申请/专利权人：西北工业大学;自然资源陕西省卫星应用技术中心

申请日：2022-04-06

公开（公告）日：2024-01-30

公开（公告）号：CN114894167B

主分类号：G01C15/00

分类号：G01C15/00;G01C7/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.01.30#授权;2022.08.30#实质审查的生效;2022.08.12#公开

摘要：本发明提出的基于多传感器技术的洞穴自动测绘系统及方法，针对地下复杂环境的客观因素，采用卫星定位模块、惯性测量单元、磁力计、气压计、激光测距模块作为传感器模块。在洞口测量初始点，通过卫星定位模块和气压计获得初始经纬度和高度，为后续洞穴测绘轨迹推算提供基准点。后续测量过程由若干个测量点组成，每个测量点的数据包括干线数据和断面线数据，每组线数据包含距离、方位角、倾角三个信息。干线包含相邻两个测量点之间的信息，用于确定洞穴的走向；断面线包含当前测量点的断面信息，用于确定洞穴的断面形状。本发明可提升目前洞穴测量方法和测试系统的自动化程度，减少人工干预，并且具有测量精度高、速度快、操作简单、携带方便的优点。

主权项：1.一种基于多传感器技术的洞穴自动测绘方法，其特征在于：所述方法利用以下系统实现：所述系统包括两台稳定支撑装置、激光测距靶标、自动测绘设备、手持客户端设备、PC端上位机；所述稳定支撑装置能够在洞穴中稳定支撑激光测距靶标以及自动测绘移动设备；所述自动测绘设备包括传感器模块、运动控制模块、微处理器、数据存储模块、人机交互模块、电源管理模块和通信模块；所述传感器模块包括卫星定位模块、惯性测量单元、磁力计、气压计、激光测距模块，用于获取洞穴干线和洞穴截面的测量信息；其中至少激光测距模块、惯性测量单元、磁力计共同安装在同一整体结构中；所述运动控制模块包括伺服执行机构及驱动电路，能够在所述微处理器控制下，带动整体机构多自由度运动；所述数据存储模块用于按照规范的标准存储传感器模块采集的数据；所述人机交互模块用于在所述微处理器控制下实现人机交互操作；所述电源管理模块通过电压转换电路将电源分配给不同的功能模块；所述通信模块用于在所述微处理器控制下与手持客户端设备通信，将传感器模块采集的数据传输给手持客户端设备；所述手持客户端设备能够对接收到的传感器模块采集数据进行数据预处理，并基于数据可视化方法根据传感器模块采集数据，显示洞穴测量的二维地图；所述PC端上位机能够接受所述数据存储模块中的存储数据，或手持客户端设备内的存储数据；基于三维重构方法，生成洞穴三维测绘地图；所述方法包括以下步骤：步骤1：将激光测距靶标和自动测绘设备分别安装在一台稳定支撑装置上；其中安装有自动测绘设备的稳定支撑装置布置在洞口位置，安装有激光测距靶标的稳定支撑装置布置在洞穴内的设定测量点，且激光测距靶标能够被自动测绘设备的激光测距模块直视；步骤2：处于洞口位置的自动测绘设备利用卫星定位模块和气压计测得初始经纬度和高度，作为洞穴测绘轨迹推算的基准点；利用磁力计确定东北天方向，建立测量坐标系；所述测量坐标系以基准点为原点，y轴指向北，x轴指向东，z轴垂直于XOY平面；运动控制模块带动激光测距模块指向激光测距靶标，并利用惯性测量单元获得激光测距靶标位置相对基准点的方位角和俯仰角，利用激光测距模块获得激光测距靶标位置相对基准点的距离信息，从而得到激光测距靶标在测量坐标系中的坐标；步骤3：利用运动控制模块带动激光测距模块运动，使得激光测距方向从指向激光测距靶标偏转到垂直于XOY平面方向；再以激光测距模块指向激光测距靶标时的激光测距方向在XOY平面上的投影方向为第一轴向，利用运动控制模块带动激光测距模块运动，使得激光测距方向绕所述第一轴向旋转至少一周，得到断面数据；步骤4：保持安装有激光测距靶标的稳定支撑装置不动，将激光测距靶标拆下，安装自动测绘设备；将原先安装自动测绘设备的稳定支撑装置移动到洞穴内的下一设定测量点，并在其上安装激光测距靶标；步骤5：运动控制模块带动激光测距模块指向激光测距靶标，并利用惯性测量单元获得激光测距靶标位置相对自动测绘设备所在测量点的方位角和俯仰角，利用激光测距模块获得激光测距靶标位置相对自动测绘设备所在测量点的距离信息，从而得到激光测距靶标在测量坐标系中的坐标；步骤6：利用运动控制模块带动激光测距模块运动，使得激光测距方向从指向激光测距靶标偏转到垂直于XOY平面方向；再以步骤5中激光测距模块指向激光测距靶标时的激光测距方向在XOY平面上的投影方向为第二轴向，利用运动控制模块带动激光测距模块运动，使得激光测距方向绕所述第二轴向旋转至少一周，得到断面数据；然后返回步骤4，直至完成洞穴内所有设定测量点的测量工作；步骤7：根据基准点和设定测量点的坐标数据，解算出洞穴的干线数据，包括基准点和相邻测量点，以及相邻测量点之间的距离、方位角、俯仰角数据；所述断面数据包括断面中各个断面点与测量点的距离以及转动角度数据；利用干线数据和断面数据实现洞穴测绘：其中，在手持客户端设备中，根据洞穴的干线数据，能够自动绘制出洞穴的二维走向，包括XOY平面内的洞穴走向图、洞穴的高度走向图；根据洞穴的断面数据，能够自动绘制某一断面的断面图；在各个断面中，断面点的角度分布相同；在PC端上位机中，根据以下过程自动完成洞穴三维重建：步骤a：对于每个断面，根据各个断面点与测量点的距离以及转动角度数据，以及测量点自身坐标，计算断面点在测量坐标系中的坐标；步骤b：在一个断面上，取相邻两个断面点，并在相邻断面上，取角度分布相同的两个相邻断面点，共计四个断面点形成封闭区域；步骤c：取所述封闭区域在XOY平面上的投影区域，将所述投影区域进行栅格化处理，根据所述四个断面点的X坐标和Y坐标，以及栅格尺寸，确定栅格节点的X坐标和Y坐标，利用所述四个断面点的X、Y、Z坐标，以及栅格节点的X坐标和Y坐标，插值得到栅格节点的Z坐标，根据栅格节点的X、Y、Z坐标，确定所述封闭区域的三维形状；步骤d：对于相邻断面中的所有相邻断面点，均按照步骤b和步骤c操作，得到相邻断面之间的完整的空间形状；进而利用所有相邻断面之间的空间形状绘制出完整洞穴三维图。

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