一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统

1.本发明属于无人机技术领域，具体涉及无人机与地面传感器的通信传输设计方案和数据信息采集多对应的增稳系统。

背景技术：

2.当前全球卫星导航系统发展迅速，北斗三号全面组网成功，北斗+应用是当今时代的主流。多尺度敏捷空间格网码大幅提升了计算机对北斗网格码定位数据的处理速度，但是面对海量的定位数据信息，需要一种能够方便快捷的数据稳定采集与传输的系统。
3.无人机是一种新兴技术，被广泛应用于军事、公共和民用领域。随着互联网与物联网的发展，无人机的应用范围也越来越广泛。无人机的出现恰好满足了北斗网格码三维立体场图构建的信息采集需要。
4.目前的无人机数据采集系统常常面临在信号干扰较强的复杂环境下产生定位信号丢失的问题从而影响了数据的采集。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统；
6.本发明作为立体域分级多尺度敏捷空间格网码宏大体系中的一个子系统，无人机信息采集系统，主要通过无人机提供一种配套网格码系统的信息采集、传输的方案。
7.本发明通过融合gnss和uwb两种定位技术实现无人机在复杂条件下的定位。
8.术语解释：
9.gnss：global navigation satellite system的缩写。全球卫星导航系统或全球导航卫星系统。
10.uwb：ultra wide band，是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。
11.本发明的技术方案为：
12.一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，包括：无人机行驶系统、无人机定位系统以及无人机信息采集系统；
13.无人机行驶系统用于：实现无人机在固定航道的自动控制行驶；
14.无人机定位系统用于：实现无人机在复杂条件下的定位，实现地理信息的精准采集；
15.无人机信息采集系统用于：将采集到的车辆信息传输到布置的中的存储设备，将地理位置信息直接传输到中的处理系统；
16.中的处理系统对地理位置信息进行标定去畸变；对采集的环境信息进行预处理，由图像像素坐标变换成世界坐标系中的三维世界坐标，三维世界坐标分为x轴、y轴和z轴，其中，x轴和y轴设定二进制坐标，并且划分不同精度的网格。
17.根据本发明优选的，无人机行驶系统包括：无人机控制模块和无人机飞行控制模块；
18.无人机控制模块：减小抖动来实现稳定的信息采集；
19.无人机飞行控制模块：包含路线规划系统，实现在特定路线的行驶。
20.根据本发明优选的，无人机行驶系统的构建过程如下：
21.(1)在一个封闭的高速场进行配置，通过即时分多址tdma的方式，实现共享传输介质或者网络的通信技术；构建i个等距分布的传感器，将无人机与传感器都配上摄像机和减震器；
22.(2)设无人机以固定高度h进行飞行并收集数据，设定最大的飞行速度为vm，总周期为t，通过时间离散化方法将周期t离散化为n个时隙，每个时隙则在时隙n时无人机坐标为w[n]＝[x(n),y(n)]
t
∈r2×1，其中，无人机的横坐标为x(n),纵坐标为y(n)，r2×1表示的是二维空间向量；
[0023]
传感器合集为si＝{1,2,3
……
,i}，传感器i的坐标为li＝[xi,yi]
t
∈r2×1，i∈si，xi为传感器i的横坐标，yi为传感器i的纵坐标，每个传感器支持能量为ei，需要传输的数据量为bi；
[0024]
假设无人机到地面为无线信号无遮挡地在发送端与接收端之间进行直线传播，即视距链路通信，则传感器i在时隙n的信道功率增益di[n]为三维立体空间上无人机与传感器i的距离，ρ0表示在视距链路通信之下的功率增益，li为传感器i的坐标，w[n]为无人机的坐标，h为无人机飞行的高度。
[0025]
根据本发明优选的，无人机定位系统包括、无人机以及流动站无人机；
[0026]
所述用于：观测无人机的卫星导航信息以及获取并存储无人机的定位信息；所述无人机用于：融合gnss和uwb的无人机增强定位，在卫星信号为达到阈值的时候对定位信息进行实时坐标差分解算；所述流动站无人机用于：检测接收的gnss卫星信号个数是否满足阈值；
[0027]
