挑戰(zhàn)：構(gòu)建可在 80 m AGL 處進(jìn)行測(cè)量的 UAV-LiDAR

      如果說(shuō) Nextcore 團(tuán)隊(duì)有什么特點(diǎn)的話，那就是他們對(duì)不斷改進(jìn)無(wú)人機(jī) LiDAR 技術(shù)的熱情，以制造安全且易于使用的經(jīng)濟(jì)高效、可靠的設(shè)備。 Nextcore 意識(shí)到增加高度可以為無(wú)人機(jī)測(cè)量帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)，因此開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造一款配備高性能 LiDAR 和導(dǎo)航系統(tǒng)有效負(fù)載的無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)可以從 80 m 高度提供測(cè)量級(jí)數(shù)據(jù)集。這成為了RN80項(xiàng)目。

      典型的無(wú)人機(jī) LiDAR 測(cè)量在大約 40 m AGL 處進(jìn)行。此高度通常會(huì)帶來(lái)與地形和植被碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，并在地形急劇變化時(shí)施加限制，例如使 AGL 超出可接受限制的空隙。因此，高海拔測(cè)量具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但也對(duì)激光雷達(dá)傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）提出了深刻的挑戰(zhàn)。這些之間的操作性能和準(zhǔn)確性之間的任何不匹配都不可避免地會(huì)降低調(diào)查質(zhì)量并嚴(yán)重限制系統(tǒng)的使用。

      Nextcore著手開(kāi)發(fā)一種可行的解決方案，可以從70 m的初始目標(biāo)高度維持每m 2 200~500點(diǎn)的點(diǎn)云密度。這相當(dāng)于每秒生成數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的 LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要 GNSS-INS 提供適當(dāng)精確的地理參考數(shù)據(jù)。由于測(cè)量數(shù)據(jù)源自 3D 空間中持續(xù)運(yùn)動(dòng)的源，因此 GNSS-INS 的功能對(duì)于生成有價(jià)值的數(shù)字孿生至關(guān)重要，并且對(duì)于任務(wù)成功至關(guān)重要。

      Nextcore 之前的 RN50 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)可以在最大 50 m AGL 處進(jìn)行測(cè)量，盡管該距離很高，但仍然存在與植被和電線碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。該團(tuán)隊(duì)設(shè)定的主要目標(biāo)是將測(cè)量高度提高到 AGL 80 m。對(duì)于在日本和馬來(lái)西亞勘測(cè)困難地形的幾個(gè) Nextcore 客戶來(lái)說(shuō)，更高海拔的勘測(cè)也是理想的選擇 - 他們需要能夠?qū)⒖睖y(cè)無(wú)人機(jī)飛得更高。

      80 m高空作業(yè)不僅降低了碰撞風(fēng)險(xiǎn)，還使測(cè)量人員能夠在相同的時(shí)間內(nèi)覆蓋更大的區(qū)域，大大提高了解決方案的效率。然而，這個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)也引起了一些擔(dān)憂。

      “將無(wú)人機(jī) LiDAR 有效載荷飛離地面更高的問(wèn)題是，飛得越高，LiDAR 數(shù)據(jù)集就越不準(zhǔn)確?！?Nextcore 首席運(yùn)營(yíng)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Ashley Cox 說(shuō)道。

      Nextcore 技術(shù)官 Tom Simmons 補(bǔ)充道，高海拔測(cè)量的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是所使用的 IMU（慣性測(cè)量單元）的準(zhǔn)確性和可靠性，他說(shuō)：“此時(shí)您實(shí)際上依賴于 IMU 的準(zhǔn)確性，任何不準(zhǔn)確性您在 IMU 中獲得的信息將反映在您的 LiDAR 中。這將導(dǎo)致準(zhǔn)確性下降，并且不會(huì)成為測(cè)量指標(biāo)中的可用數(shù)據(jù)。”

      解決方案：Certus Evo MEMS GNSS/INS 滿足精度、易于集成、有效負(fù)載和成本效益的要求

      Nextcore 之前曾在其 RN50 UAV-LiDAR 裝置中使用先進(jìn)導(dǎo)航空間雙 GNSS-INS，并對(duì)結(jié)果和可靠性非常滿意。然而，Nextcore 希望通過(guò) RN80 UAV-LiDAR 嘗試改進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)，以適應(yīng)在比以前的系統(tǒng)高出 50% 以上的海拔高度運(yùn)行的性能挑戰(zhàn)。

      在測(cè)試和評(píng)估不同制造商的各種 INS 后，Nexcore 將其 LiDAR 與基于先進(jìn)導(dǎo)航 MEM 的 Certus Evo GNSS-INS 結(jié)合起來(lái)，后者提供接近 FOG 的性能，陀螺儀漂移率（偏差不穩(wěn)定性）為每小時(shí) 0.2 度。這種組合產(chǎn)生了非凡的結(jié)果，使他們能夠?qū)⒏叨壬舷薮蠓鶖U(kuò)展到 120 m，同時(shí)保留一致、準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

