專利名稱：基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及地理信息測繪領域，尤其涉及一種用于全景信息采集、處理的基于激光掃描與全景影像的車載測 量集成系統。
背景技術：
在以往，人們主要使用一些簡單工具來獲取所需要的信息，例如采用傳統的尺子來測量物體的尺寸。隨著科技的發展，出現一些先進的測繪設備輔助人工勞動，能較大幅度提高作業的效率和精度，例如采用激光測距儀可以方便、快捷地進行位置和尺寸的量測。然而，在步入信息化時代后，人類所需要的信息更為綜合和全面，對信息的獲取速度也提出了更高的要求。因此，基于某些移動平臺的多傳感器集成系統得到了眾多研究者的關注。這些移動平臺包括運行于海陸空中的各種通行設備，例如汽車、飛機、輪船等。基于激光掃描與全景影像的車載測量系統集成技術是一個運用多種傳感器器件和多種測量方式的綜合性技術，包括高精度全球定位技術、激光掃描直接測量技術和實景全景圖像測量技術等。基于該技術的車載測量系統具有以下功能地形測量、道路竣工測量、城市地圖、規劃圖的測量與更新、城市建筑竣工與三維仿真建模、地理部件采集、橋梁和隧道的變形監測、交通事故快速勘測、導航電子地圖生產以及各種基于道路的GIS數據采集與服務等。為此，本實用新型的設計者有鑒于上述缺陷，通過潛心研究和設計，綜合長期多年從事相關產業的經驗和成果，研究設計出一種基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統，以克服上述缺陷。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統，其結構簡單，使用方便，能結合多傳感器的同步信號進行激光掃描和全景影像錄入和攝取。為實現上述目的，本實用新型公開了一種基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統，該系統包含車頂平臺、操作平臺、控制組件、電源系統和車輪編碼器；其特征在于車頂平臺包含全景相機、激光雷達和GPS天線，其可拆卸的裝配于車頂上，操作平臺包含顯示裝置和輸入輸出裝置，該顯示裝置為顯示屏或觸摸屏，顯示裝置和輸入輸出裝置通過支架托板車內，控制組件包含計算機和同步信號接收器，該計算機和同步信號接收器設置于后備箱機柜中，該計算機與同步信號接收器、顯示裝置和輸入輸出裝置連接，該同步信號接收器與全景相機、激光雷達、GPS天線和車輪編碼器連接以接收各監測裝置的信號后輸出給計算機。其中電源系統包含有發動機倉內電池，該發動機倉內電池通過空氣開關連接至同步信號接收器以提供電源。其中該電源系統還包含有后備箱電池和充電器,發動機倉內電池與后備箱電池并聯。[0010]其中該車頂平臺安裝于車頂上，至少包含裝有全景相機的全景相機盒、圓柱支桿、滑動底座、撐桿、滑動軌道和固定平臺，該全景相機盒可拆卸的固定于圓柱支桿的頂端，圓柱支桿的底端鉸接于滑動底座上，固定平臺上設置有平行延伸的兩條滑動軌道，該滑動底座可滑動的設置于該兩條滑動軌道上，且撐桿的一端鉸接于固定平臺，另一端可拆卸的鉸接于圓柱支桿的中部以在圓柱支桿直立時提供支撐，在圓柱支桿上還設置有裝有激光雷達的激光雷達裝置22和裝有GPS天線的GPS天線裝置。其中該撐桿為兩根，分別位于圓柱支桿的兩側。其中在滑動軌道的前端設置有前限位塊，在滑動軌道的后端設置有后限位塊，在前限位塊和后限位塊上各安裝有可夾裝該滑動底座的快速夾具。其中該固定平臺為行李箱的箱底鋁板，車體的車頂上固定連接有三根汽車行李·架，行李箱的箱底鋁板固定在行李架上。其中圓柱支桿通過底部回轉軸和軸承固定在滑動底座上。本實用新型的基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統，基于移動平臺的多傳感器集成系統，在獲取相應數據和信息方面有很明顯的優勢。即I、獲取信息全面一次可以獲取多種數據信息。2、獲取信息快捷以這些移動平臺的通行速度進行數據獲取，效率比傳統的作業方式提高了若干倍。3、獲取信息準確采用最新最先進的設備，所獲取的數據更為準確，客觀性較強。4、自動數據處理所獲取的數據和信息直接以數字的形式傳輸或存儲到個人計算機或工作站，能進行實時、自動的數據處理。5、多種信息表現形式對同一種數據和信息，能以不同的方式展現給用戶；對同一地點或時間，能查詢和檢索多種數據。本實用新型的詳細內容可通過后述的說明及所附圖而得到。