所述无人机与流动站无人机均设置有相同的gnss定位模块、uwb定位模块以及处理器，所述处理器均与gnss定位模块、uwb模块连接；
[0028]
所述gnss定位模块用于：接受发来的定位信息，进行实时坐标差分计算，以得到无人机与流动站无人机的gnss相位中心坐标；所述uwb定位模块用于：进行无人机和流动站无人机之间的距离测量，发送与接收无人机的定位信息。
[0029]
根据本发明优选的，通过几何精度因子gd0p衡量无人机定位系统空间位置分布对uwb定位精度的影响,表示流动站无人机与无人机之间的几何位置关系对uwb测距误差的放大程度,gdop的数值越小，定位精度越高，gdop的计算公式如式(i)所示：
[0030][0031]
式(i)中，b为线性观测方程的系数矩阵，tr[(b
t
b)-1
]表示(b
t
b)-1
矩阵的对角线元素之和。
[0032]
根据本发明优选的，融合gnss和uwb的无人机增强定位过程如下：
[0033]
a、预先设置无人机以及流动站无人机，所述无人机按照预设的空间
分布包围所述流动站无人机；
[0034]
b、流动站无人机实时检测当前接收的当流动站gnss卫星信号个数，当无人机检测到gnss卫星信号个数大于阈值时,阈值设置为不小于4，则判定当前gnss卫星信号个数充足,此时gnss卫星信号稳定，所述流动站无人机直接使用所述gnss定位模块进行定位，接收发来的定位信息，对所述定位信息通过rtk算法，得到流动站无人机的gnss相位中心坐标；
[0035]
当流动站无人机检测到gnss卫星信号个数不大于阈值时,则判定当前gnss信号不稳定，利用uwb定位模块得到流动站无人机的gnss相位中心坐标和gnss定位模块检测到一颗卫星信号进行钟差解算，钟差解算公式如式(ii)所示：
[0036][0037]
式(ii)中，ρ为伪距，(x,y,z)为流动站无人机的gnss相位中心坐标，(x1,y1,z1)为卫星坐标，
△
t为所要求的钟差，c为光速。
[0038]
进一步地，检测到gnss卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的uwb定位模块，通过uwb定位模块测距并接收无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标，包括：
[0039]
所述流动站无人机提取四个无人机的实时坐标，并进行无人机与流动站无人机之间的uwb测距；
[0040]
根据无人机的实时坐标以及无人机与流动站无人机之间距离建立uwb定位的非线性观测方程；
[0041]
进行线性化处理，并转换为矩阵形式。
[0042]
进一步地，无人机与流动站无人机之间的距离计算公式建立非线性观测方程如式(iii)所示：
[0043][0044]
式(iii)中，i为无人机编号，fi为第i个无人机与流动站无人机的距离，(xi,yi,zi)为第i个无人机的位置坐标，(x,y,z)为流动站无人机坐标，x＝x0+
△
x，y＝y0+
△
y,z＝z0+
△
z；
[0045]
其次，将上式在初始坐标p0(x0,y0,z0)处线性化为式(iv)：
[0046][0047]
式(iv)中，
△
x，
△
y，
△
z为流动站无人机坐标与初始坐标间的变化量；
[0048]
将观测方程在p0处线性化为式(v)：
[0049][0050]
将线性化后的方程式转化为矩阵形式，如式(vi)所示：
[0051][0052]
根据本发明优选的，无人机信息采集系统包括：地理位置信息采集模块、地理信息预处理模块、封闭场高速路监测模块、静态物体监测模块、动态物体监测模块和机载解算模块；
[0053]
所述地理位置信息采集模块：包括倾斜摄影系统，通过多角度拍摄采集高速场信息；
[0054]
所述地理信息预处理模块：将采集信息传输到中实现对图像数据的预处理；
[0055]
所述封闭场高速路监测模块：通过倾斜摄影采集高速场的信息并存入存储器中；
[0056]
所述静态物体监测模块、动态物体监测模块：通过对静态与动态物体进行区分，采集不同的信息；
[0057]
所述机载解算模块：装有rtk算法模块，用来解算坐标。
[0058]
进一步优选的，地理位置信息采集模块利用无人机机载的环境信息采集设备的倾斜摄影通过对同一物体或地形进行不同角度的拍摄从而采集封闭高速场所处环境的地形、样貌、颜信息，获得包含路面环境信息的视频帧；
[0059]
