般执行测量作业、保存测量数据和图纸，也可以发送指令到移动站接收机进行不同的测量业务。一般测量过程中需要对中杆与地球表面完全垂直，这样才能将对中杆底部的点测精确，如果对中杆偏了，那么测量的点有不准确。
4.传统的rtk测量设备具有以下缺点：
5.1)移动站接收机需要配合手簿和对中杆作业，一整套测量设备较为厚重(约5kg重)，野外测量十分费体力，测量效率不高；
6.2)移动站接收机包含主控板、4g模块、蓝牙wifi模块，手簿也包含主板、4g模块、蓝牙wifi模块，两个设备通过蓝牙或者wifi连接互传数据，蓝牙或者wifi连接有稳定性和距离限制，也需要进行配对连接，测量作业中用两个功能相似的设备其实是一种资源浪费；
7.3)移动站接收机是一个ip68的三防设备，其制造成本较高，主机成本一般在万元级别，其中各种硬件模块成本、结构成本、生产加工成本和售后维修成本都是现有方案的一大痛点；而手簿是一个三防手机，成本也在千元左右，这样整套测量设备的成本都在一万元以上；
8.4)对中杆是一根长度接近2m的测量工具，在测量移动和运输中都比较麻烦，如果能省去对中杆将是一个革命性提升；
9.5)移动站接收机需要安装在对中杆上，容易倾倒或者跌落，从2m高跌落到硬地面移动站接收机有很大风险摔坏，维修成本很高。


技术实现要素：

10.本技术的目的在于提供一种头戴式rtk测量装置，实现低成本、高效率、高精度的rtk测量。
11.本技术公开了一种头戴式rtk测量装置，包括：
12.头戴式结构，位于所述头戴式结构上的信号接收单元、第一通信单元、定位单元、惯性传感器、摄像单元、第二通信单元和处理器，其中，所述信号接收单元、所述惯性传感器和所述摄像单元随所述头戴式结构移动的位移具有一致性；
13.显控模块，所述显控模块通过所述第二通信单元与所述处理器之间建立数据通信并用于执行显示控制操作；
14.其中，所述信号接收单元接收卫星信号和数据信号，所述第一通信单元根据所述卫星信号获取差分数据，所述定位单元根据所述差分数据计算所述信号接收单元的位置，所述惯性传感器用于计算所述头戴式结构的姿态信息，所述摄像单元用于计算光心与待测点的距离，所述处理器获取所述定位单元、所述惯性传感器和所述摄像单元的数据信号并计算待测点的坐标。
15.在一个优选例中，所述显控模块为ar眼镜，所述ar眼镜与所述头戴式结构是一体化的。
16.在一个优选例中，所述摄像单元设置于所述ar眼镜上。
17.在一个优选例中，所述显控模块为相对于所述头戴式结构可移动的智能终端。
18.在一个优选例中，所述第一通信单元将所述定位单元的位置信息和所述摄像单元的图像数据上传至服务器，所述服务器计算定位结果。
19.在一个优选例中，所述第一通信单元是3g、4g或5g通信单元。
20.在一个优选例中，所述第二通信单元是蓝牙或wifi通信单元。
21.在一个优选例中，还包括：位于所述头戴式结构上的电源模块，用于为所述处理器供电。
22.在一个优选例中，所述惯性传感器包括加速度计、陀螺仪和磁力计。
23.在一个优选例中，所述信号接收单元包括用于所述定位单元的天线、用于所述第一通信单元的天线和用于所述第二通信单元的天线。
24.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
25.1)本技术的rtk测量装置采用头戴式形态，头戴式结构中集成有信号接收单元、第一通信单元、定位单元、惯性传感器、摄像单元、第二通信单元，整个测量过程可以不需要对中杆，测量人员自身可以充当对中杆；
26.2)本发明中信号接收单元、惯性传感器和摄像单元随头戴式结构移动的位移具有一致性，通过摄像单元可以实现图像视觉定位，摄像单元的姿态由惯性传感器来进行跟踪，并能实时计算姿态变化，从而可以实现倾斜测量；
27.3)本技术的rtk测量装置的头戴式结构上可以集成ar眼镜，ar眼镜显示屏可以实时显示测量图景，相当于将现有的手簿的显示功能也集成到头戴式结构中；
