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一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法

阅读：735发布：2021-02-12

IPRDB可以提供一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法，属于空基路面信息检测领域。本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置包括微控制器、系统存储单元、相机控制单元、电平转换单元、声光报警单元、电压调理单元和数据存储单元；电平转换单元预留多路RS‑232通信接口、微处理器预留以太网通信接口和多路UART通信接口，相机控制单元预留相机快门接口和相机同步接口；本发明还公开基于所述装置实现的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制方法。本发明能够实现对多传感器及设备的同时启控、同步控制及数据同步标识，进一步实现多传感器在相同时间点的同步信息采集，具有精度高、稳定性好、集成度高、抗干扰能力强的优点。，下面是一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置，其特征在于：包括微控制器、系统存储单元、相机控制单元、电平转换单元、声光报警单元、电压调理单元和数据存储单元；

电平转换单元预留多路RS-232通信接口、微处理器预留以太网通信接口和多路UART通信接口，相机控制单元预留相机快门接口和相机同步接口；

微控制器预留多路高可靠性的UART通信接口，其中：UART-1通信接口用于连接数据存储单元，负责同步信息的存储；UART-2通信接口用于连接无线数据传输单元，负责地空之间的信息交互，接收地面的控制指令并回发装置工作状态信息；UART-3至UART-n通信接口用于连接多传感器，UART-3至UART-n通信接口数量根据传感器数量而定；所述的多传感器包括单反相机、光电吊舱和激光雷达；

电平转换单元预留多路抗干扰能力强的RS-232通信接口，其中：RS-232-1通信接口用于连接光电吊舱，负责吊舱控制指令的发出和吊舱状态信息的采集；RS-232-2通信接口用于连接自动驾驶仪，负责接收控制指令和自动驾驶仪状态信息的采集；RS-232-3至RS-232-n通信接口用于连接符合RS-232标准的传感器，数量根据符合RS-232标准的传感器数量而定；

以太网通信接口用于连接激光雷达，负责激光雷达控制指令的发出和采集帧数据的接收；

相机快门接口用于连接单反相机快门接口，预留的相机快门接口和单反相机快门接口之间通过快门控制线进行连接，负责单反相机对焦指令和快门释放指令的发出；

相机同步接口用于连接单反相机PC接口，预留的相机同步接口和单反相机PC接口之间通过同步引闪信号线进行连接，负责相机同步信号的接收，作为相机拍摄反馈信号；

微控制器根据任务设置及控制逻辑，接收自动驾驶仪的控制指令和状态信息，定期向单反相机发送对焦信号和快门信号并记录拍照时刻，向相机姿态传感器发送工作模式配置指令并接收回发的姿态信息，向光电吊舱发送启动拍摄指令并记录启动时刻，向激光雷达发送开始扫描指令并接收返回的数据帧信息；最后将所有设备启动信息和状态信息保存至数据存储单元；

相机控制单元接收微控制器发出的相机控制指令，并转换为相机可识别的快门控制信号；相机控制单元接收相机回发的同步信号，并发送给微控制器。

2.如权利要求1所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置，其特征在于：所述的控制逻辑为：根据不同传感器的启动时间长短，将传感器分为慢速启动类型、快速启动类型和连续触发类型；对于慢速启动类型传感器，提前测量启动时间ts，在采集任务开始时，提前ts时间向慢速启动类型传感器发送启动指令，并将返回的启动状态信息加入时间戳后保存至数据存储单元；对于快速启动类型传感器，在采集任务开始时向其发送启动指令，并将返回的启动状态信息加入时间戳后保存至数据存储单元；对于连续触发类型传感器，从采集任务开始时即按照固定周期定时向其发送触发指令，并将返回的状态信息加入时间戳后保存至数据存储单元。

3.如权利要求2所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置，其特征在于：所述的多传感器型号和数量根据实际应用需求而定，所述的多传感器包括单反相机、光电吊舱和激光雷达。

4.一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制方法，其特征在于：基于权利要求1所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置实现，包括如下步骤，步骤1：自检和初始化；所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置上电后，首先自动检测内部各部分电路的初始状态，若任何一部分出现问题，则进行声光报警，并且向无线数据传输单元发送初始化失败信息；

