一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置及方法

摘要

本发明提出一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置及方法，以多旋翼飞行平台、三轴稳定云台、伺服升降架、全地形脚架、反射棱镜等为主要组成部件；反射棱镜固定于三轴稳定云台顶端，用于反射由光电测距仪发射出来的光束；三轴稳定云台固定于伺服升降架上，能够带动反射棱镜旋转至指定的姿态角度；伺服升降架安装于飞行平台之上，通过两段式折叠结构实现伸展，控制伺服升降架的伸展长度，进而控制反射棱镜的高度；飞行平台是整套装置实现飞行移动和定点悬停的载体，携带反射棱镜在水平面内大范围跨地形障碍进行移动；全地形脚架安装于飞行平台下方，主要用于观察、测量待定落点的地面情况并实现飞行立标装置在不同地形的水平着陆和稳定。

说明书

技术领域

本发明专利属于工程技术测量领域，具体涉及了一种基于无人飞行平台的工程测量立标装置。

背景技术

在工程建设项目的规划和施工阶段，都需要对施工环境进行测高、测角、测距、定向及测图等工作，在进行这些工程测量工作过程中，通常会用到一种仪器——全站仪，即全站型电子测距仪，在测绘、测试、监测等测量领域都已经得到广泛应用。全站仪工作时由光电测距仪发出红外光束到目标点位处调平后的棱镜再反射回来，通过测量发出光束到光束返回的时间差，从而计算光束传播轨迹的长度。全站仪运用光沿直线传播的原理，实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴的同轴化，可以实现对棱镜所处位置的距离、角度、高度等信息的测量，因此在测绘过程中需要将全站仪和棱镜配合使用。

工程测量过程中，全站仪通常需要两人配合进行测量，其中一人操作全站仪，另一人放置棱镜。放置棱镜这一过程被称为立标，在一些特殊场合人工放置棱镜立标会有很多的局限性。例如，在野外地形测绘环境中，经常会遇到人力难以跨越的河流沟壑，此时若需要测绘对岸目标的角度、距离等情况，就需要耗费大量的时间、人力等成本以跨越地形障碍。此外，在野外测绘环境中，难以避免的另一个问题是测绘立标人员可能会面临较大的安全隐患，如高处坠落、坍塌滑坡伤害、雷电伤人、溺水、动物伤人等。

专利“一种棱镜杆的组装式延长杆”(专利公开号：CN209764105U)中针对现有的全站仪棱镜杆长度不足给操作人员进行测量工作带来不便的问题，发明了一种能够在传统棱镜杆基础上对其延长的装置，解决了操作人员使用传统棱镜杆时面对过低、过高、环境恶劣测量位置时的诸多困难。该延长杆将主杆通过夹持装置与传统全站仪棱镜杆相固定，使传统全站仪棱镜杆得以延长，使操作人员使用全站仪棱镜杆时更加方便快捷。此方法虽然与传统全站仪棱镜杆测量装置相比有所改进，但仍存在着一些不足：(1)并未从根本上排除操作人员立标时复杂环境带来的安全隐患；(2)虽然能够在一定程度上克服传统全站仪棱镜杆长度带来的限制，但仍不能完全克服深沟险壑等复杂恶劣地理环境造成的抵达立标点困难，因难以立标导致无法测量的问题；(3)传统测量过程需要两个操作人员配合工作，立标操作人员需要抵达立标地点，跨越险峻地形障碍时所耗费的时间、人力成本大大增加，降低了工作效率。

发明内容

为减少复杂野外环境下人工测绘的时间和经济成本、降低恶劣测量环境下立标人员面临的人身风险、提高测量快速性和精度，本发明提出了一种基于无人飞行平台、配合全站仪使用的飞行立标装置。利用本飞行立标装置，使得单人便可遥控操作搭载着反射棱镜的飞行平台在测量区域内飞行起落，并通过远程操纵控制反射棱镜的高度和角度，实现无人远程遥控立标，减小了险峻地形对立标工作的制约。通过本发明提出的远程控制自动化飞行立标装置，解放了立标工作所需人力，提高了险峻环境下测量工作的效率、精度和安全性。

技术方案

本发明给出了一套以多旋翼飞行平台、三轴稳定云台、伺服升降架、全地形脚架、反射棱镜等为主要组成部件，能够实现高精度单人操作且适用于多种险峻测量环境的远程无人立标定点测量装置的技术方案。考虑到野外险峻环境给工程测绘带来的安全问题、人力成本问题以及测量效率问题，提出了一套能够进行远程遥控飞行从而放置并操控反射棱镜位置和方向的无人立标装置，实现飞行立标装置跨越地形障碍后反射棱镜的精确定位和定向。