28.4)本发明可以通过第一通信单元将原来在本地处理器运算的数据发送云平台进行云计算，云计算可以提高运算速度、提高定位精度，云计算完成之后下发定位结果；同时，可以降低本地处理器运算的要求，使得本地运算量减少，功耗减小，同样的电池容量下可以
有更长的作业时间；
29.5)本发明相对与现有测量方式引入了图像视觉定位和云计算，原则上可以对图像中所有点的位置进行测量，对同一区域也可以通过不同方位多次拍照，形成三维高精度信息，同时保持高精度；
30.6)本技术的rtk测量装置是头戴式结构，其跌落或者摔倒的风险大大降低，售后维修几率减小，产品寿命延长。
31.本技术的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本技术上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。
附图说明
32.参考以下附图描述本技术的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部分。
33.图1是根据本技术一个实施例中的头戴式rtk测量装置的框图。
34.图2是根据本技术一个实施例中的rtk测量头盔的结构示意图。
35.图3是根据本技术一个实施例中的rtk测量头盔的rtk测量过程的示意图。
36.其中，
37.100-头戴式rtk测量装置
38.110-头戴式结构
39.111-信号接收单元
40.112-第一通信单元
41.113-定位单元
42.114-惯性传感器
43.115-摄像单元
44.116-第二通信单元
45.117-处理器
46.120-显控模块
47.121-显示单元
48.122-控制单元
49.210-头盔结构
50.220-ar眼镜
具体实施方式
51.在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
52.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
53.本发明的部分创新在于：
54.本技术将传统测量设备的移动接收机的各个模块集成到一个头戴式结构中，例如，将信号接收单元、第一通信单元、定位单元、惯性传感器、摄像单元、第二通信单元、处理器集成到头戴式结构中。测量人员头戴该结构进行进行测量，整个测量过程可以不需要对中杆，测量人员自身可以充当对中杆。此外，可以通过ar眼镜或智能终端实现手簿的功能，从而也可以不需要手簿。并且，信号接收单元、惯性传感器和摄像单元随头戴式结构移动的位移具有一致性，处理器中集成有定位算法、惯性导航算法、图像定位算法，可以计算出拍摄图片中指定的待测点的高精度坐标。通过摄像单元可以实现图像视觉定位，计算出摄像头光心与待测点的距离，头戴式结构的姿态由惯性传感器来进行跟踪，惯性导航算法实时计算姿态变化，由于已知gnss天线相位中心与惯性传感器的相对位置，且已知惯性传感器与摄像头光心的相对位置，从而可以实现倾斜测量。
55.本技术公开了一种头戴式rtk测量装置，图1示出了该头戴式rtk测量装置100的框图，该头戴式rtk测量装置100包括头戴式结构110和显控模块120。应当理解，头戴式rtk测量装置100用于实现位置测量。所述头戴式结构110可以包括信号接收单元111、第一通信单元112、定位单元113、惯性传感器114、摄像单元115、第二通信单元116和处理器117。所述显控模块120可以包括显示单元121和控制单元122。
56.其中，信号接收单元111、第一通信单元112、定位单元113、惯性传感器114、摄像单元115、第二通信单元116和处理器117可以位于所述头戴式结构110上，并与头戴式结构110是一体化的。其中，定位单元113、惯性传感器114、摄像单元115和第二通信单元116分别与处理器117通信连接。所述信号接收单元111、所述惯性传感器114和所述摄像单元115随所述头戴式结构110移动的位移具有一致性，即所述信号接收单元111、所述惯性传感器114和所述摄像单元115在所述头戴式结构110中的位置是相对固定的。
57.在一个实施例中，定位单元可以是gnss定位单元。