步骤2：自动工作模式配置；自检和初始化完成后，自动进行所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置的工作模式配置；微控制器读取系统存储单元内存储的默认配置信息并进行相关工作模式配置；所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置的工作模式主要包括：各通讯接口的通讯速率和通讯协议，各接口所连接的设备类型，各设备的工作方式以及各设备工作的触发条件；

步骤3：工作模式修改；完成自动工作模式配置后，通过地面端对工作模式进行修改；微控制器定时向无线数据传输单元发送系统配置和状态信息，由无线数据传输单元通过无线电信号发送至地面端，地面端接收系统配置和状态信息并进行显示；地面人员根据实际情况更新配置信息并发送至平台移动端；无线数据传输单元接收控制指令并发送给微控制器；微控制器接收控制指令并进行解析和校验，校验通过后按指令执行相关配置并将更新后的工作模式信息存储至系统存储单元；

步骤4：采集任务启动；当飞行器飞至任务区域时，可由地面遥控启动或自动驾驶仪控制启动或自动启动任务的执行；自动启动任务的触发条件主要有：高度、速度以及位置；任务启动时，微控制器按照起飞前设置的工作模式向各设备发送配置指令，设置各设备的工作方式并开始工作；

步骤5：采集任务执行；微控制器定时向单反相机发送拍照指令并接收单反相机回发的同步信号，将拍照时刻的相机姿态及位置信息以及照片的编号加入时间戳信息后，发送给数据存储单元；微控制器接收各光电吊舱、激光雷达、自动驾驶仪、相机姿态传感器回传的数据，解析校验后加入时间戳信息发送给数据存储单元；

步骤6：采集任务结束；当飞行器结束任务飞离任务区域时，由地面遥控结束或自驾仪控制结束或自动结束任务的执行；自动结束任务的判别条件主要有：高度、速度以及位置；

任务结束时，微控制器向各设备发送停止工作指令，停止各设备的数据采集；

步骤7：数据的导出和分析；对装置记录的同步信息和各设备采集的数据进行融合处理。

说明书全文

一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置，尤其适用于空基路面信息检测平台所搭载的各类设备及传感器的同步控制，属于空基路面信息检测领域。

背景技术

[0002] 随着我国道路交通网络的快速发展，公路信息检测需求日益增加，而空基路面信息检测平台由于具有非接触、机动性好等优点而广受重视。传统的航摄、测绘等采用的固定翼飞行器飞行高度(3000m)较高，而旋翼飞行器又存在航程短、效率低等缺陷；因此，针对公路信息的检测需求需要一种低空(300m)长航时固定翼无人机的空基路面信息检测平台。该检测平台集成单反相机、光电吊舱和激光雷达等多功能、多类型传感器，可实现多种地空数据的快速采集。

[0003] 平台所集成的单反相机、光电吊舱和激光雷达等设备相互独立，启动方式不同，不能同时启动。个别设备上电后即开始工作，费电且存在无效数据，占据有限存储空间，浪费有限机载资源，增加成本，降低效率，对后期数据处理工作带来不便。虽然单反相机、光电吊舱和激光雷达等设备自身均带有存储功能，但是由于各传感器之间采集速率不同且存储格式不一，无法建立统一的标志，不利于数据的多维对比。

发明内容

[0004] 针对现有技术中空基路面信息检测平台存在的上述技术问题，为满足空基路面信息检测平台的需求，本发明目的是提供一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法，能够实现对多传感器及设备的同时启控、同步控制及数据同步标识，进一步实现多传感器在相同时间点的同步信息采集，具有精度高、稳定性好、集成度高、抗干扰能力强的优点。所述的多传感器包括单反相机、光电吊舱和激光雷达。

[0005] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

[0006] 本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置，包括微控制器、系统存储单元、相机控制单元、电平转换单元、声光报警单元、电压调理单元和数据存储单元。电平转换单元预留多路RS-232通信接口、微处理器预留以太网通信接口和多路UART通信接口，相机控制单元预留相机快门接口和相机同步接口。