本装置使用了三轴稳定云台、伺服升降架、八旋翼飞行平台、全地形脚架等自动化设备实现了高效的远程定点立标，提高了工程测量效率，解决了险峻地形条件下测量人员面临安全风险和地形限制难以立标等问题，形成了基于无人飞行平台搭载的工程测量立标装置技术方案，主要特征包括：采用多旋翼飞行平台(优选八旋翼飞行平台)作为本飞行立标装置的基础飞行平台，具有载重量大和飞行平稳等优点，可人工操纵其定点飞行跨越地形障碍，实现悬停和垂直起降；飞行平台底部安装具有地形测量与适应功能的全地形脚架，能够协助飞行平台在不同坡度和环境垂直起降；飞行平台顶部通过伺服升降架连接三轴稳定云台，三轴稳定云台上安装反射棱镜，能够由测量人员远程控制反射棱镜的三个姿态角，使得反射棱镜的反射光轴与光电测距仪目镜视准轴相重合；承载三轴稳定云台的伺服升降架在伺服电机驱动下可实现对反射棱镜水平高度的调节。

本技术方案的主要特点包括：(1)以多旋翼飞行平台作为基础载体，能够实现高效的跨地形障碍移动，利用飞行平台的空中悬停和垂直起降特性，相比于传统棱镜杆具有了对任意目标位置点的测量能力；(2)飞行立标装置具有双工作模式——悬停测量和降落测量，可针对不同环境采用适合的工作模式；(3)棱镜方向能够远程控制，测量人员通过光电测距仪目镜观测到棱镜当前位置后，可通过远程遥控三轴稳定云台的方式控制棱镜转动到反射光轴与目镜光轴重合的位置；(4)全地形脚架搭载的测量传感器能够对落地高度和落地点地形进行判断，进而操纵可伸缩的全地形脚架适应地形，使得工程立标装置能够在复杂倾斜地形上安全的垂直起降并保持水平姿态；(5)全地形脚架搭载的图像传感器能够将飞行立标装置待降落地点的地面情况进行回传，帮助测量人员选择相应的工作模式。

本装置具有悬停测量和降落测量两种工作模式，悬停测量由飞行立标装置平稳飞行并悬停于待测点的正上空进行测量工作，降落测量则依靠全地形脚架适应地形起伏从而平稳降落进行测量工作。测量任务开始后首先由测量人员控制无人飞行平台飞行抵达待测目标点上空，由图像传感器获取待降落地点的地形图像信息，测量人员据此对当前位置点的地形情况进行分析，选择一种合适的工作模式。若预定落点处地形复杂、障碍物较多可选择悬停测量模式，若预定落点处地形空旷、较为平坦则选择降落测量模式，接下来再根据不同工作模式对应的操作方法进行立标测量。下面分别介绍飞行立标平台两种工作模式下的工作过程。

悬停测量模式：此测量方式好处在于无需降落，不受待测量点的地形限制，但飞行悬停耗能高，因此这种测量方式更适用于单次快速测量和不适宜降落的情况。飞行立标平台在测量人员控制下飞行至目标点位置，飞行悬停于近地空中，测量人员首先对飞行立标平台的高度进行调节，此时可以通过调整旋翼飞行平台在竖直方向上的飞行高度进行粗调，接着调节伺服升降架的展开长度。由于三轴稳定云台位于伺服升降架顶端，因此通过控制伺服升降架的展开长度即可细调三轴稳定云台及云台上反射棱镜的高度，通过此方式将反射棱镜调整至合适的高度。接着控制三轴稳定云台转动，由于反射棱镜与三轴稳定云台的内框相固连，因此可以通过操纵三轴稳定云台内、中、外框的转动分别控制反射棱镜的俯仰、偏航和滚动等三个方向角。通过将飞行平台的飞行高度、姿态与伺服升降架伸展高度、三轴稳定云台转动角度进行联动控制和位置补偿，最终使得反射棱镜调整并始终保持在反射光与光电测距仪的目镜光轴重合的位置，完成测量工作。测量结束后，飞行立标装置飞离被测点并适时降落或返回，执行下一测量任务时重复上述过程。