圖I顯示了本實用新型的基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統的整體示意圖。圖2顯示了本實用新型的硬件結構組成示意圖。圖3顯示了本實用新型的基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統車頂平臺示意圖。
具體實施方式
參見圖1，顯示了本實用新型的基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統的整體示意圖，該集成系統可架設于圖I中的車體I及車頂2上，該系統可架設于大眾Polo等眾多車型。參見圖2，該系統主要包含車頂平臺110、操作平臺120、控制組件、電源系統和車輪編碼器150。其中，車頂平臺110的硬件結構中包含全景相機111、激光雷達112和GPS天線113以取得對應的信息，可拆卸的裝配于車頂2上，參見圖3，顯示了該車頂平臺的安裝于車頂2上的結構示意圖，該全景采集車頂平臺設置于車頂或其他合適的位置，該平臺至少包含裝有全景相機111的全景相機盒21、圓柱支桿23、滑動底座24、撐桿26、滑動軌道27和固定平臺；該全景相機盒21可拆卸的固定于圓柱支桿23的頂端，圓柱支桿23的底端鉸接于滑動底座24上，固定平臺上設置有平行延伸的兩條滑動軌道27，該滑動底座24可滑動的設置于該兩條滑動軌道27上，且撐桿26的一端鉸接于固定平臺，另一端可拆卸的鉸接于圓柱支桿23的中部以在圓柱支桿23直立時提供支撐，該圓柱支桿23處于直立狀態時，由于其底部鉸接于滑動底座24內，而撐桿26則保證了圓柱支桿的直立，在圓柱支桿23上還設置有裝有激光雷達112的激光雷達裝置22，該激光雷達裝置22通過夾箍固定于相機盒21下方，裝有GPS天線的GPS天線裝置也可設 置于圓柱支柱23上。優選的是，該撐桿26為兩根，分別位于圓柱支桿23的兩側，提供了更穩健的支撐和保護。優選的是，在滑動軌道27的前端設置有前限位塊25，在滑動軌道27的后端設置有后限位塊28，在前限位塊25和后限位塊28上各安裝有可夾裝該滑動底座24的快速夾具，由此，當滑動底座滑動到前后極限位置后可用限位塊上的快速夾具固定。優選的是，圓柱支桿23通過底部回轉軸和軸承固定在滑動底座24上。優選的是，該固定平臺為行李箱的箱底鋁板，車體的車頂2上固定連接有三根汽車行李架29，行李箱的箱底鋁板固定在行李架29上。這種車頂平臺有以下優點I、車頂平臺可移植性好。此平臺可適用于多種型號的市售汽車；2、采集部件可互換性好。支桿頂部配有通用型緊固件，頂部的全景相機盒可替換為多種型號的相機盒而不用對零部件作改變。3、結構緊湊，外觀美觀，支撐牢固。整個車頂平臺可安置在普通市售車頂行李箱內，不進行數據采集時行李箱蓋可蓋上，與普通車輛無異；底部鋁板面積較大，將受力分散到3根行李架上，整體強度較高。4、安全性能好。支桿立起時有左右兩根撐桿支撐，穩固性好，保證儀器安全；支桿傾斜時有氣彈簧作緩沖，可防止儀器同支桿突然倒下受損。5、拆裝操作方便。活動部件大多由快速夾具、五星把手等易操作五金件固定，方便單人在車頂進行操作。6、通過能力強。由于拍攝需要，儀器需架設至一定高度，但城市中很多地方有限高，傳統測量車可能需要拆下各種儀器，通過后再裝上。此實用新型車頂平臺的儀器支桿設計成可傾斜狀態，通過限高處無需拆裝儀器。該車頂平臺工作時，取下旅行箱蓋，豎起相機盒支架；不工作時可倒下相機盒支架。