轻便型移动测量系统平台设计与研制

2022-07-14张传帅来平军刘一哲韩红涛

地理信息世界 2022年3期

张传帅，赵路，来平军，刘一哲，韩红涛

1. 自然资源部第一地形测量队，陕西西安 710054；

2. 自然资源部第一航测遥感院，陕西西安 710054

0 引言

移动测量系统是由若干子系统组成的复杂的高度集成系统，通常搭载在汽车移动平台上，是当今测绘界最为前沿的技术之一[1]，已在城市规划、道路工程测绘、智能交通和数字城市等方面得到深入应用[2]。北京四维远见的SSW系统应用于城市部件测量[3]、IPS2应用于高速公路测量[4]，华测多平台移动测量系统应用于城市道路建模[5]等。

基于电动三轮车平台的轻便型移动测量系统，体积小，核心平台可拆卸，便于携带和长距离运输，在一定程度上扩展系统应用场合，适应街道狭窄、障碍物多、电网线路密集的隐蔽地区，以及较大、较高车辆通行困难的地下停车场、防空洞等空间环境。轻便型移动测量系统可快速获取全面完整的空间三维信息，给常规、传统的测量带来新的突破[6]。

本文从实际使用出发，详细介绍了轻便型移动测量系统可拆卸、便于携带、使用快捷[7]、安全可靠等特点，以及自主设计、加工、研制、检校、测试的全过程，进一步说明基于电动三轮车平台的轻便型移动测量系统稳定可靠。

1 平台选择与设计加工

1.1 移动平台选择

轻便型移动测量系统可选平台多种多样（表1），通过比较分析，车型初步选定为三轮车。

表1 轻便型移动测量系统可选平台Tab.1 Optional platforms for portable mobile measurement system

三轮车分为油动和电动两种。油动三轮车动力强劲，但在城市中普遍管制严格，易出现上路难的问题。电动三轮车是以电瓶为主要动力，电机为驱动的拉货或拉人用的运输工具。电机采用直流串激牵引式有刷或无刷电机，内部设有调速增力装置，正常使用不易损坏，保证了输出动力强劲。电动三轮车动力补充方便，是市场上最普遍的，也是最容易实现异地选购更换的。

1.2 研制方案评估与选定

为了更直观地对基于电动三轮车的移动测量系统平台方案进行评估，利用Trimble SketchUp 8建模软件按照真实尺寸原比例搭建了电动三轮车三维模型，并在此基础上拟定了5套方案（表2）。

表2 基于电动三轮车的轻便型移动测量系统平台研制方案Tab.2 Development scheme of portable mobile measurement system platform based on electric tricycle

结合系统安全性、美观程度、改装成本、可拆卸性、便于携带、实用性、可操作性等方面的分析比对后，最终选定方案3作为基于电动三轮车的轻便型移动测量系统平台整体方案。

1.3 机械设计与加工

机械设计与加工的主要工作包括车顶平台与车轮编码系统轮盘的设计与加工，以及箱体封装、车辆加固处理等。车顶平台包括一体机安置平台和相机支柱立杆安置平台两部分，其中，一体机安置平台由4部分组成，包括钢架立体箱体、顶部钢板与铝板连接板、仪器脚压块、闪光灯警示安装部件（图1）。具体尺寸按照激光一体机实际尺寸进行量取，激光一体机距离地面高度1.75 m。

图1 激光一体机安置平台机械设计加工图Fig.1 Mechanical design and processing diagram of laser integrated machine placement platform

钢架立体箱采用7 mm钢板焊接而成，顶部先铺设钢板再与铝板连接，仪器安装完毕后，用仪器脚压块进行压盖，避免仪器抓脚的磨损。同时平台安装闪光灯警示部件，在数据采集时工作，用于警示路人，保证仪器设备的安全。钢架立体箱与底部只有4个固定螺丝，便于拆卸。侧面分别开设有两个小门，一侧小门内部安置小液晶显示器，小门放下之后可作为操作台面，便于系统控制，操作方便快捷，就另一侧小门可用来存储键盘鼠标总控电源等其他设备。

相机立杆安置平台机械设计加工（图2），由相机支杆底座、相机立柱支杆、立柱固定部件3部分组成。其中，相机支杆底座起到固定安装平台的作用，相机立柱支杆采用无缝钢管材质，为相机提供足够的拍摄高度和支撑，立柱固定部件保证立柱支杆处于竖直状态，拆卸后能安装到相同的位置，相机立柱支杆用7个螺丝固定，可整体取下，分两节设置，最长75 cm，整体高度2.25 m。

