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CN113029117B - 飞行传感器 - Google Patents

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CN113029117B CN202110319387.7A CN202110319387A CN113029117B CN 113029117 B CN113029117 B CN 113029117B CN 202110319387 A CN202110319387 A CN 202110319387A CN 113029117 B CN113029117 B CN 113029117B
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Abstract

本发明涉及一种飞行传感器，其包括无人机UAV和安装在UAV上的至少一个轮廓仪，其中，该至少一个轮廓仪包括：底座；扫描单元，其被配置为提供光探测和测距LiDAR数据。扫描单元安装在底座上并且包括：轴，该轴承载偏转器；第一发送器，其被配置为朝向环境经由偏转器发送第一发送束；第一接收器，其被配置为接收经由偏转器从环境反射的第一接收束；以及电端口，其包括数据接口和电源接口。并且其中，UAV包括：视觉传感器，其用于提供视觉数据；姿态传感器，其用于提供姿态数据，包括惯性测量单元IMU和全球导航卫星系统GNSS传感器或伪GNSS传感器；计算机，其被配置为基于LiDAR数据和使用视觉数据和姿态数据的同时定位和映射SLAM算法生成环境的3D点云。

Description

飞行传感器
本申请是原案申请号为201710930141.7、申请日为2017年10月9日、发明名称为“飞行传感器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种飞行传感器。
背景技术
为了拍摄地形(例如，为了测量、检查或文件编制的目的)，常使用与光学测量束一起工作的光学装置，该光学测量束用于扫描表面，并通过到所感测表面上的点的距离测量来拍摄地形。合适的扫描装置可以是扫描仪系统(特别是轮廓仪(profiler))，该扫描仪系统允许用如下方式来拍摄表面结构：通过在表面上以扫描方式引导测量光束，并通过用与点有关的距离测量拍摄扫描区域中的表面点的空间位置，且将测量与在测量束发射时收集的角度信息联系。根据角度和距离信息，可以重建所扫描表面的所谓距离图像。
用于拍摄地形的轮廓仪还可以由光电测距仪来实现，该光电测距仪以扫描方式在表面区域上方引导且可以使用激光。
一方面的测距仪的测量点与另一方面的被拍摄的表面的相关性例如可以通过将所扫描区域与表面的参考模型叠加来产生。
作为表面轮廓仪的激光测距仪例如用于徕卡测量系统(Leica Geosymtem)AG的“徕卡珀加索斯(LEICA Pegasus)二”系统中。
这种表面轮廓仪或系统的应用领域例如是：结构的文件编制或矿井和隧道的测量。在后者应用中，收集中空空间的轮廓、检测并测量表面变化(像裂缝、洞、碎石巢(gravelnest)、脱离或水损害)以及检测并测量基础设施(像接触线、杆以及红绿灯)特别受关注。
在可线性通行的中空空间(诸如房间、走廊、矿井、隧道、峡谷或小巷)中，轮廓仪通常以如下这种方式安装到车辆：测量束在第一扫描方向上的扫描移动围绕与车辆的移动方向基本平行的轴线发生，其中，车辆的移动方向是第二扫描方向。
然而，在所述地形的地面未装配有适当的行车路线的情况下(诸如密封街道或铁路轨道)，从现有技术已知的轮廓仪不实用，差不多仅在一些损耗下。对于建筑物的垂直面或对于岩石壁由峡谷中的测量任务来表示类似的问题，其中，用于由车辆线性引导轮廓仪的“地面”不可用。
发明内容