旋轉全景相機盒下方的銅制鎖緊環，可拆裝全景相機盒。與觸發板連好線后可與頂部固定環固定。其中，操作平臺120包含顯示裝置121和輸入輸出裝置122，該顯示裝置121可為顯示屏或觸摸屏，該輸入輸出裝置122可包含鍵盤、鼠標、觸摸板等，顯示裝置121和輸入輸出裝置122通過支架托板安裝于車內的合適位置，例如副駕駛位，從而可根據需要來方便調整方位。其中，控制組件包含計算機131和同步信號接收器132，該計算機131和同步信號接收器132設置于后備箱機柜130中，該計算機131與同步信號接收器132、顯示裝置121和輸入輸出裝置122連接，該同步信號接收器132與全景相機111、激光雷達112、GPS天線113和車輪編碼器150連接以接收各監測裝置的信號后輸出給計算機。其中，電源系統包含有發動機倉內電池140，該發動機倉內電池140通過空氣開關134連接至同步信號接收器 132以提供電源，為確保電源充足，該電源系統還包含有后備箱電池133和充電器，發動機倉內電池140與后備箱電池133并聯，車輛行駛時可利用車載發電機對電池補充電力。當車輛位于停車場等方便連接市電的場所時，可利用充電器對后備箱電池133進行快速充電。空氣開關134控制電源與電氣設備之間的通斷。其中，該同步信號接收器132位于機柜130的內部，計算機131位于機柜130上部，并可以擴展至多部計算機。機柜130與車頂平臺110及車輪編碼器150的連接通過車窗走線孔實現。后備箱電池133位于機柜130左下方，充電器位于機柜130右下方。其中，該車輪編碼器150是取車輪的轉動脈沖，并換算成直線距離值。車輪編碼器安裝時需要對準銷釘，保證方位的一致。車輪編碼器線纜經由走線槽接口進入車內。如圖2所示，系統各處接線均匯集至后備箱機柜130的計算機131和同步信號接收器132處。發動機倉電池140和后備箱電池133并聯，為后備箱內的同步信號接收器132供電，同步信號接收器132進而為計算機131和各傳感器供電。同步信號接收器132集中供電便于設備監控管理，同步信號接收器前面板的按鈕可分別控制各設備運行。本實用新型的數據采集車的內部主機安裝了用于測量活動的控制軟件，能夠對系統進行實時控制和監視，主要有全景采集監控軟件，主要是控制同步器向全景相機發送拍照指令，實時監控所有相機的拍攝情況，并將全景數據轉存到計算機硬盤中。SPAN控制軟件，監控同步信號，GPS信號，數據接收、衛星個數及可用衛星個數，可視水平高及方向等。SICK激光采集軟件，提供3D的激光掃描數據。地理信息描繪軟件，根據SPAN信息在地圖模板上顯示和繪制地圖本實用新型車載測量系統采用的現有的成熟技術有I)高速激光掃描測量技術三維城市模型的構建需要真三維的空間數據和真實影像數據，采用基于地面的激光掃描系統獲取城市三維重建和局部區域空間信息。激光掃描儀能提高精度、可靠的尺寸數據。采用的掃描儀可分為2D和3D。2D類型的掃描儀用于獲得垂直于車行進方向上的物體輪廓；而3D掃描儀則一次獲得整個場景的三維點云數據。在垂直于車輛行駛方向做二維掃描，以汽車行駛方向作為運動維，構成三維掃描系統，所獲取的數據由全離散的矢量距離點構成的“點云”，每一像素包含的是一個距離值和角度值。掃描儀所獲得的原始測量數據主要包括①每條掃描線的序號(每掃描256條線重復一次)在某一時刻所得到的掃描儀中心點到物體表面的距離值(最大距離為80米，最大精度為O. 001米);③根據最大和最小掃描角度以及每條線的掃描點的個數計算得出的任意一個掃描點的掃描角度；④掃描儀按照自身時間計數器精度下的掃描點的時間。其中，所獲取的第②、③兩種數據可以用來計算掃描線相對于掃描儀自身的坐標值，①、④兩種數據則為不同傳感器數據融合、進行三維轉換提供數據。[0055]2)高精度慣性定位測姿技術車載數據要求位置精度高，數據準確。慣性測量單元為系統提供平臺位置和姿態。系統的核心是集成慣性導航軟件，它既實時運行于計算系統中，也可以后處理的方式運行于計算機上(POSPacTM)。