图2 相机立杆安置平台部件机械设计加工图Fig.2 Mechanical design and processing diagram of the camera rod placement platform components

车轮编码系统轮盘直接采用同轴心的过度盘安置，材质选用铝制法兰盘，通过加长过渡螺丝连接。车顶平台与车轮编码系统轮盘部分可拆卸，安装到同型号电动三轮车上或者其他牌号的电动三轮车，只要与三轮车车轮定位螺丝参数一致均可。所有设计加工完成后，在西安市浐灞生态区东郊某机械加工厂，按照设计要求进行现场定制加工， 20天完成机械加工部分，最终完成硬件部分平台研制（图3）。

图3 基于电动单轮车的轻便型移动测量系统平台机械设计加工成果Fig.3 Mechanical design and processing achievement of portable mobile measurement system platform based on electric tricycle

1.4 电路设计与电源加工

电路设计与电源加工以方便携带、便于操作为基本原则，包括电源控制箱、辅助电源、充电电路3部分。

1）电源控制箱是移动测量系统设备供电控制系统的核心部分，分为3路向全景相机、工控机、激光扫描仪供电，提供12 V、10 A电流的供电电路，同时可向外部供电，作为220 V的供电电源和充电电源，具备电量检测、USB充电等多用途功能。电源部分采用定制的200 AH锂电池，重量轻，便于运输和携带。电源控制箱内部采用标准化插接件连接，操作简单、可靠、方便。整体集成在一个电源控制箱内。

2）辅助电源是在系统正常工作时有源向锂电池充电，同时用于逆变220 V给显示器和闪光灯供电。辅助电源部分不间断输出220 V电源（700 W），向电源箱锂电池充电，使锂电池电压稳定在12.2 V左右，有效保障移动测量系统设备正常运转。

3）为完成系统搭载各个电瓶的充电任务，按照可移动拆卸、便于携带的整体原则，设计充电电路部分，进行电路集成处理，通过一个220 V市电电源接口即可完成所有电瓶的充电。更换车辆时所有线路均可带走，拆卸、安装也很方便，最大程度上避免了插错电源线现象的发生。

经过连续3天的外业测试，系统设备运转正常、整体充电运行情况稳定、可靠、实用、方便。

2 系统标定和整体检校

系统标定参数通过移动测量厂家提供的大车标定参数，间接得到电动三轮车的标定参数，整体检校参数则通过实测数据获取。

2.1 标定参数获取

系统的标定参数是求取GNSS中心位置与IMU中心位置相对偏移量的过程，是保证系统组合导航计算结果稳定可靠的基础。

移动测量系统厂商在提供设备的同时已提供移动测量系统的标定参数。将移动测量平台从汽车平台移至电动三轮车平台过程中，GNSS中心位置与IMU中心位置相对偏移量发生了明显的变化，为了保证组合导航结果的可靠性，需要将其相对偏移量准确求取。

为了解决这个难题，本文提出一种间接求取系统标定参数的方法。因为GNSS中心位置与IMU中心位置相对偏移量只涉及XYZ 3个方向和角度无关，故使用REIGL激光扫描仪在越野车平台和电动三轮车平台分别进行精确扫描，通过分别提取一体机固定点位与GNSS天线固定点位信息的方法，确定两者的较差；再由移动测量厂商提供的原标定参数，间接得到新的GNSS中心位置与IMU中心位置相对偏移量，在扫描得到的激光点云数据上进行点位提取，过程如图4所示。

图4 激光点云固定点位提取过程Fig.4 Extraction process of fixed position on the laser point cloud

此方法操作简单，但需要使用地面激光扫描仪设备。在测区不具备地面激光扫描仪设备条件的，可使用全站仪精确测量，代替地面激光扫描仪。

2.2 整体检校参数获取

1）标定程序实现。用特征点常规测量坐标和点云坐标构建法方程式，解算出激光扫描仪和IMU间的相对姿态，综合标定流程如图5所示。

图5 综合标定流程图Fig.5 Procedure of integrated calibration program

2）数据采集。数据采集的首选位置为道路两旁有房屋角等特征点的十字路口（图6），蓝色线代表道路两旁的建筑物等地物，绿色箭头代表行车轨迹与方向，红色箭头代表扫描方向。数据采集时，每条行车轨迹线至少采集两遍数据，外业采集人员详细记录行驶方向、扫描方向以及对应的文件名等。