[0007] 微控制器预留多路高可靠性的UART通信接口，其中：UART-1通信接口用于连接数据存储单元，负责同步信息的存储；UART-2通信接口用于连接无线数据传输单元，负责地空之间的信息交互，接收地面的控制指令并回发装置工作状态信息；UART-3至UART-n通信接口用于连接多传感器，UART-3至UART-n通信接口数量根据传感器数量而定。所述的多传感器包括单反相机、光电吊舱和激光雷达。

[0008] 电平转换单元预留多路抗干扰能力强的RS-232通信接口，其中：RS-232-1通信接口用于连接光电吊舱，负责吊舱控制指令的发出和吊舱状态信息的采集；RS-232-2通信接口用于连接自动驾驶仪，负责接收控制指令和自动驾驶仪状态信息。RS-232-3至RS-232-n通信接口用于连接符合RS-232标准的传感器，数量根据符合RS-232标准的传感器数量而定。

[0009] 以太网通信接口用于连接激光雷达，负责激光雷达控制指令的发出和采集数据帧的接收。

[0010] 相机快门接口用于连接单反相机快门接口，预留的相机快门接口和单反相机快门接口之间通过快门控制线进行连接，负责单反相机对焦指令和快门释放指令的发出。

[0011] 相机同步接口用于连接单反相机PC(Prontor-Compur)接口，预留的相机同步接口和单反相机PC接口之间通过同步引闪信号线进行连接，负责相机同步信号的接收，作为相机拍摄反馈信号。

[0012] 微控制器根据任务设置及控制逻辑，接收自动驾驶仪的控制指令和状态信息，定期向单反相机发送对焦信号和快门信号并记录拍照时刻，向相机姿态传感器发送工作模式配置指令并接收回发的姿态信息，向光电吊舱发送启动拍摄指令并记录启动时刻，向激光雷达发送开始扫描指令并接收返回的数据帧信息。最后将所有设备启动信息和状态信息保存至数据存储单元。

[0013] 所述的控制逻辑为：根据不同传感器的启动时间长短，将传感器分为慢速启动类型、快速启动类型和连续触发类型。对于慢速启动类型传感器，提前测量启动时间ts，在采集任务开始时，提前ts时间向慢速启动类型传感器发送启动指令，并将返回的启动状态信息加入时间戳后保存至数据存储单元；对于快速启动类型传感器，在采集任务开始时向其发送启动指令，并将返回的启动状态信息加入时间戳后保存至数据存储单元；对于连续触发类型传感器，从采集任务开始时即按照固定周期定时向其发送触发指令，并将返回的状态信息加入时间戳后保存至数据存储单元。

[0014] 相机控制单元接收微控制器发出的相机控制指令，并转换为相机可识别的快门控制信号；相机控制单元接收相机回发的同步信号，并发送给微控制器。

[0015] 所述的多传感器型号和数量根据实际应用需求而定，所述的多传感器包括单反相机、光电吊舱和激光雷达。

[0016] 本发明还公开基于所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置实现的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制方法，包括如下步骤：

[0017] 步骤1：根据实际需求连接设备和传感器，连接过程中各设备电源均断开。

[0018] 步骤2：设备和传感器上电。依次将设备和传感器接入电源，检查上电后各设备和传感器状态，若状态正常则执行步骤3，否则断电后执行步骤1。

[0019] 步骤3：自检和初始化。所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置上电后，首先自动检测内部各部分电路的初始状态，若任何一部分出现问题，则进行声光报警，并且向无线数据传输单元发送初始化失败信息。

[0020] 步骤4：自动工作模式配置。自检和初始化完成后，自动进行所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置的工作模式配置。微控制器读取系统存储单元内存储的默认配置信息并进行相关工作模式配置。所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置的工作模式主要包括：各通讯接口的通讯速率和通讯协议，各接口所连接的设备类型，各设备的工作方式以及各设备工作的触发条件。

[0021] 步骤5：工作模式修改。完成自动工作模式配置后，通过地面端对工作模式进行修改。微控制器定时向无线数据传输单元发送系统配置和状态信息，由无线数据传输单元通过无线电信号发送至地面端，地面端接收系统配置和状态信息并进行显示。地面人员根据实际情况更新配置信息并发送至平台移动端。无线数据传输单元接收控制指令并发送给微控制器。微控制器接收控制指令并进行解析和校验，校验通过后按指令执行相关配置并将更新后的工作模式信息存储至系统存储单元。