地理信息预处理模块将采集的地理信息位置转变为包括颜大小、经纬度坐标、二进制网格码坐标一系列物体位置属性信息。
[0060]
封闭场高速路监测模块通过检测固定路程的所经过车辆的时间和固定时间所经过车辆的数量从而获得该段高速路的车流信息以及交通管制信息；
[0061]
静态物体检测模块通过对不同地理信息位置所放置的不同物体信息进行标记、检测行人和静态车辆，获得位置坐标、时间戳以及长度宽度信息，从而实现三维立体场图的物体信息的构建；
[0062]
动态物体检测模块通过对不同类型车辆和人的采用不同精度的三维二进制坐标即车辆和人的动态信息，包括车辆速度加速度以及行驶方向。
[0063]
根据本发明优选的，通过机载解算模块由图像像素坐标变换成世界坐标系中的三维世界坐标，如式(vii)所示：
[0064][0065]
式(vii)中，图像像素坐标为(u,v),世界坐标系为(xw，yw，zw),像素单位长度尺寸
大小为d
x
和dy，主点的像素坐标为(u0，v0)，f为归一化焦距，r为旋转矩阵，t为平移向量，无人机距地高度为h，求得像素坐标与世界坐标之间的坐标变换关系zc，确定像素坐标与世界坐标之间的坐标变换关系。
[0066]
本发明的有益效果为：
[0067]
1.本发明从立体域分级多尺度敏捷空间格网码的发明的提出节省计算机处理数据的资源出发，再自上提出了无人机自动收集并处理封闭高速场的地理位置信息和物体的坐标定位信息作为一个闭环的整体生态链中的一个环节。
[0068]
2.本发明提出的融合gnss和uwb的无人机的增强定位系统，通过设置无人机以及流动站无人机，来实现无人机在复杂环境下的定位，克服了卫星信号受干扰对无人机定位导航的影响。
附图说明
[0069]
图1为本发明基于北斗+无人机网格码高速场数字孪生的数据采集、处理及存储系统的结构示意图；
[0070]
图2为本发明的无人机自动行驶系统和数据采集系统的无人机外页系统的结构示意图；
[0071]
图3为本发明的自动行驶和数据采集无人机的无人机内页系统的结构示意图；
[0072]
图4为本发明的融合gnss和uwb的无人机增强定位方法实施流程示意图；
[0073]
图5为本发明的自动行驶无人机数据采集的场景示意图。
具体实施方式
[0074]
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
[0075]
实施例1
[0076]
一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，如图1所示，包括：无人机行驶系统、无人机定位系统以及无人机信息采集系统；
[0077]
无人机行驶系统用于：实现无人机在固定航道的自动控制行驶；
[0078]
无人机定位系统用于：实现无人机在复杂条件下的定位，实现地理信息的精准采集；
[0079]
无人机信息采集系统用于：将采集到的车辆信息传输到布置的中的存储设备，将地理位置信息直接传输到中的处理系统；
[0080]
中的处理系统对地理位置信息进行标定去畸变；对采集的环境信息进行预处理，由图像像素坐标变换成世界坐标系中的三维世界坐标，三维世界坐标分为x轴、y轴和z轴，其中，x轴和y轴设定二进制坐标，并且划分不同精度的网格。
[0081]
实施例2
[0082]
根据实施例1所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其区别在于：
[0083]
无人机系统分为无人机外页系统和无人机内页系统；
[0084]
如图2所示，无人机外页系统包括：地理位置信息采集模块、地理信息预处理模块、封闭场高速路监测模块、静态物体监测模块、动态物体监测模块、无人机定位模块、无人机
控制模块、定位模块。
[0085]
如图3所示，无人机内页系统包括：包含机载摄像头、无线电测向干涉仪、机载解算模块、卫星定位模块、通信模块、无人机飞行控制模块和着陆地点及无人机地面遥控系统。
[0086]
本发明将无人机外页系统和内页系统划分为以下3个系统，分别为无人机行驶系统、无人机定位系统和无人机信息采集系统。
[0087]
无人机行驶系统包括：无人机控制模块和无人机飞行控制模块；
[0088]
无人机控制模块：减小抖动来实现稳定的信息采集；
[0089]
无人机飞行控制模块：包含路线规划系统，实现在特定路线的行驶。
[0090]