該軟件可集成GPS數據和MU數據，并輸出一個融合后的位置和角度。輸出結果既保持了慣性導航的動態精度，也具有GPS的絕對精度。硬件包括MU和GPS接收機。IMU由三組加速度計、陀螺儀、數字化線圈和一個CPU組成，CPU被用于執行信號調節和溫度補償。補償后的加速度計和陀螺儀數據被作為線加速率和角加速率輸出到PCS里。GPS接收機使用衛星到它的距離測量值和三角定位技術來計算接收機天線的位置。采用的載波相位差分GPS是一種先進的技術，它結合了兩個接收機的相位數據，用來消除所有顯著的誤差，除了兩個接收機(基站接收機和漫游接收機)和每個衛星之間的不能確定的波長整周期外。3)高分辨率光學成像技術·車載系統采用了多種高清晰數字工業相機和視頻采集卡。當拍攝高清路面影像并由此作為裂紋判斷數據源時，采用了行分辨率達4086的線陣相機，采集速度達到2Kfps。當拍攝路面影像作為道路標示提取數據源時，采用了 200萬和500萬高分辨的視頻相機，相機能實現硬件對圖像和視頻的壓縮，而實現高清高速的采集。當用于自制全景相機時，采用了8臺200萬分辨率的1394工業相機，從而實現高清全景影像數據源的獲取。當拍攝測量用立體影像時，選用1300*1030分辨率的逐行數字相機，并經過精確校準后進行尺寸和位置測量。本實用新型車載測量系統已攻克的關鍵技術有I)基于GPS和DMI組合的多傳感器集成與高精度時間同步控制技術車載系統是一種多源數據采集和融合的綜合性系統。涉及到的源數據包括視覺影像數據(有全景影像，路面影像，立體影像，監控視頻影像)、尺寸激光掃描數據、定位測姿的POS數據等。這些數據由不同的采集計算機獲取，每種傳感器和計算機有自己的工作頻率或內部時間。為了在統一的時間和坐標系下展示、融合、分析這些數據，需要一個統一的時間和位置基準。由此可見不同傳感器類型，具有不同來源的數據，具有不同的數據特性。由上面的描述可以知道，若要把整個系統同步起來，提供不同數據源的每幀數據的時間標簽，并且整個時間標簽要統一這一個時間基準下面，必須系統設計時間同步方案把絕對的時間基準，引入相對系統；設計一個相對時間系統，給沒有時間功能的設備提供每幀數據的時間標簽；數據采集時，一并采集每幀數據產生的時刻。為此，本項目設計和實現了一套多傳感器同步控制器。它集成了 GPS、陀螺儀、車輪編碼器(DMI)和其它控制信息(手柄觸發信號以獲得線性參考坐標)，建立了統一的時間基準、線性參考空間坐標系和GPS空間坐標系(WGS84)。能依據用戶設定的測量要求，以時間或距離作為觸發條件，當對其發出相應的同步控制指令時，同步控制器輸出的觸發信號能使具有外同步功能的傳感器工作。不具有外同步功能的傳感器則通過獲得相應的同步數據，通過高精度的時間插值得到。2)解決了多相機高清360度全景相機的拼接問題針對Ladybug全景影像分辨率低和質量一般的問題，我們自行設計和研制了兩種型號的全景相機。一種是使用8臺兩百萬分辨率的工業相機組成的全景相機，另一種是使用6臺Sony微單相機和4臺nikon單反相機構成的高清全景相機。在此過程中，解決了相機影像的同步獲取和存儲技術，多相機全景拼接和勻光等關鍵技術。3)解決了多傳感器集成標定問題基于激光掃描與全景影像的車載測量系統集成技術最終目標是從采集到的大量的不同來源的數據中提取需要的空間和屬性數據，從而實現車載系統存在的價值。多傳感器集成的車載測量系統的標定包括相對標定和絕對標定兩個方面。相對標定是指各傳感器內在參數的求解，以便獲得該傳感器或傳感器組具有相對于自身安裝中心 的相對測量能力。絕對標定是指各傳感器與絕對位置姿態傳感器之間的相對關系求解。基于圖像傳感器的車載立體攝影測量子系統和激光掃描儀子系統都需要完成類似的絕對標定。絕對標定需要借助室外標定場來實現，室外標定場相對室內標定場而言，不需要太多個數的控制點。但每個控制點都必須帶有大地坐標。對于相機而言，建立了室內標定場來進行內參標定，建立室外標定場用于絕對位置和姿態標定。