本发明涉及一种飞行传感器，该飞行传感器包括无人机(UAV：unmanned aerialvehicle)和安装在UAV上的至少一个轮廓仪，其中，该至少一个轮廓仪包括：底座；扫描单元，该扫描单元被配置为提供光探测和测距(LiDAR：Light Detection And Ranging)数据。扫描单元安装在底座上，并且包括：轴，该轴承载偏转器，轴安装在扫描单元中且能够围绕旋转轴旋转；第一发送器，该第一发送器被配置为朝向环境(setting)经由偏转器发送第一发送束；第一接收器，该第一接收器被配置为接收经由偏转器从环境反射的第一接收束。该至少一个轮廓仪还包括：电端口，该电端口被配置为将轮廓仪连接到UAV，所述电端口包括数据接口和电源接口，并且其中，UAV包括：视觉传感器，该视觉传感器用于提供视觉数据，视觉传感器包括一个或更多个照相机；姿态传感器，该姿态传感器用于提供姿态数据。姿态传感器包括：惯性测量单元(IMU：Inertial Measuring Unit)；和全球导航卫星系统(GNSS)传感器或伪GNSS传感器。UAV还包括：计算机，该计算机被配置为基于LiDAR数据和使用视觉数据和姿态数据的同时定位和映射(SLAM：Simultaneous Localisation and Mapping)算法生成环境的3D点云(P)。
姿态传感器可以集成在一个单个盒中，该单个盒模块化地安装在UAV的主体上。轮廓仪可以以如下方式安装在UAV的主体上：UAV的水平状态下，扫描单元的节点被定位在GNSS传感器的中心点的竖直下方。扫描单元可以包括：第二发送器，该第二发送器被配置为朝向环境经由偏转器发送第二发送束；和第二接收器，该第二接收器被配置为接收经由偏转器从环境反射的第二接收束，特别地其中，第二发送束相对于第一发送束在相反方向上发送。
第一发送束和第二发送束中的至少一个是发送束扇，特别地其中，第一接收束和第二接收束中的至少一个是接收束扇。
轮廓仪还可以包括至少一个附加扫描单元，该至少一个附加扫描单元被配置为正如根据这里描述中的扫描单元一样。
UAV可以包括：多个螺旋桨；和航空单元，该航空单元被配置为提供航空数据，航空数据包括与UAV的高度和速度中的至少一个有关的数据，并且其中，计算机被配置为至少基于航空数据和姿态数据来控制螺旋桨。SLAM算法还可以使用航空数据。
通过底座，轮廓仪可以被配置为安装在UAV的主体的上侧、横向侧以及底侧中的一个上。
扫描单元可以通过枢轴接头、万向接头以及球接头中的一个安装到底座，特别地其中，相应接头被机动化且能够受计算机控制。飞行传感器还可以包括无线通信单元，其中，计算机被配置为经由无线通信单元由遥控器接收命令，特别地其中，遥控器具有图形用户界面(GUI)，该图形用户界面(GUI)被配置为示出3D点云和/或视觉传感器的现场图像。
电源接口可以被配置为向轮廓仪提供来自UAV的电池的电力。
计算机可以被配置为还基于LiDAR数据和视觉数据来控制螺旋桨。
计算机可以被配置为至少部分基于LiDAR数据、视觉数据以及姿态数据来控制着陆方法、碰撞避免、悬停以及自动高度控制中的至少一个。视觉传感器的至少一个照相机可以被具体实施为热红外照相机和高光谱照相机中的一个。
在根据本发明的飞行传感器的一个实施方式中，计算机被配置为通过至少使用视觉数据来对3D点云染色。进一步地，飞行传感器可以包括磁强计、罗盘、加速计和/或陀螺仪。
在另一个实施方式中，飞行传感器还可以包括数据存储装置，该数据存储装置用于存储LiDAR数据、视觉数据、姿态数据、航空数据以及3D点云中的至少一个，数据存储装置特别是可弹射的(ejectable)。
附图说明
在下文中，将参照伴有附图的示例性实施方式来详细描述本发明，附图中：
图1分别示出了根据本发明的轮廓仪的第一实施方式和包括轮廓仪的、根据本发明的UAV的第一实施方式；
图2分别示出了测量飞行期间根据图1的轮廓仪的第一实施方式和根据图1的UAV的第一实施方式；
图3分别示出了根据本发明的轮廓仪的第二实施方式，和包括轮廓仪的、根据本发明的UAV的第二实施方式；
图4分别示出了测量飞行期间的轮廓仪的第二实施方式，和根据图2的UAV的第二实施方式；
图5分别示出了根据本发明的轮廓仪的第三实施方式，和包括轮廓仪的、根据本发明的UAV的第三实施方式；