无人机行驶系统采用实时动态载波相位差分定位(rtk)方法，通过将无人机的定位信息以及i个传感器不断监测与无人机的距离来实现高精度定位；无人机通过接收带有网格码算法的导航定位芯片。实时动态载波相位差分定位(rtk)方法指的是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的卫星定位测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而rtk是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是gps应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新的测量原理和方法，极大地提高了作业效率。
[0091]
无人机行驶系统的构建过程如下：
[0092]
(1)在一个封闭的高速场进行配置，通过即时分多址tdma的方式，实现共享传输介质(一般是无线电领域)或者网络的通信技术；构建i个等距分布的传感器，将无人机与传感器都配上摄像机和减震器；传感器用于：测量无人机距离传感器的距离，收集无人机的坐标位置信息；减震器用于：减小无人机飞行的振动，保持拍摄画面的稳定性；减震器的安装就能使得在数据采集过程中不会受到地理信息和天气影响所产生的干扰。建设采用恒高的uwb面板型定位，其大小为86.6mm*86.6mm*35.6mm，重量为300g左右，它是一种基于uwb(超宽带)的无线载波通信技术的小型，它拥有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信号衰弱不敏感，截获能力低，定位精度高等优点。在高速场中以2km的间隔等距分布以确保信息全覆盖。
[0093]
传感器为定位传感器，它能够确定物体在坐标系中的位置及本身姿态。定位技术分绝对定位技术和相对定位技术，这里采用的是依托惯导法的绝对定位传感器。惯导法，指的是惯性导航技术，通过陀螺和加速度计测量载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息。包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。平台式惯导系统将陀螺通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。捷联惯导系统利用相对导航坐标系角速度计算姿态矩阵，把雷体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向并进行导航计算。
[0094]
摄像机是倾斜摄影相机，利用摄影机主光轴明显偏离铅垂线或水平方向并按一定倾斜角进行的摄影，同时从垂直、倾斜等多角度采集地面影像数据，经过数据处理，获取地物准确、完整的位置和纹理数据。
[0095]
(2)设无人机以固定高度h进行飞行并收集数据，设定最大的飞行速度为vm，总周期为t，通过时间离散化方法将周期t离散化为n个时隙，每个时隙则在时隙n时无人
机坐标为w[n]＝[x(n),y(n)]
t
∈r2×1，其中，无人机的横坐标为x(n),纵坐标为y(n)，r2×1表示的是二维空间向量；
[0096]
传感器合集为si＝{1,2,3
……
,i}，传感器i的坐标为li＝[xi,yi]
t
∈r2×1，i∈si，xi为传感器i的横坐标，yi为传感器i的纵坐标，每个传感器支持能量为ei，需要传输的数据量为bi；
[0097]
假设无人机到地面为无线信号无遮挡地在发送端与接收端之间进行直线传播，即视距链路通信，则传感器i在时隙n的信道功率增益hi[n]符合自由空间路径损耗的模型，所以di[n]为三维立体空间上无人机与传感器i的距离，ρ0表示在视距链路通信之下的功率增益，li为传感器i的坐标，w[n]为无人机的坐标，h为无人机飞行的高度。
[0098]
无人机定位系统包括、无人机以及流动站无人机；
[0099]
用于：观测无人机的卫星导航信息以及获取并存储无人机的定位信息；所述无人机用于：融合gnss和uwb的无人机增强定位，在卫星信号为达到阈值的时候对定位信息进行实时坐标差分解算；所述流动站无人机用于：检测接收的gnss卫星信号个数是否满足阈值；
[0100]
无人机与流动站无人机均设置有相同的gnss定位模块、uwb定位模块以及处理器，处理器均与gnss定位模块、uwb模块连接；