降落测量模式：在需要进行长时间作业的工程测量任务环境中，优先使用降落测量方式，由于本方式将飞行立标装置降落在地面上进行测量工作，缩短了能耗最高的飞行过程，因此能够降低电量损耗实现长时间的测量工作。当飞行立标装置在测量人员控制下，飞到待测点上空时，根据回传的视频图像进行判断，若此处地势平缓或者地面障碍物不影响降落和二次起飞，则适合进行落地测量。由测量人员向飞行立标装置发送降落指令，首先旋翼飞行平台缓缓下降至近地面，然后由全地形脚架底部的多测点超声波探头探测地面平整度情况，由此解算出全地形脚架四个可伸缩支腿的伸展长度，使得飞行立标装置能够平稳降落在目标地面，保持飞行立标装置整体重心的垂线位于全地形脚架中心点附近以避免倾倒。接下来由测量人员操纵将伺服升降架高度调整到合适位置，控制三轴稳定云台转动使得棱镜反射光轴对准光电测距仪的目镜光轴，飞行立标装置记录当前反射棱镜在大地坐标系下的姿态角信息并进行闭环稳定控制，使得反射棱镜始终保持所设置的测量角度，从而开展并完成测量工作。在结束一次测量工作后，测量人员操作旋翼飞行平台起飞，全地形脚架和伺服升降架收缩，整个飞行立标装置飞往下一个测量地点，重复上述过程。

有益效果

本发明的有益效果是：

(1)本发明所提出的飞行立标装置适用于野外工程、地质测绘中，解决了由于地形地貌复杂、存在地形障碍导致难以完成测量工作的难题，降低了测量人员野外测量立标时所面对的安全风险，提高了面对障碍和险峻地形情况下反射棱镜立标的速度和效率；

(2)本发明能够由全站仪的操作人员单人独立操作控制，无需专门的立标人员配合，节省了人力成本，双工作模式配合使用兼顾测量效率和测量精度，使测量人员不必携带反射棱镜及支架跋山涉水进行立标工作；

(3)反射棱镜位置和朝向能够通过闭环反馈实现精确控制，使得棱镜的姿态角控制精度可达0.1°，位置控制精度可达2mm，以保证良好的立标精度和测量精度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为总体结构示意图

图中标号：1 反射棱镜；2 三轴稳定云台；3 伺服升降架；4 八旋翼飞行平台；5 全地形脚架

图2为三轴稳定云台

图中标号：1 反射棱镜；6 云台内框；7 云台中框；8 中框电机；9 云台外框；10 伺服升降架顶板；11 外框电机；12 内框电机

图3为伺服升降架

图中标号：10 伺服升降架顶板；13 双段折叠杆；14 折叠杆升降伺服电机；15 伺服升降架底板

图4为八旋翼飞行平台

图中标号：16 机体及机载飞控部件；17 旋翼；18 无刷电机

图5为全地形脚架

图中标号：19 飞行平台设备舱；20 图像传感器；21 脚架桁架；22 脚架支腿；23万向节；24 脚架支座；25 超声波探头；26 桁架铰链；27 支腿铰链

图6为工作流程示意图

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例中的装置主要由反射棱镜1、三轴稳定云台2、伺服升降架3、八旋翼飞行平台4、全地形脚架5等组成。反射棱镜1固定于三轴稳定云台2顶端，用于反射由光电测距仪发射出来的光束，从而通过光束往返时间计算反射棱镜1所在待测点与光电测距仪之间的距离；三轴稳定云台2固定于伺服升降架3上，能够带动反射棱镜1旋转至测量人员指定的姿态角度；伺服升降架3安装于八旋翼飞行平台4之上，通过两段式折叠结构实现伸展，测量人员可以通过控制伺服升降架3的伸展长度，进而控制反射棱镜1的高度；八旋翼飞行平台4是整套装置实现飞行移动和定点悬停的载体，携带反射棱镜1在水平面内大范围跨地形障碍进行移动；全地形脚架5安装于八旋翼飞行平台4下方，主要用于观察、测量待定落点的地面情况并实现飞行立标装置在不同地形的水平着陆和稳定。

图2展示了三轴稳定云台2的结构组成，如图所示，云台内框6顶端固连有反射棱镜1，内框电机12、中框电机8、外框电机11分别驱动云台内框6、云台中框7、云台外框9绕各自轴转动，外框电机11一端与伺服升降架顶板10相固连。工作时，三轴稳定云台2的内框电机12、中框电机8、外框电机11分别带动云台内框6、云台中框7、云台外框9转动从而依次调节反射棱镜1的滚转、俯仰和偏航姿态角，待三轴稳定云台2带动反射棱镜1转动至反射棱镜1的反射光束与光电测距仪目镜光轴相重合的位置后，三轴稳定云台2将各框姿态角信息传递至飞行立标装置核心处理器，飞行立标装置核心处理器将反射棱镜1在三轴稳定云台2上的姿态角信息与飞行平台的姿态角信息进行融合解算，得到当前反射棱镜1在大地坐标系下的实际俯仰角、滚转角和偏航角。三轴稳定云台2可实现闭环反馈控制，通过不断精细调整各框角度使反射棱镜1保持稳定的空间角位置。三轴稳定云台2的主要参数如表1所示：