58.在一个实施例中，所述第一通信单元是基于蜂窝移动系统的通信模块，例，如3g、4g、5g通信系统，因此，所述第一通信单元112可以是3g、4g或5g通信单元。
59.在一个实施例中，所述第二通信单元116是蓝牙或wifi通信单元。
60.在一个实施例中，所述信号接收单元111包括用于所述定位单元113的天线、用于所述第一通信单元112的天线和用于所述第二通信单元116的天线。例如，信号接收单元集成gnss天线、4g天线、蓝牙天线、wifi天线于一体。
61.所述显控模块120通过所述第二通信单元116与所述处理器117之间建立数据通信并用于执行显示和控制操作。
62.在一个实施例中，本技术的rtk测量装置还包可以括：位于所述头戴式结构上的电源模块118，用于为所述处理器117供电。
63.其中，所述信号接收单元111接收卫星信号和数据信号，卫星信号例如是基准站发送的观测数据，数据信号例如是处理器发送的数据信号，所述第一通信单元112根据所述卫星信号获取差分数据，所述定位单元113根据所述差分数据计算所述信号接收单元的位置，例如，通过rtk算法进行定位解算，所述惯性传感器114用于计算所述头戴式结构110的姿态信息，所述摄像单元115用于计算光心与待测点的距离，所述处理器117获取所述定位单元112、所述惯性传感器114和所述摄像单元115的数据信号并计算待测点的坐标，根据惯性传感器计算的姿态信息对摄像单元计算的距离信息进行校正。
64.在一个实施例中，所述显控模块120可以为ar眼镜，所述ar眼镜与所述头戴式结构是一体化的。应当理解，ar眼镜的显示屏(相当于显示单元)可以实时显示测量图景，相当于将现有的手簿的显示功能也集成到头戴式结构中，ar眼镜的手势控制(相当于控制单元)可以用于待测点的选取。在一个实施例中，所述摄像单元115可以设置于所述ar眼镜上。应当注意，在摄像单元设置于ar眼镜的实施例中，信号接收单元、惯性传感器和摄像单元在头戴式结构中的位置仍然是相对固定的。应当理解，在其他实施例中，例如，摄像单元不设置在ar眼镜上时，ar眼镜可以与头戴式结构相分离。
65.在另一个实施例中，所述显控模块120可以为智能终端。与ar眼镜的实施例不同，所述智能终端相对于所述头戴式结构110是可移动的。在一个实施方式中，智能终端可以是智能手机、平板电脑、智能手表等便携式智能设备。智能终端通过自身的蓝牙或wifi与所述头戴式结构的第二通信单元建立连接，从而实现智能终端与头戴式结构之间的数据传输。智能终端通常包括显示屏(相当于显示单元)可以实时显示测量图景，智能终端的触控或键盘(相当于控制单元)可以用于选取待测点的操作。
66.在另一个实施例中，第一通信单元(例如，4g、5g通信单元)可以将信息发送到基站，通过基站中转到云端服务器。本实施例中，所述第一通信单元112将所述定位单元112的位置信息和所述摄像单元115的图像数据上传至云端服务器，所述云端服务器计算定位结果。具体的，可以通过4g/5g通信单元将原来在本地处理器运算的数据发送云平台进行云计算，一方面，云计算可以提高运算速度、提高定位精度，云计算完成之后通过基站将定位结果发送到4g/5g通信单元，4g/5g通信单元将接收的数据传送到处理器。另一方面，可以降低本地处理器运算的要求，使得本地运算量减少，功耗减小。此外，整个测量装置在同样的电池容量下可以有更长的作业时间。
67.在一个实施例中，所述惯性传感器114包括加速度计、陀螺仪和磁力计。
68.需要说明的是，本领域技术人员应当理解，上述头戴式rtk测量装置的实施方式中所示的各模块的功能可通过运行于处理器上的程序(可执行指令)而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。
69.为了能够更好地理解本说明书的技术方案，下面结合一个具体的例子来进行说明，该例子中罗列的细节主要是为了便于理解，不作为对本技术保护范围的限制。
70.本实施方式中，以智能rtk测量头盔为例进行说明，测量头盔的结构参考图2所示，测量头盔包括头盔结构210和ar眼镜220两部分，其中，头盔结构210的核心部件包括：