[0101]
gnss定位模块用于：接受发来的定位信息，进行实时坐标差分计算，以得到无人机与流动站无人机的gnss相位中心坐标；uwb定位模块用于：进行无人机和流动站无人机之间的距离测量，发送与接收无人机的定位信息。
[0102]
由于本系统是将gnss定位技术与uwb定位技术进行融合，使得流动站无人机可以在观测卫星信号个数不足时选择uwb定位模块进行定位。但是,在使用uwb定位模块进行测距定位时,定位精度很大程度上受无人机与流动站无人机的空间位置关系影响。而通过几何精度因子gd0p衡量无人机定位系统空间位置分布对uwb定位精度的影响,表示流动站无人机与无人机之间的几何位置关系对uwb测距误差的放大程度,gdop的数值越小，定位精度越高，gdop的计算公式如式(i)所示：
[0103][0104]
式(i)中，b为线性观测方程的系数矩阵，tr[(b
t
b)-1
]表示(b
t
b)-1
矩阵的对角线元素之和。
[0105]
如图4所示，融合gnss和uwb的无人机增强定位过程如下：
[0106]
a、预先设置无人机以及流动站无人机，所述无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机；
[0107]
b、流动站无人机实时检测当前接收的当流动站gnss卫星信号个数，当无人机检测到gnss卫星信号个数大于阈值时,阈值设置为不小于4，则判定当前gnss卫星信号个数充足,此时gnss卫星信号稳定，所述流动站无人机直接使用所述gnss定位模块进行定位，接收发来的定位信息，对所述定位信息通过rtk(实时动态载波相位差分)算法，得到流动站无人机的gnss相位中心坐标；
[0108]
通过定位信息求得无人机的gnss相位中心坐标，至少利用4个卫星位置的坐标采
用距离交会的方法求得接收机位置的坐标，利用星历文件中的轨道参数通过固定的公式求出卫星的位置，包括：
[0109]
1)计算卫星运行的平均角速度n：
[0110]
通过开普勒第三定律得知：
[0111][0112]
其中，μ＝3.986004418
×
10
14
m3/s2；
[0113]
2)计算归化时间tk：
[0114]
t＝t'
‑△
t
[0115]
△
t＝a0+a1(t'-t
oe
)
[0116]
tk＝t-t
oe
[0117]
tk：相对参考时刻t
oe
的规划时间
[0118]
3)计算卫星平近点角mk：
[0119]
mk＝m0+ntk[0120]
m0：卫星电文参考时刻t
oe
的平近点角
[0121]
4)计算偏近点角ek：
[0122]ek
＝mk+esin(ek)(ek、mk以弧度计)
[0123]
5)计算真近点角vk：
[0124][0125]
6)计算升交距角φk：
[0126]
φk＝vk+ω
[0127]
ω：卫星电文的近地点角距
[0128]
7)计算摄动改正项δu(升交距角)、δr(卫星矢径)、δi(轨道倾角)：
[0129][0130]
再计算经过改正的uk、rk、ik：
[0131][0132]
8)计算卫星在轨道面坐标系中的坐标：
[0133][0134]
9)计算无人机定位的空间直角坐标：
[0135]
观测时刻升交点经度ωk：
[0136][0137]
地球自转角速度：we＝7.2921150
×
10-5
rad/s
[0138]
计算空间直角坐标：
[0139][0140]
当gnss信号稳定时，gnss定位模块可以单独解算出钟差进行时钟同步。当流动站无人机检测到gnss卫星信号个数不大于阈值时,则判定当前gnss信号不稳定，利用uwb定位模块得到流动站无人机的gnss相位中心坐标和gnss定位模块检测到一颗卫星信号进行钟差解算，钟差解算公式如式(ii)所示：
[0141][0142]
式(ii)中，ρ为伪距，(x,y,z)为流动站无人机的gnss相位中心坐标，(x1,y1,z1)为卫星坐标，
△
t为所要求的钟差，c为光速。
[0143]
检测到gnss卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的uwb定位模块，通过uwb定位模块测距并接收无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标，包括：
[0144]
