本實(shí)用新型涉及地形測(cè)繪和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理裝置。

背景技術(shù)：

機(jī)載激光掃描系統(tǒng)是指將機(jī)載LIDAR與慣性測(cè)量單元、GPS結(jié)合，以飛行器作為搭載平臺(tái)，具有快速、精確獲取高密度數(shù)據(jù)能力的新型空中對(duì)地測(cè)量系統(tǒng)。由于其主動(dòng)性、受天氣影響較小等優(yōu)勢(shì)，受到各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。

國內(nèi)激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的研究起步較晚，和外國的先進(jìn)技術(shù)還存在著比較大的差距，我國測(cè)繪地理信息獲取與更新長期以來主要依賴航空攝影測(cè)量方法，存在易受天氣影響、作業(yè)效率低等問題，而機(jī)載激光雷達(dá)能夠全天時(shí)、全天候快速獲取各種地表環(huán)境下的高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以往的激光掃描系統(tǒng)都是采用單一的處理器結(jié)構(gòu)，如果要同時(shí)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、位置姿態(tài)數(shù)據(jù)甚至是高清圖像數(shù)據(jù)，單一處理器的負(fù)荷能力就不足以承擔(dān)如此大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集以及處理工作，往往會(huì)造成數(shù)據(jù)丟包甚至處理器奔潰的情況，制約了激光掃描系統(tǒng)的可拓展性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種基于雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了同步地采集多種大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)，可快速高效地測(cè)繪地形，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工繪制方式，該數(shù)據(jù)采集裝置具有快速性、準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)易性以及更高的環(huán)境適應(yīng)能力，且可拓展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)用新型的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種基于雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集與處理裝置，所述裝置包括：主處理器、協(xié)處理器、慣性測(cè)量單元、差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、三維激光掃描儀、高清攝像頭、無線數(shù)傳電臺(tái)，

其中，所述主處理器，用于控制數(shù)據(jù)傳輸線程、采集圖像數(shù)據(jù)以及和地面站的通訊過程；所述協(xié)處理器用于采集各傳感器的數(shù)據(jù)；所述主處理器和所述協(xié)處理器相連；所述三維激光掃描儀，用于測(cè)量物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與所述協(xié)處理器相連；所述慣性測(cè)量單元，用于測(cè)量物體三軸姿態(tài)角，與所述協(xié)處理器相連；所述差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，用于定位物體的位置，與所述協(xié)處理器相連；所述高清攝像頭，用于采集物體彩色圖像數(shù)據(jù)，與所述主處理器相連；所述無線數(shù)傳電臺(tái)，用于與地面站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，與所述主處理器相連。

進(jìn)一步地，所述協(xié)處理器包括：SPI接口模塊、TTL轉(zhuǎn)RS232串口模塊、以太網(wǎng)接口模塊和以太網(wǎng)拓展接口模塊，所述主處理器包括：以太網(wǎng)接口模塊、以太網(wǎng)拓展接口模塊、USB接口模塊。

進(jìn)一步地，所述主處理器和所述協(xié)處理器通過的以太網(wǎng)接口模塊相連。

進(jìn)一步地，所述協(xié)處理器通過以太網(wǎng)拓展接口模塊采集所述三維激光掃描儀數(shù)據(jù)，通過TTL轉(zhuǎn)RS232串口模塊采集所述差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過SPI接口模塊采集所述慣性測(cè)量單元數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述主處理器通過USB接口模塊采集所述高清攝像頭的高清圖像數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)拓展接口模塊與所述無線數(shù)傳電臺(tái)相連，把所有數(shù)據(jù)按固定格式打包后通過所述無線數(shù)傳電臺(tái)傳回給地面站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述主處理器還包括SD卡存儲(chǔ)單元，用于備份存儲(chǔ)通過所述無線數(shù)傳電臺(tái)傳回給地面站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的所有按固定格式打包后的數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述主處理器采用基于TI DM3730內(nèi)核的CM-T3730工業(yè)控制板，嵌入實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述協(xié)處理器采用基于的STM32F4系列單片機(jī)STM32F407。

本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1)本實(shí)用新型公開的雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理裝置為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行，嵌入實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)的主處理器使用了Linux多線程技術(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和同步性。STM32的協(xié)處理器采用定時(shí)中斷、串口中斷等中斷方法，基本保障了所采集的數(shù)據(jù)的同步性。主、協(xié)處理器配合工作的設(shè)計(jì)，減輕了主處理器的工作負(fù)擔(dān)，解決了處理器工作頻率不夠、大數(shù)據(jù)量影響處理器工作效率的問題。雙處理器的結(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)采集過程中的可靠性和數(shù)據(jù)處理的高效性，大大提高了裝置的可拓展性。

2)本實(shí)用新型公開的雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理裝置的硬件設(shè)計(jì)集成度高，外形簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)輕巧，方便安裝在包括無人機(jī)、飛艇等各類輕小型飛行平臺(tái)上，可以避開航空管制飛行，大大減少飛行成本，并且使航空測(cè)繪掃描效率大大提高，實(shí)現(xiàn)快速高效地測(cè)繪地形。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型公開的基于雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理裝置的組成框圖；

圖2是本實(shí)用新型公開的基于雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理裝置的工作過程中的的數(shù)據(jù)流圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

本實(shí)施例公開了一種雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理裝置，包括：主處理器、協(xié)處理器、慣性測(cè)量單元(IMU)、差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)、三維激光掃描儀、高清攝像頭、無線數(shù)傳電臺(tái)，如圖1所示。