图6分别示出了根据本发明的轮廓仪的第四实施方式，和包括轮廓仪的、根据本发明的UAV的第四实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的飞行传感器的第一实施方式。飞行传感器包括无人机(UAV)200和适于安装在UAV上的轮廓仪100。轮廓仪100被配置为在UAV的飞行期间操作。
轮廓仪100具有在图1中被示出为单独元件的底座101和扫描单元102。在另一个实施方式中，底座101还可以被理解为扫描单元102的上部/下部，使得由本申请定义的轮廓仪和扫描单元是一个结构元件。无论哪种方式，底座101被设计为可附接到UAV 200。这例如可以由咬合(snap-in)构造或安装元件(像螺丝、夹具或带)实现。
底座101经由电端口连接到UAV 200，以从UAV的电池获得电力。通过所述端口，轮廓仪还被提供有如下信息，诸如加速数据、高度数据、位置数据、倾斜数据、图像数据以及控制数据。由此，电端口担任数据接口和电源接口这两者。
轮廓仪是无源单元，并且使用被UAV所包括的计算机207、姿态传感器208以及视觉传感器210。特别地，UAV还包括无线通信单元211，该无线通信单元被配置为使计算机207从遥控器接收控制命令。
姿态传感器208包括惯性测量单元(IMU)和全球导航卫星系统(GNSS)传感器，该GNSS传感器还可以是如下的伪GNSS传感器，该伪GNSS传感器用于其中飞行传感器应用于无法直接接收卫星信号的隧道中。姿态传感器208被配置为测量飞行传感器的位置和取向。
扫描单元102包括机动化轴(motorised shaft)103，该轴被安装并机动化为使得它可以在计算机207的控制下围绕旋转轴A旋转。束偏转单元(偏转器)104附接到轴103，并且在所示实施方式中从扫描单元102突出。然而，在另一个实施方式中，扫描单元102的所示裂缝可以由扫描单元102所包括的透明罩窗来密封。
此外，扫描单元102包括第一发送器105和第一接收器106，该第一发送器105和第一接收器106这两者在图1中被示出为在一个盒中。然而，发送器105和接收器106还可以被具体实施为两个单独的单元(例如，其中，发送束T和接收束R由领域中已知的分束器分离)。
所生成的发送束T在使发送束T朝向环境偏转的偏转器104处引导。所反射的发送束T从环境(由来自环境的表面的反射)回来，作为接收束R，并且由偏转器104朝向束接收器106偏转“回去”。通过飞行时间测量原理，测量多个点。凭借到点的距离以及测量这些距离的轴的角度，由这里还被称为主扫描单元的扫描单元102生成LiDAR数据。为了持续追踪角度测量，由角度编码器或例如通过经由霍尔传感器监测轴的马达的电压，来感测轴103的旋转。
在另外的实施方式中，底座101和扫描单元102可以相对于彼此可旋转。为此，底座101或扫描单元102二者之一可以包括执行这种相对旋转的马达(以及可选地传动装置)。旋转可以由计算机207来控制，并且例如可以取决于当前飞行位置和/或取向。
UAV 200还具有视觉传感器，该视觉传感器包括：设置在UAV 200上的照相机210。至少一个照相机具有相对于轮廓仪的原点(节点)的定义位置和定义取向。由视觉传感器所收集的数据是：用于计算机207所执行的同时定位和映射(SLAM)算法(处理)的一个输入。其他输入是由姿态传感器208收集的数据以及由轮廓仪100收集的LiDAR数据。在组合SLAM处理中，建立环境的3D点云P。特别地，由姿态传感器测量的姿态数据以及视觉传感器的视觉数据帮助以正确的空间相关性来存储LiDAR点。
凭借照相机210的视觉数据的手段，此外，所收集的3D点云P可以被染色或“涂布”有已经从地形拍摄的纹理。
与从现有技术已知的通用装置相比，根据本发明的轮廓仪重量显著地轻，具有大约300克的重量。这种重量在现有技术中是无与伦比的，并且使得轮廓仪特别适于用在UAV上。低重量对于UAV应用是特别有利的，并且通过在没有任何CPU、GPU、GNSS、IMU、无线单元、电池或照相机的情况下具体实施轮廓仪来实现。
图2示出了沿着一排房子的正面执行测量飞行时的、图1所示的飞行传感器的第一实施方式。由此，记录关于轴线A具有多于180°范围的光探测和测距(LiDAR)数据。这种LiDAR数据可以是与轴103的角位置联系的所测量单个点的坐标。利用直箭头，指示飞行方向，并且虚线圆形箭头指示围绕单个测量束(T、R)的轴线A执行的旋转(即，发送束T和接收束R沿着旋转的束轴线B前进)。所示的束(T、R)在不同的旋转位置处实际上是一个束。