對于激光掃描儀，先通過全站儀獲得相對于POS的位置和姿態初值，然后在實際的融合數據中弓I入絕對控制點約束來精確求解。顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本實用新型的公開內容、應用或使用。雖然已經在實施例中描述過并且在附圖中描述了實施例，但本實用新型不限制由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認為的最佳模式以實施本實用新型的教導的特定例子，本實用新型的范圍將包括落入前面的說明書和所附的權利要求的任何實施例。
權利要求1.一種基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統，該系統包含車頂平臺、操作平臺、控制組件、電源系統和車輪編碼器；其特征在于 車頂平臺包含全景相機、激光雷達和GPS天線，其可拆卸的裝配于車頂上，操作平臺包含顯示裝置和輸入輸出裝置，該顯示裝置為顯示屏或觸摸屏，顯示裝置和輸入輸出裝置通過支架托板安裝于車內，控制組件包含計算機和同步信號接收器，該計算機和同步信號接收器設置于后備箱機柜中，該計算機與同步信號接收器、顯示裝置和輸入輸出裝置連接，該同步信號接收器與全景相機、激光雷達、GPS天線和車輪編碼器連接以接收各監測裝置的傳感器信號后輸出給計算機。
2.如權利要求I所述的車載測量集成系統，其特征在于電源系統包含有發動機倉內電池，該發動機倉內電池通過空氣開關連接至同步信號接收器以提供電源。
3.如權利要求2所述的車載測量集成系統，其特征在于該電源系統還包含有后備箱 電池和充電器，發動機倉內電池與后備箱電池并聯。
4.如權利要求I至3中任一所述的車載測量集成系統，其特征在于該車頂平臺安裝于車頂上，至少包含裝有全景相機的全景相機盒、圓柱支桿、滑動底座、撐桿、滑動軌道和固定平臺，該全景相機盒可拆卸的固定于圓柱支桿的頂端，圓柱支桿的底端鉸接于滑動底座上，固定平臺上設置有平行延伸的兩條滑動軌道，該滑動底座可滑動的設置于該兩條滑動軌道上，且撐桿的一端鉸接于固定平臺，另一端可拆卸的鉸接于圓柱支桿的中部以在圓柱支桿直立時提供支撐，在圓柱支桿上還設置有裝有激光雷達的激光雷達裝置22和裝有GPS天線的GPS天線裝置。
5.如權利要求4所述的車載測量集成系統，其特征在于該撐桿為兩根，分別位于圓柱支桿的兩側。
6.如權利要求4所述的車載測量集成系統，其特征在于在滑動軌道的前端設置有前限位塊，在滑動軌道的后端設置有后限位塊，在前限位塊和后限位塊上各安裝有可夾裝該滑動底座的快速夾具。
7.如權利要求4所述的車載測量集成系統，其特征在于該固定平臺為行李箱的箱底鋁板，車體的車頂上固定連接有三根汽車行李架，行李箱的箱底鋁板固定在行李架上。
8.如權利要求4所述的車載測量集成系統，其特征在于圓柱支桿通過底部回轉軸和軸承固定在滑動底座上。
專利摘要一種基于激光掃描與全景影像的車載測量集成系統，包含車頂平臺、操作平臺、控制組件、電源系統和車輪編碼器；車頂平臺包含全景相機、激光雷達和GPS天線，其可拆卸的裝配于車頂上，操作平臺包含顯示裝置和輸入輸出裝置，該顯示裝置為顯示屏或觸摸屏，顯示裝置和輸入輸出裝置通過支架托板安裝于車內，控制組件包含計算機和同步信號接收器，該計算機和同步信號接收器設置于后備箱機柜中，該計算機與同步信號接收器、顯示裝置和輸入輸出裝置連接，該同步信號接收器與全景相機、激光雷達、GPS天線和車輪編碼器連接以接收各監測裝置的傳感器信號后輸出給計算機，本實用新型結構簡單，使用方便，能結合多傳感器的同步信號進行激光掃描和全景影像錄入和攝取。
文檔編號B60R11/04GK202782968SQ201220486578
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者陳長軍, 王剛, 關鴻亮 申請人:縱橫皆景(武漢)信息技術有限公司