表1 三轴稳定云台2主要参数

图3所示伺服升降架3主要由伺服升降架顶板10、双段折叠杆13、折叠杆升降伺服电机14和伺服升降架底板15组成。当测量人员控制伺服升降架顶板10升起或降落时，由三路折叠杆升降伺服电机14同时工作，驱动三根双段折叠杆13伸展，进而带动伺服升降架顶板10在竖直方向运动，直至测量人员将其调整至适合测量的高度。伺服升降架主要设计参数如表2所示：

表2 伺服升降架3主要设计参数

如图4所示，八旋翼飞行平台4工作时，八个旋翼17在各自无刷电机18的驱动下转动，实现平稳飞行和悬停等功能。作为整个无人立标装置的飞行载体，八旋翼飞行平台4搭载了本飞行立标装置的其它部组件并实现了跨越地形障碍的机动能力，提供了其它部组件工作所需的电能、相应测量信息和通讯能力。设计参数如表3所示：

表3 八旋翼飞行平台4设计参数

图5全地形脚架5工作时，首先由图像传感器20拍摄地面地形情况并将图像传回，经过测量人员对地面图像进行观察分析，认为可降落时向飞行平台控制器发送缓降指令。飞行平台保持水平姿态缓降至近地面高度，接着位于四个脚架支座24底部的超声波探头25探测各脚架支座24与即将降落地面的距离，据此解算出保持八旋翼飞行平台4与地面保持平行时四个脚架支腿22和脚架桁架21的伸缩长度。脚架支腿22两端的支腿铰链27分别连接着飞行平台设备舱19和万向节23，脚架桁架21两端的桁架铰链26分别连接着飞行平台设备舱19和脚架支腿22的外杆。在脚架支腿22和脚架桁架21内部的伺服机构作用下，脚架桁架21的内杆能够沿其外杆伸出，继而推动脚架支腿22以飞行平台设备舱19上的支腿铰链27为中心转动，控制脚架支腿22的开合。同理，在脚架支腿22内部的伺服机构作用下脚架支腿22的内杆也能够沿其外杆做直线运动，带动脚架支腿22末端的万向节23完成长度伸缩。万向节23则用于实现对落地点的地形随动匹配，万向节23的下端装有可更换以适配多种地形的脚架支座24，用于测量脚架支座24距地面距离的超声波探头25嵌于脚架支座24底端。在脚架支腿22和脚架桁架21伸缩到达预定长度后，各超声波探头25探测到的脚架支座24距离此刻地面的高度基本一致，八旋翼飞行平台4缓缓降落至地面并保持水平姿态。全地形脚架5的设计参数如表4：

表4 全地形脚架5设计参数

飞行立标装置的工作过程如图6所示，首先测量人员操作飞行立标装置飞至待测目标点上方10-20米高度的低空位置，操作图像传感器20拍摄待测目标点的地面情况并将相应图像传输回测量人员操作端，以供测量人员了解目标点地面信息，进而根据目标点地形条件对工作模式进行选择。本装置有两种工作模式供测量人员选择，即悬停测量模式和降落测量模式。

当测量人员选择悬停测量模式时，先向机体及机载飞控部件16发送悬停指令，继而八旋翼飞行平台4在待测目标点处平稳悬停，通过调整八旋翼飞行平台4的悬停高度对棱镜1的高度进行粗调节，然后通过伺服升降架3的伸缩对棱镜1的高度进行精调节，最终达到合适的测量高度。在测量过程中，八旋翼飞行平台4、伺服升降架3和三轴稳定云台2分别控制反射棱镜1的水平位移、垂直高度和三个姿态角。使得棱镜反射光与光电测距仪目镜光轴重合，完成测量工作后操纵八旋翼飞行平台4上升返回或飞往下一个测量目标点。

当测量人员选择降落测量模式时，先向机体及机载飞控部件16发送降落指令，使得八旋翼飞行平台4缓缓降落至近地处。全地形脚架5底部的超声波探头25对各脚架支座24距地面高度进行探测，进而通过地面距离信息反馈解算出脚架桁架21和脚架支腿22的伸缩位移，并由其内部的伺服机构执行伸缩动作，调整至各脚架支座24距地面高度相同后装置平稳降落地面并保持水平姿态。落地后通过伺服升降架3的伸缩对反射棱镜1的高度进行调节，达到合适的测量高度。在测量过程中，八旋翼飞行平台4、伺服升降架3和三轴稳定云台2分别控制反射棱镜1的水平位移、垂直高度和三个姿态角，使得棱镜反射光与光电测距仪目镜光轴重合，完成测量工作后操纵八旋翼飞行平台4上升返回或飞往下一个测量目标点。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。