图3示出了飞行传感器的另外实施方式。该构造可以用于扫描建筑物中的天花板或隧道中的壁。因此，如附图中未示出的，轮廓仪100还可以安装在UAV 200的任意侧面处。
视觉传感器为了提供更大范围的视野，而可以具有多于一个照相机(210、210’)。照相机优选地具有广角镜头，该广角镜头提供非常小的焦距，并且借此提供120°或多达180°甚至更大的覆盖范围。两个照相机的范围交叠可以用于改善SLAM处理，并借此改善3D点云的构造。
此外，轮廓仪100的扫描单元可以具有：管理第二测量束(第二接收束R’、第二发送束T’)的第二发送器105’和第二接收器106’，该第二测量束相对于第一测量束(第一接收束R、第一发送束T)被引导到相反的方向。偏转器104被配置为，由其从两侧充当反射镜的倾斜面启用该双侧反射。轴103和偏转器104是中空的，以便允许第二测量束R’、T’穿过，并到达所述反射镜的内侧。一旦被反射，则第二发送束T’借助所包含的孔或窗离开偏转器104，并且以相同的方式，第二接收束R’为了变得反射回第二接收器106’而进入偏转器104。通过同时发出两个测量束，可以提高所获3D点云的分辨率。
图4示出了测量隧道时的、图3的飞行传感器。如用点虚线指示的，第一测量束(T、R)和第二测量束(T’、R’)沿相反的方向引导，从而允许扫描单元收集两倍多的点(或在一半时间内收集相同数量的点，这允许UAV的更快飞行速度)。来自视觉传感器、来自姿态传感器108以及来自扫描单元102的数据充当用于建立所参考点云P的SLAM处理的输入。圆形箭头指示两个束的旋转。直箭头指示飞行传感器的飞行方向。
图5示出了根据本发明的飞行传感器的另一个实施方式。轮廓仪100的底座101被设计为，使扫描单元102相对于UAV 200具有倾斜取向。这例如能够在水平飞行期间补偿UAV相对于地面的倾斜取向，以便在引起UAV的特定倾斜的特定飞行速度下，实现轮廓仪相对于地面的正交取向(与所补偿倾斜可变的图6相比)。此外，为了修改倾斜，底座101可以包括伺服马达。
束扇T”、R”是可以用发送器105和/或偏转器104生成的所谓多束(multi-beam)，其中，多束中的各束能够由接收器106区分。圆形箭头指示多束的旋转。
图6示出了根据本发明的飞行传感器，该飞行传感器包括接头109，该接头109用于例如由重力单独被动地或由马达主动地转动扫描单元102。示例性目的可以是实现扫描单元102相对于地面的正交取向，而不管UAV的当前取向如何，如图6中指示的。接头还可以是万向接头(亦称卡登接头)，其在保持扫描单元的取向恒定的同时允许对UAV的更多操纵控制。
虽然上面部分参照一些优选实施方式例示了本发明，但必须理解，可以进行实施方式不同特征的大量修改和组合。所有这些修改落在所附权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种飞行传感器，该飞行传感器包括无人机UAV(200)和安装在所述无人机UAV上的至少一个轮廓仪(100)，
其中，所述至少一个轮廓仪包括：
底座(101)；
扫描单元(102)，该扫描单元(102)被配置为提供光探测和测距LiDAR数据，所述扫描单元安装在所述底座上，并且包括：
轴(103)，该轴(103)承载偏转器(104)，所述轴安装在所述扫描单元中，且能够围绕旋转轴线(A)旋转；
第一发送器(105)，该第一发送器(105)被配置为朝向环境经由所述偏转器发送第一发送束(T、T”)；
第一接收器(106)，该第一接收器(106)被配置为接收经由所述偏转器从所述环境反射的第一接收束(R、R”)；以及
电端口，该电端口被配置为将所述轮廓仪连接到所述无人机UAV，所述电端口包括数据接口和电源接口，
并且其中，所述无人机UAV包括：
视觉传感器，该视觉传感器用于提供视觉数据，所述视觉传感器包括一个或更多个照相机(210、210’)；