71.1、gnss天线单元：用于接收卫星信号，支持多系统多频点；
72.2、高精度定位单元；用于rtk定位计算，rtk高精度计算出来的坐标是gnss天线的相位中心，该精度可到厘米级别，并且是地球大地坐标系中的绝对坐标；
73.3、4g/5g通信单元：用于接收cors网播发的观测数据和测量结果，上传rtk定位结果和同一时刻的图像信息到云平台；
74.4、惯性传感器：主要由加速度计、陀螺仪和磁力计组成，用于计算整个头盔的倾斜姿态，图像中待测点的坐标需要用整个姿态信息去校准；
75.5、蓝牙wifi模块：用与连接局域网或者与手机等蓝牙设备连接；
76.6、内置锂电池：为整个测量头盔供电，外部适配器可以为头盔充电；
77.7、高精度摄像头(例如，1080p 30pfs以上)，用于近景摄影测量拍摄图像。在其他的实施方式中，高精度摄像头可以包含在ar眼镜220上。
78.图2中仅示出了测量头盔的部分部件，应当注意，测量头盔中还包括其他部件，例如，主处理器等结构。本实施例的头盔结构设计精确度很高，可以保证惯性传感器、摄像头和gnss天线这三个模块具有位移一致性，即相对位置固定。图3示出了rtk测量过程的示意图。本技术中，主处理器中集成有gnss定位算法、惯性导航算法、图像定位算法，可以计算中待测点的高精度坐标。惯性传感器可计算摄像头中心与gnss天线相位中心的角度，也可以计算摄像头中心与地球重力平面法线方向的角度，这样rtk高精度定位坐标(即gnss天线相位中心的坐标)可以作为图像视觉定位坐标的参考，那么图像中的点坐标也就称为了高精度坐标。
79.本发明的测量头盔需要满足以下要求：
80.1)硬件设计上要求：头盔结构设计精确度高，尤其是要保证保证惯性传感器、摄像头和gnss天线这三个模块具有位移一致性，即相对位置固定。
81.2)头盔中的主处理器和各个模块的环境适应性、可靠性和功耗设计很重要，关系到头盔可以工作的时间，要求在8小时以上。
82.3)惯性传感器对头盔的姿态测量算法要求实时性高，对倾斜角度测量的精度要很高，要求在0.1
°
以内。
83.4)图像视觉定位算法精度要求比较高，要求视觉定位算法在2m的视距内的定位误差小于2cm。需要对待测点进行不同角度的多次拍摄，提高定位精度。可以将原来在本地处理器运算的数据发送云平台进行云计算，由云计算完成，这样可以降低本地计算量，降低功耗，延长作业时间。
84.5)定位单元rtk算法要求比较高，需要能支持五系统(gps、bds、glonass、galileo、qzss)十六频点
85.(gpsl1/gpsl2/gpsl5/bdsb1/bdsb2/bdsb3/bdsb1c/bdsb2a/galileoe1/galileoe5a/galileoe5b/glonassl1/glonassl2/qzssl1/qzssl2/qzssl5)的rtk解算，保证rtk动态定位结果的水平精度在8mm以内，高程精度在15mm以内。
86.需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请
文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
87.在本说明书提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本说明书的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，以上所述仅为本说明书的较佳实施例而已，并非用于限定本说明书的保护范围。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的保护范围之内。
88.在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描述的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。