      選擇 Certus Evo 的原因是：

        ?高精度，對(duì)于減少高海拔測(cè)量帶來(lái)的角度誤差變得越來(lái)越重要。

        ?與之前的空間雙 INS 相比，可輕松集成到 Nextcore 的現(xiàn)有系統(tǒng)中，無(wú)需進(jìn)行額外的工程設(shè)計(jì)。

        ?具有成本效益，并以 OEM 形式提供，可最大限度地減少有效負(fù)載，使 Nextcore 能夠?yàn)榭蛻籼峁└玫膬r(jià)值。

      “經(jīng)過(guò)一些試飛后，Advanced Navigation Certus Evo 滿足了我們對(duì) RN80 項(xiàng)目的所有要求。這使我們能夠利用 Spatial Dual 集成并應(yīng)用 Certus Evo 作為該系統(tǒng)的直接替代品。它也是一款非常經(jīng)濟(jì)高效的傳感器，也是一款價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。” 西蒙斯評(píng)論。

      有效負(fù)載最小化也是 INS 的一個(gè)關(guān)鍵方面，因?yàn)闇y(cè)量員總是尋求更長(zhǎng)的飛行時(shí)間。這只能通過(guò)更輕的有效負(fù)載技術(shù)堆棧來(lái)實(shí)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)使用 Certus Evo 的加固外殼版本來(lái)提高強(qiáng)度和耐候性，同時(shí)保持高效的有效負(fù)載設(shè)置。

      “業(yè)界不斷尋求更輕的有效載荷、更長(zhǎng)的飛行時(shí)間以及適合更小、更安全的無(wú)人機(jī)。監(jiān)管限制要求行業(yè)滿足某些規(guī)范，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)也是如此。我們遇到了天花板。盡管我們現(xiàn)在所取得的成就是真正的游戲規(guī)則改變者，但我們需要能夠?qū)Υ诉M(jìn)行改進(jìn)?！笨伎怂拐f(shuō)。

      結(jié)果：Certus Evo 幫助 RN80 超越預(yù)期

      “當(dāng)我們完成計(jì)算后，我們預(yù)計(jì)能夠飛到距地面 80 米的高度?！笨伎怂拐f(shuō)。相反，Certus Evo 的表現(xiàn)非常出色，以至于 Nextcore 能夠生產(chǎn)出無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)，能夠以高達(dá) 120 m AGL 的速度提供測(cè)量級(jí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)集。 120 m 的高度比最初的目標(biāo)又超出了 50%，提供的解決方案是之前 RN50 高度的兩倍多。 

      海拔較高往往會(huì)增加激光雷達(dá)測(cè)繪帶的寬度。海拔約 50 m 處的典型測(cè)繪帶寬度約為 120 m，具體取決于實(shí)際高度以及 LiDAR 朝向測(cè)繪帶邊緣的入射角。在 120 m 處，實(shí)現(xiàn)了 180 m 的可靠幅寬。這比之前增加了 50%，相當(dāng)于測(cè)量特定區(qū)域的航線減少了約 33%，這顯著提高了測(cè)量員的生產(chǎn)力和效率。

      配備無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)的 Certus Evo 隨后成為 RN100。 RN100 使 Nextcore 的客戶能夠飛得比以前高得多，并且安全性更高，同時(shí)在相同的飛行時(shí)間內(nèi)測(cè)量更大的區(qū)域并實(shí)現(xiàn)測(cè)量級(jí)結(jié)果。 

      生成的調(diào)查材料包含 LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)和來(lái)自 INS 的地理參考數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)處理均在飛行后進(jìn)行，以確保盡可能高的準(zhǔn)確性。PPK用于校正 GNSS-INS 位置、橫滾、俯仰、偏航和航向數(shù)據(jù)。然后將處理后的 INS 數(shù)據(jù)與處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相結(jié)合，為點(diǎn)云提供絕對(duì)位置。該系統(tǒng)在 120 m AGL 下實(shí)現(xiàn)了一致的 30~40 mm 精度。 Nextcore 集成了 LiDAR 和 INS 處理平臺(tái)，可自動(dòng)合成數(shù)據(jù)集，從而縮短調(diào)查完成時(shí)間。根據(jù)規(guī)模和復(fù)雜性，該解決方案可以在任務(wù)完成后 30 分鐘內(nèi)將調(diào)查數(shù)據(jù)處理成客戶可用的 3D 地圖。

      “將 Certus Evo 集成到我們的產(chǎn)品線中，使我們能夠以非常實(shí)惠的價(jià)格為客戶提供更高端的解決方案。這為我們?cè)趪?guó)際和國(guó)內(nèi)開(kāi)辟了新市場(chǎng)?！蔽髅伤箍偨Y(jié)道。

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