姿态传感器(208)，该姿态传感器(208)用于提供姿态数据，所述姿态传感器包括：
惯性测量单元IMU；以及
全球导航卫星系统GNSS传感器或伪全球导航卫星系统GNSS传感器；
计算机(207)，该计算机(207)被配置为基于所述光探测和测距LiDAR数据以及使用所述视觉数据和所述姿态数据的同时定位和映射SLAM算法，来生成所述环境的3D点云(P)。
2.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，所述姿态传感器被集成在一个单个盒中，该单个盒被模块化地安装在所述无人机UAV的主体上。
3.根据权利要求1或2所述的飞行传感器，
其中，所述轮廓仪以如下方式安装在所述无人机UAV的主体上：在所述无人机UAV的水平状态下，所述扫描单元的节点被定位在所述全球导航卫星系统GNSS传感器的中心点的竖直下方。
4.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，所述扫描单元(102)包括：
第二发送器(105’)，该第二发送器(105’)被配置为朝向环境经由所述偏转器发送第二发送束(T’)；以及
第二接收器(106’)，该第二接收器(106’)被配置为接收经由所述偏转器从所述环境反射的第二接收束(R’)。
5.根据权利要求4所述的飞行传感器，
其中，所述第一发送束(T)和所述第二发送束(T’)中的至少一个是发送束扇(T”)。
6.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，所述轮廓仪还包括至少一个附加扫描单元(102’)，所述至少一个附加扫描单元(102’)被配置为正如根据前述权利要求中任一项所述的扫描单元(102)一样。
7.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，所述无人机UAV包括：
多个螺旋桨；以及
航空单元，该航空单元被配置为提供航空数据，所述航空数据包括与所述无人机UAV的高度和速度中的至少一个有关的数据，并且
其中，所述计算机被配置为至少基于所述航空数据和所述姿态数据来控制所述螺旋桨。
8.根据权利要求7所述的飞行传感器，
其中，所述同时定位和映射SLAM算法还使用所述航空数据。
9.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，通过所述底座，所述轮廓仪被配置为安装在所述无人机UAV的主体的以下各项中的一个上：
上侧；
横向侧；以及
底侧。
10.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，所述扫描单元(102)通过以下各项中的一个安装到所述底座：
枢轴接头(109)；
万向接头；以及
球接头。
11.根据权利要求10所述的飞行传感器，其中，相应接头被机动化且能够受所述计算机控制。
12.根据权利要求1所述的飞行传感器，所述飞行传感器还包括：
无线通信单元(111)，其中，所述计算机被配置为经由所述无线通信单元接收遥控器的命令。
13.根据权利要求12所述的飞行传感器，其中，所述遥控器具有图形用户界面GUI，该图形用户界面GUI被配置为示出所述3D点云。
14.根据权利要求1所述的飞行传感器，其中，
所述电源接口被配置为向所述轮廓仪提供来自所述无人机UAV的电池的电力。
15.根据权利要求7所述的飞行传感器，其中，所述计算机被配置为还基于所述光探测和测距LiDAR数据和所述视觉数据来控制所述螺旋桨。
16.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，所述计算机被配置为至少部分基于所述光探测和测距LiDAR数据、所述视觉数据以及所述姿态数据来控制以下各项中的至少一个：
着陆方法；
碰撞避免；
悬停；以及
自动高度控制。
17.根据权利要求1所述的飞行传感器，
其中，所述视觉传感器的至少一个照相机是以下各项中的一个：
热红外照相机；以及
高光谱照相机。
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