[0022] 步骤6：采集任务启动。当飞行器飞至任务区域时，可由地面遥控启动或自动驾驶仪控制启动或自动启动任务的执行。自动启动任务的触发条件主要有：高度、速度以及位置等。任务启动时，微控制器按照起飞前设置的工作模式向各设备发送配置指令，设置各设备的工作方式并开始工作。

[0023] 步骤7：采集任务执行。微控制器定时向单反相机发送拍照指令并接收单反相机回发的同步信号，将拍照时刻的相机姿态及位置信息以及照片的编号加入时间戳信息后，发送给数据存储单元。微控制器接收光电吊舱、激光雷达、自动驾驶仪、相机姿态传感器回传的数据，解析校验后加入时间戳信息发送给数据存储单元。

[0024] 步骤8：采集任务结束。当飞行器结束任务飞离任务区域时，由地面遥控结束或自驾仪控制结束或自动结束任务的执行。自动结束任务的判别条件主要有：高度、速度以及位置等。任务结束时，微控制器向各设备发送停止工作指令，停止各设备的数据采集。

[0025] 步骤9：数据的导出和分析。对装置记录的同步信息和各设备采集的数据进行融合处理。

[0026] 有益效果：

[0027] 1、本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法，以时间戳作为多传感器数据的统一标志，在时间维度上建立多传感器数据的联系，便于数据的多维对比和融合处理，从而提高数据精度、减小采集误差。

[0028] 2、本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置，预留多个标准通讯接口，集成度高、可靠性好、抗干扰能力强，可适配多类留有标准通讯接口的传感器。

[0029] 3、本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法，可以实现单反相机、光电吊舱和激光雷达等多传感器的同时启控和同步控制，节约无人机能源。

[0030] 4、本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法，能够控制多传感器在非采集区域停止工作，避免无效数据的采集，减小数据处理时间。

[0031] 5、本发明公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置及方法，能够满足空基检测平台的需求，此外也适用于其他使用环境的低空固定翼无人机检测平台的多传感器数据采集与同步记录等。

附图说明

[0032] 图1为本发明硬件结构框图；

[0033] 图2为本发明实施例中各设备和传感器的连接示意图；

[0034] 图3为本发明实例具体实施流程；

[0035] 图4为本发明具体实例实施之后的部分数据结果。

具体实施方式

[0036] 为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

[0037] 实施例1：

[0038] 如图1所示，本实施例公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置，包括微控制器、系统存储单元、相机控制单元、电平转换单元、声光报警单元、电压调理单元和数据存储单元。电平转换单元预留多路RS-232通信接口、微处理器预留以太网通信接口和多路UART通信接口，相机控制单元预留相机快门接口和相机同步接口。

[0039] 如图2所示，单反相机、光电吊舱、激光雷达、相机姿态传感器、自动驾驶仪等分别与所述的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制装置相连。

[0040] 自动驾驶仪与本装置通讯采用RS-232异步传输标准，自动驾驶仪通过RS-232-2通信接口以20Hz固定频率主动发送飞行器三轴加速度、三轴角速度、三轴角度、经度、纬度、高度、地速、空速等信息。

[0041] 相机姿态传感器与本装置采用TTL电平标准异步串行通讯方式，微控制器通过UART-3通信接口向相机姿态传感器发送初始化和工作模式设置指令，将相机姿态传感器设置为100Hz主动输出三轴角度和高度信息。相机姿态传感器胶接于相机表面，相机紧固于云台框架上，云台通过减震机构安装在飞行器相应的位置。

[0042] 单反相机与本装置通过快门控制线和同步引闪信号线连接，微控制器通过相机快门接口向单反相机发送对焦指令和快门释放指令，并通过相机闪光灯同步接口接收相机发出的同步引闪信号作为拍照确认信号，防止漏拍现象，同时也大幅提高航摄任务的数据记录精度。