流动站无人机提取四个无人机的实时坐标，并进行无人机与流动站无人机之间的uwb测距；
[0145]
根据无人机的实时坐标以及无人机与流动站无人机之间距离建立uwb定位的非线性观测方程；
[0146]
进行线性化处理，并转换为矩阵形式。
[0147]
无人机与流动站无人机之间的距离计算公式建立非线性观测方程如式(iii)所示：
[0148][0149]
式(iii)中，i为无人机编号，fi为第i个无人机与流动站无人机的距离，(xi,yi,zi)为第i个无人机的位置坐标，(x,y,z)为流动站无人机坐标，x＝x0+
△
x，y＝y0+
△
y,z＝z0+
△
z；
[0150]
其次，将上式在初始坐标p0(x0,y0,z0)处线性化为式(iv)：
[0151][0152]
式(iv)中，
△
x，
△
y，
△
z为流动站无人机坐标与初始坐标间的变化量；
[0153]
将观测方程在p0处线性化为式(v)：
[0154][0155]
将线性化后的方程式转化为矩阵形式，如式(vi)所示：
[0156][0157]
无人机信息采集系统包括：地理位置信息采集模块、地理信息预处理模块、封闭场高速路监测模块、静态物体监测模块、动态物体监测模块和机载解算模块；
[0158]
地理位置信息采集模块：包括倾斜摄影系统，通过多角度拍摄采集高速场信息；
[0159]
地理信息预处理模块：将采集信息传输到中实现对图像数据的预处理；
[0160]
封闭场高速路监测模块：通过倾斜摄影采集高速场的信息并存入存储器中；
[0161]
静态物体监测模块、动态物体监测模块：通过对静态与动态物体进行区分，采集不同的信息；
[0162]
机载解算模块：装有rtk算法模块，用来解算坐标。
[0163]
地理位置信息采集模块利用无人机机载的环境信息采集设备的倾斜摄影通过对同一物体或地形进行不同角度的拍摄从而采集封闭高速场所处环境的地形、样貌、颜信息，获得包含路面环境信息的视频帧；
[0164]
地理信息预处理模块将采集的地理信息位置转变为包括颜大小、经纬度坐标、二进制网格码坐标一系列物体位置属性信息。
[0165]
封闭场高速路监测模块通过检测固定路程的所经过车辆的时间和固定时间所经过车辆的数量从而获得该段高速路的车流信息以及交通管制信息；
[0166]
静态物体检测模块通过对不同地理信息位置所放置的不同物体信息进行标记、检测行人和静态车辆，获得位置坐标、时间戳以及长度宽度信息，从而实现三维立体场图的物体信息的构建；
[0167]
动态物体检测模块通过对不同类型车辆和人的采用不同精度的三维二进制坐标即车辆和人的动态信息，包括车辆速度加速度以及行驶方向。
[0168]
对于不同物体的位置信息采集是不同的总体上分为静态物体和动态物体，对于动态按照不同速度的物体进行划分，也可以对于不同功能的物体所需的精度不同进行预先设置。
[0169]
对于静态物体的定位信息精度会更高一点，运用我们的高精度北斗gnss微系统可以达到厘米级，对于动态物体，如高速行驶的汽车，飞禽等，可以达到亚米级。
[0170]
对于动态物体如汽车就可以分为私家车和服务车，对于服务车我们可以给予更高的精度，即用更细致的网格码来进行定位，这样极大的节约了算力资源。
[0171]
对于不同种类的汽车，如农机收割庄家，由于其特殊性，必须给予更高的精度，通过预设置，我们将亚米级精度定位更改为厘米级以满足日常生活的用途。本发明的自动行驶无人机数据采集的场景如图5所示。
[0172]
通过机载解算模块由图像像素坐标变换成世界坐标系中的三维世界坐标，如式
(vii)所示：
[0173][0174]
式(vii)中，图像像素坐标为(u,v),世界坐标系为(xw，yw，zw),像素单位长度尺寸大小为d
x
和dy，主点的像素坐标为(u0，v0)，f为归一化焦距，r为旋转矩阵，t为平移向量，无人机距地高度为h，求得像素坐标与世界坐标之间的坐标变换关系zc，确定像素坐标与世界坐标之间的坐标变换关系。

技术特征：