图6 十字路口数据采集Fig. 6 Data collection at the crossroads

利用激光扫描仪随机数据采集软件设置相关参数，采集目标地物点云数据。通过相反行进方向的数据采集能够更好地消除系统误差，减小参数间的相关性。减慢行进速度能够在控制点区域得到更多的点云，实际扫描时要尽量降低车辆行进速度，并绕检校场地（建筑物）正反行进两周。在西安外业基地楼底已知点架设基站，选定公园南路、金犊路十字路口进行数据采集，标定数据扫描轨迹如图7所示。

图7 标定数据采集扫描轨迹Fig.7 Scanning trace collected from calibration data

3）控制点数据采集。控制点数据采集是采用传统测量方式进行，通过在外业基地架设网络RTK作为基准站，通过对应流动站在标定路段作地面控制图根点，使用全站仪，利用地面控制图根点，进行控制点数据采集[8]。

4）控制点点云数据采集。用激光扫描仪和IMU间的相对姿态初值解算扫描数据，得到标定路段十字路口点云数据。用RealScene浏览点云数据，将控制点映射至点云中选取控制点对应的点云，记录坐标和时间，根据时间查找计算相应的姿态数据。

5）参数计算及结果验证。参数计算使用MMS_CAL程序完成，计算结果如图8所示，包含X方向（垂直于车辆前进方向）偏移量、Y方向（车辆前进方向）偏移量、Z方向（垂直方向）偏移量、航向角Yaw、俯仰角Pitch、翻滚角Roll 6个参数。用计算求取的参数，重新解算点云数据，并将控制点映射到点云中，点云精度明显提高。

图8 EP参数求取结果Fig.8 Results of EP parameters

6）参数精化。在同一条路往返扫描点云中杆状地物（如电线杆）的重合关系，实现激光扫描仪和IMU间夹角修正和精化。

3 系统测试与精度评估

在靠近西安市南三环的公园南路南段进行系统测试，测试路段两侧以闲置未开发商业用地为主，存在个别高层建筑，整体交通状况良好，GPS信号优，同时道路两侧有成排行树及路灯，便于后期观察点云数据往返检测扫描精度和精度检测比对。为保证本次测试的测量精度，在距离测试路段6500 m处的测绘路4号西安外业基地办公大楼楼顶安置一处地面基准站。

现场采用基于电动三轮车的轻便型移动测量系统平台进行数据采集，电动三轮车平均时速15 km/h，采集时间40 min，系统初始化时间和结束化时间均为10 min，全程在辅路行驶。现场总计采集单程里程约9 km，全景照片1238组，共计7422张，大小为45.6 GB，激光数据文件75个，大小为9.34 GB。系统电压从13.6 V降至13.2 V，保持在正常电压范围内，全景相机系统、激光扫描仪、GNSS模块、IMU模块、车轮编码器、工控机部分均能实现正常工作。同时在测试路段通过RTK布设图根控制点，全站仪采集碎部点的方式获取外业测量检测点。点云数据和外业检测点坐标系为WGS84空间直角坐标系。

将外业测量检测点映射到点云数据中，在点云数据中选取对应测量特征点，坐标数据导出后与外业测量检测点进行比较，统计偏差信息并对精度进行评估。平面坐标精度评估过程中采集房角、门墩、围墙角、栅栏等明显平面特征点，高程精度评估过程中选取临近位置的高程点。通过在点云数据上选取与外业测量检测点一致的平面点40个和高程点97个，得到的平面精度见表3，高程精度见表4。

表3 平面精度统计表Tab.3 Statistical table of plane precision

表4 高程精度统计表Tab.4 Statistical table of elevation accuracy

由此可见，基于电动三轮车的移动测量系统平台可持续稳定正常采集作业，在测试路段获取的点云数据精度可靠，根据大比例尺数据测图成果精度执行《GB 14912-2005、1∶500、1∶1000、1∶2000外业数字测图技术规程》[9]，此次测试数据在平面精度和高程精度方面均满足1∶500比例尺地形图测绘的精度要求，测量精度较越野车平台稍有降低，但总体影响不大。