[0043] 光电吊舱与本装置采用RS-232异步传输标准，微控制器通过RS-232-1通讯接口向光电吊舱发送复位、转动、变焦和拍摄等控制指令，光电吊舱以10Hz频率回发三轴姿态及拍摄状态信息。

[0044] 激光雷达与本装置采用TCP/IP通讯协议，微控制器通过以太网通信接口向激光雷达发送扫描速度、扫描精度等配置信息，激光雷达按设置的速率回传扫描数据帧。

[0045] 如图3所示，本实施例公开的一种空基路面信息检测平台多传感器同步控制方法，包括如下步骤：

[0046] 步骤1：按照附图2连接单反相机、光电吊舱、激光雷达、相机姿态传感器、自动驾驶仪等设备和传感器，连接过程中各设备电源均断开。

[0047] 步骤2：设备和传感器上电。依次将单反相机、光电吊舱、激光雷达、相机姿态传感器、自动驾驶仪等设备和传感器接入电源，检查上电后各设备和传感器状态，若状态正常则执行步骤3，否则断电后执行步骤1。

[0048] 步骤3：同步控制装置自检和初始化。同步控制装置上电后，首先自动检测内部各部分电路的初始状态，若任何一部分出现问题，则进行声光报警，并且向无线数据传输单元发送初始化失败信息。若初始化正常则执行步骤4，否则断电检查后重复执行步骤3。

[0049] 步骤4：自动工作模式配置。自检和初始化完成后，自动进行同步控制装置的工作模式配置。微控制器读取系统存储单元内存储的默认配置信息并进行相关工作模式配置。同步控制装置的工作模式主要包括：各通讯接口的通讯速率和通讯协议、各接口所连接的设备类型、各设备的工作方式以及各设备工作的触发条件。

[0050] 步骤:5：工作模式修改。完成自动工作模式配置后，可通过地面端对工作模式进行修改。确认同步控制装置工作模式配置是否正确无误，若工作模式配置有误则进行修改。检查采集任务执行时各设备的工作方式：相机姿态传感器为100Hz主动输出三轴角度和高度信息，航摄任务为定时330ms一张，光电吊舱录像任务为连续录像方式，激光雷达工作方式为100Hz主动输出扫描信息，任务触发方式均为位置触发。

[0051] 步骤6：采集任务启动。当飞行器飞至任务区域时，同步控制装置自动启动任务的执行。任务启动时，同步控制装置向相机姿态传感器发送配置指令，配置相机姿态传感器为100Hz主动输出三轴角度和高度信息；同步控制装置向激光雷达发送配置指令，配置激光雷达为100Hz主动输出扫描信息；同步控制装置向光电吊舱发送配置指令，配置光电吊舱可见光视频和红外视频开始录制。

[0052] 步骤7：采集任务执行。同步控制装置配置内部定时器定时周期为330ms，当时间达到330ms时，向相机发送拍照指令。同步控制装置接收相机回发的同步信号，并将此时的相机姿态及位置信息以及照片的编号加入时间戳信息后，发送给数据存储单元。同步控制装置接收相机姿态传感器回传的相机姿态信息，解析校验后加入时间戳信息发送给数据存储单元。同步控制装置接收光电吊舱回传的录制启动信息及三轴姿态角度，解析校验后加入时间戳信息发送给数据存储单元。同步控制装置接收激光雷达回传的扫描距离信息，解析校验后加入时间戳信息发送给数据存储单元。

[0053] 步骤:8：采集任务结束。待飞行器完成任务飞离任务区域时，同步控制装置清除内部定时器设置，停止发送拍照指令；同步控制装置向相机姿态传感器发送停止指令，停止相机姿态传感器的工作和数据回发；同步控制装置向激光雷达发送停止指令，停止激光雷达的工作和数据回发；同步控制装置向光电吊舱发送停止指令，停止可见光视频和红外视频的录制。

[0054] 步骤9：数据的导出和分析。对装置记录的同步信息和各设备采集的数据进行融合处理。

[0055] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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路径规划自动驾驶仪-专利编号CN104303123B	2020-05-12	913
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自动驾驶仪-专利编号CN203812091U	2020-05-13	835

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