1.一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，包括：无人机行驶系统、无人机定位系统以及无人机信息采集系统；无人机行驶系统用于：实现无人机在固定航道的自动控制行驶；无人机定位系统用于：实现无人机在复杂条件下的定位，实现地理信息的精准采集；无人机信息采集系统用于：将采集到的车辆信息传输到布置的中的存储设备，将地理位置信息直接传输到中的处理系统；中的处理系统对地理位置信息进行标定去畸变；对采集的环境信息进行预处理，由图像像素坐标变换成世界坐标系中的三维世界坐标，三维世界坐标分为x轴、y轴和z轴，其中，x轴和y轴设定二进制坐标，并且划分不同精度的网格。2.根据权利要求1所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，无人机行驶系统包括：无人机控制模块和无人机飞行控制模块；无人机控制模块：减小抖动来实现稳定的信息采集；无人机飞行控制模块：包含路线规划系统，实现在特定路线的行驶。3.根据权利要求1所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，无人机行驶系统的构建过程如下：(1)在一个封闭的高速场进行配置，通过即时分多址tdma的方式，实现共享传输介质或者网络的通信技术；构建i个等距分布的传感器，将无人机与传感器都配上摄像机和减震器；(2)设无人机以固定高度h进行飞行并收集数据，设定最大的飞行速度为v
m
，总周期为t，通过时间离散化方法将周期t离散化为n个时隙，每个时隙则在时隙n时无人机坐标为w[n]＝[x(n),y(n)]
t
∈r2×1，其中，无人机的横坐标为x(n),纵坐标为y(n)，r2×1表示的是二维空间向量；传感器合集为si＝{1,2,3
……
,i}，传感器i的坐标为l
i
＝[x
i
,y
i
]
t
∈r2×1，i∈si，x
i
为传感器i的横坐标，y
i
为传感器i的纵坐标，每个传感器支持能量为e
i
，需要传输的数据量为b
i
；假设无人机到地面为无线信号无遮挡地在发送端与接收端之间进行直线传播，即视距链路通信，则传感器i在时隙n的信道功率增益d
i
[n]为三维立体空间上无人机与传感器i的距离，ρ0表示在视距链路通信之下的功率增益，l
i
为传感器i的坐标，w[n]为无人机的坐标，h为无人机飞行的高度。4.根据权利要求1所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，无人机定位系统包括、无人机以及流动站无人机；所述用于：观测无人机的卫星导航信息以及获取并存储无人机的定位信息；所述无人机用于：融合gnss和uwb的无人机增强定位，在卫星信号为达到阈值的时候对定位信息进行实时坐标差分解算；所述流动站无人机用于：检测接收的gnss卫星信号个数是否满足阈值；所述无人机与流动站无人机均设置有相同的gnss定位模块、uwb定位模块以及处理器，所述处理器均与gnss定位模块、uwb模块连接；所述gnss定位模块用于：接受发来的定位信息，进行实时坐标差分计算，以得到伪
无人机与流动站无人机的gnss相位中心坐标；所述uwb定位模块用于：进行无人机和流动站无人机之间的距离测量，发送与接收无人机的定位信息。5.根据权利要求4所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，通过几何精度因子gd0p衡量无人机定位系统空间位置分布对uwb定位精度的影响,表示流动站无人机与无人机之间的几何位置关系对uwb测距误差的放大程度,gdop的数值越小，定位精度越高，gdop的计算公式如式(i)所示：式(i)中，b为线性观测方程的系数矩阵，tr[(b
t
b)-1
]表示(b
t
b)-1
矩阵的对角线元素之和。6.根据权利要求4所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，融合gnss和uwb的无人机增强定位过程如下：a、预先设置无人机以及流动站无人机，所述无人机按照预设的空间分布包围所述流动站无人机；b、流动站无人机实时检测当前接收的当流动站gnss卫星信号个数，当无人机检测到gnss卫星信号个数大于阈值时,阈值设置为不小于4，则判定当前gnss卫星信号个数充足,此时gnss卫星信号稳定，所述流动站无人机直接使用所述gnss定位模块进行定位，接收发来的定位信息，对所述定位信息通过rtk算法，得到流动站无人机的gnss相位中心坐标；当流动站无人机检测到gnss卫星信号个数不大于阈值时,则判定当前gnss信号不稳定，利用uwb定位模块得到流动站无人机的gnss相位中心坐标和gnss定位模块检测到一颗卫星信号进行钟差解算，钟差解算公式如式(ii)所示：式(ii)中，ρ为伪距，(x,y,z)为流动站无人机的gnss相位中心坐标，(x1,y1,z1)为卫星坐标，