本實(shí)用新型的雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理裝置由控制器、各傳感器與無線傳輸電臺(tái)組成。各傳感器分別采集實(shí)時(shí)激光測(cè)距信息、姿態(tài)信息、位置信息和圖像信息。上述主控制器嵌入了實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件，協(xié)處理器采用中斷采集方式，與主處理器配合，實(shí)時(shí)同步采集各傳感器數(shù)據(jù)。

所述處理器分為主處理器和協(xié)處理器，協(xié)處理器包括：SPI接口模塊、UART TTL轉(zhuǎn)RS232串口模塊、以太網(wǎng)接口模塊和以太網(wǎng)拓展接口模塊；主處理器模塊包括USB接口模塊、以太網(wǎng)接口模塊和以太網(wǎng)拓展接口模塊。

主處理器搭載了SD卡存儲(chǔ)單元，傳感器數(shù)據(jù)不僅可以通過無線傳輸電臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送到地面站，還可以同時(shí)存儲(chǔ)到SD卡存儲(chǔ)單元中。

本裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率都不一致，而激光掃描儀與攝像頭數(shù)據(jù)量十分龐大，數(shù)據(jù)采集層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于統(tǒng)一各傳感器的頻率并且保證各傳感器數(shù)據(jù)采集的同步性與實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)處理發(fā)送層則要保證準(zhǔn)確無誤地解析數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)封裝打包成固定的格式。為此，在協(xié)處理器中采用一定的方式來控制各傳感器的采集頻率，在主處理器搭載LINUX系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)的接收、采集以及發(fā)送，具有較高的實(shí)時(shí)性和同步性。整體的處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

協(xié)處理器把上述所有數(shù)據(jù)打包，通過以太網(wǎng)接口模塊發(fā)送給主處理器，主處理器通過以太網(wǎng)接口模塊接收協(xié)處理器的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，同時(shí)通過USB接口模塊采集高清圖像數(shù)據(jù)，一方面把所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主處理器的SD卡存儲(chǔ)單元中備份，以便后續(xù)進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作，另一方面把所有數(shù)據(jù)按固定格式打包后通過無線數(shù)傳電臺(tái)傳回給地面站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為保證數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，本裝置的機(jī)載部分的數(shù)據(jù)傳輸通路都是采用UDP協(xié)議。

如圖1所示，本實(shí)施例中三維激光掃描系統(tǒng)選用基于TI DM3730(1GHz)內(nèi)核的CM-T3730工業(yè)控制板作為處理中心(即主處理器)，板上可搭載8G micro-SD卡作為SD卡存儲(chǔ)單元，具有高速USB接口模塊(480Mbps)，以太網(wǎng)口模塊和以太網(wǎng)拓展接口模塊，可運(yùn)行實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)。硬件資源和軟件支持上完全符合本裝置設(shè)計(jì)需求，且編程開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)易，開發(fā)效率高。CM-3730作為主控制器，主要完成下述功能：與協(xié)處理器建立可靠的通信連接，實(shí)時(shí)接收協(xié)處理器數(shù)據(jù)并且實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送到地面站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)單元中。

本實(shí)施例中，協(xié)處理器采用STM32F407ZGT6，帶有FPU的32位-M4CPU、在Flash存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)零等待狀態(tài)運(yùn)行性能的自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器(ART加速器TM)、主頻高達(dá)168MHz，具有硬件MPU，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)210 DMIPS/1.25DMIPS/MHz的性能，具有DSP指令集。存儲(chǔ)器有高達(dá)1MB的Flash，高達(dá)192+4KB的SRAM，包括64-KB的CCM(內(nèi)核耦合存儲(chǔ)器)數(shù)據(jù)RAM；具有高達(dá)32位數(shù)據(jù)總線的靈活外部存儲(chǔ)控制器：SRAM、PSRAM、NOR/NAND存儲(chǔ)器；具有多達(dá)17個(gè)定時(shí)器，15個(gè)不同的通信接口(SPI、I2C、USART、CAN)；具有專用DMA的10/100以太網(wǎng)MAC：支持IEEE 1588v2硬件；具有專用DMA、片上全速PHY和ULPI的USB 2.0高速控制器。硬件資源和軟件支持上完全符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，且編程開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)易，開發(fā)效率高。作為協(xié)處理器，STM32F407ZGT6主要完成采集各傳感器的數(shù)據(jù)并簡(jiǎn)單解析，保證數(shù)據(jù)的同步性并把數(shù)據(jù)傳輸給主處理器的功能。邏輯上把協(xié)處理器設(shè)計(jì)分為底層驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)處理層。

該實(shí)施例中，三維激光掃描儀選用了Velodyne公司的小型三維激光掃描儀VLP-16采集激光測(cè)距數(shù)據(jù)，差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)選用了NovAtel公司的OEM628采集GNSS定位數(shù)據(jù)，慣性測(cè)量單元選用了高精度的慣性導(dǎo)航單元ADIS16480采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，高清攝像頭選用了高清USB廣角高清攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)。

綜上所述，本實(shí)用新型公開的雙處理器結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集處理裝置為保證所有傳感器數(shù)據(jù)的同步性，該系統(tǒng)采用雙處理器結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可拓展性；該系統(tǒng)硬件集成度高、外形美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，方便安裝在小型無人機(jī)、無人艇以及各種自主系統(tǒng)當(dāng)中；為保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃裕撓到y(tǒng)測(cè)繪范圍可以達(dá)到100米，測(cè)繪精度在±3cm，滿足測(cè)繪要求。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。