△
t为所要求的钟差，c为光速。7.根据权利要求6所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，检测到gnss卫星信号个数小于阈值时，所述流动站无人机使用预设的uwb定位模块，通过uwb定位模块测距并接收无人机发来的定位信息，解算出流动站无人机的实时坐标，包括：所述流动站无人机提取四个无人机的实时坐标，并进行无人机与流动站无人机之间的uwb测距；根据无人机的实时坐标以及无人机与流动站无人机之间距离建立uwb定位的非线性观测方程；进行线性化处理，并转换为矩阵形式。8.根据权利要求1所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，无人机与流动站无人机之间的距离计算公式建立非线性观测方程如式(iii)所示：式(iii)中，i为无人机编号，f
i
为第i个无人机与流动站无人机的距离，
(x
i
,y
i
,z
i
)为第i个无人机的位置坐标，(x,y,z)为流动站无人机坐标，x＝x0+
△
x，y＝y0+
△
y,z＝z0+
△
z；其次，将上式在初始坐标p0(x0,y0,z0)处线性化为式(iv)：式(iv)中，
△
x，
△
y，
△
z为流动站无人机坐标与初始坐标间的变化量；将观测方程在p0处线性化为式(v)：将线性化后的方程式转化为矩阵形式，如式(vi)所示：9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，无人机信息采集系统包括：地理位置信息采集模块、地理信息预处理模块、封闭场高速路监测模块、静态物体监测模块、动态物体监测模块和机载解算模块；所述地理位置信息采集模块：包括倾斜摄影系统，通过多角度拍摄采集高速场信息；所述地理信息预处理模块：将采集信息传输到中实现对图像数据的预处理；所述封闭场高速路监测模块：通过倾斜摄影采集高速场的信息并存入存储器中；所述静态物体监测模块、动态物体监测模块：通过对静态与动态物体进行区分，采集不同的信息；所述机载解算模块：装有rtk算法模块，用来解算坐标；进一步优选的，地理位置信息采集模块利用无人机机载的环境信息采集设备的倾斜摄影通过对同一物体或地形进行不同角度的拍摄从而采集封闭高速场所处环境的地形、样貌、颜信息，获得包含路面环境信息的视频帧；地理信息预处理模块将采集的地理信息位置转变为包括颜大小、经纬度坐标、二进制网格码坐标一系列物体位置属性信息；封闭场高速路监测模块通过检测固定路程的所经过车辆的时间和固定时间所经过车辆的数量从而获得该段高速路的车流信息以及交通管制信息；静态物体检测模块通过对不同地理信息位置所放置的不同物体信息进行标记、检测行人和静态车辆，获得位置坐标、时间戳以及长度宽度信息，从而实现三维立体场图的物体信息的构建；
动态物体检测模块通过对不同类型车辆和人的采用不同精度的三维二进制坐标即车辆和人的动态信息，包括车辆速度加速度以及行驶方向。10.根据权利要求9所述的一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，其特征在于，通过机载解算模块由图像像素坐标变换成世界坐标系中的三维世界坐标，如式(vii)所示：式(vii)中，图像像素坐标为(u,v),世界坐标系为(x
w
，y
w
，z
w
),像素单位长度尺寸大小为d
x
和d
y
，主点的像素坐标为(u0，v0)，f为归一化焦距，r为旋转矩阵，t为平移向量，无人机距地高度为h，求得像素坐标与世界坐标之间的坐标变换关系z
c
，确定像素坐标与世界坐标之间的坐标变换关系。

技术总结

本发明涉及一种基于北斗+无人机网格码高速场的数据采集、处理系统，包括：无人机行驶系统、无人机定位系统以及无人机信息采集系统；无人机行驶系统用于：实现无人机在固定航道的自动控制行驶；无人机定位系统用于：实现无人机在复杂条件下的定位，实现地理信息的精准采集；无人机信息采集系统用于：将采集到的车辆信息传输到布置的中的存储设备，将地理位置信息直接传输到中的处理系统；中的处理系统对地理位置信息进行标定去畸变；对采集的环境信息进行预处理，由图像像素坐标变换成世界坐标系中的三维世界坐标，并且划分不同精度的网格。本发明节省了计算机处理数据的资源。源。源。