CN101923163A - 一种激光扫描仪的检校方法及检校系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光扫描仪的检校方法和系统，其中在激光扫描仪工作区域内布设多个标志点；控制激光扫描仪沿垂直于扫描方向的轴线匀速升降，并对工作区域测量成像；用参考测距仪获取激光扫描仪扫描中心在升降前后的局部坐标；用参考测距仪获取标志点的局部坐标；识别激光扫描仪点云中的标志点及其仪器坐标，并提取标志点的扫描时间；根据所述标志点的扫描时间计算其时激光扫描仪中心的局部坐标，并用以求解仪器坐标系到局部坐标系之间的变换关系。从而克服了传统方式中人工参与控制靶杆移动带来的不稳定性，获得高精度的检校结果。

Description

一种激光扫描仪的检校方法及检校系统

技术领域

本发明涉及激光扫描仪，特别是测距用的，基于线扫描的二维激光扫描仪；更具体而言，本发明涉及对所述扫描仪进行检校，以确定其内部误差的方法，以及用于实现所述方法的检校系统。属于遥感对地观测和地理信息系统建设的技术领域。

背景技术

激光扫描仪的检校主要目的是验证其性能是否达到标称的各项技术指标，并对检校过程中发现的系统误差进行补偿。以及对系统误差过大，不能容忍或无法通过补偿来修正的扫描仪进行识别。

由于线扫描的激光扫描仪工作原理上的特点，不能对某个特定点精确成像而只能是“逐线”式的扫描来形成点云，使得其检校与单点测距的激光测距仪不同，也与传统的各种二维成像的传感器，例如CCD等的检校有很大不同。

图1是典型的激光扫描仪的结构和工作原理示意图。其中，发射器11用于产生激光脉冲，经过发射透镜13照射在被扫描物体20上；经过被扫描物体20表面的漫反射，反射光通过接收透镜14被接收器12接收。发射器12和接收器13连接到一信号处理单元和一后处理单元，通过测量发射光与接收到反射光的时间差，来计算扫描仪的坐标中心到被扫描物体的距离。发射器12作为激光光源，现多使用激光脉冲二极管。对于本发明的线扫描的激光扫描仪，发射透镜13为旋转棱镜组，每条扫描线的扫描过程中，棱镜转过预定的角度或圈数。通过改变多棱镜的旋转速度来调整扫描的速度。以及，通过棱镜的角度，来确定扫描结果中对应的角度参数。

激光扫描仪的原始输出是以仪器坐标系Pi下的极坐标形式，其包括距离参数和角度参数两个方面，测距和测角分别基于不同的原理，其误差成因和表现也各有不同，大致来说，激光扫描仪的主要误差有以下几种。

对激光扫描仪而言，测距精度使其最重要的技术指标。测距误差产生的原因包括外因和内因两方面，外因有大气分布不均匀及大气扰动、目标表面属性(如表面灰度、材质，最后反映到表面反射率上)等；而内因则包括机械加工和安装误差等。由于成因的不同在误差的表现上，也体现出不同的特性。大体说来，测距误差可以用加常数和乘常数来表示，其中，加常数表示系统的固定误差，和距离无关；乘常数表示可变误差，与测量的距离结果有关，通常是正相关。

于此同时，由于激光扫描仪依赖于电机驱动的扫描机构(例如旋转棱镜)来形成扫描线，且测量的角度值靠一般其内部的编码器来获取，因而除测距误差之外，还可能存在测角误差。

此外，理想条件下360度激光扫描仪工作时其扫描面应该是一个平面，通过棱镜旋转，进行360度圆周扫描，然而实际上由于机械加工和安装上存在的误差，其扫描旋转轴与出射光路并不完全垂直，导致扫描面是个锥面，锥面和理想的扫描面之间存在一个小小的锥扫角，检校中要求出该角度并评估其对后期集成精度的影响。

综上，激光扫描仪的检校内容包括下面几个单项：测距的加常数、测距的乘常数、锥扫角大小、测角误差、灰度或表面发射率对测距的影响等。

现有技术条件下，对激光技术指标的检校通常用另外一种已经检校好的激光测距仪(如全站仪)同时对同一个目标进行测量，将测量结果进行比较，以确定待检校设备的误差。但是要将此法直接应用于但是二维激光扫描仪的检校，存在以下困难：1)二维激光扫描仪的激光是线扫描，无法对某个物方点精确成像，因此很难建立像方点和物方点在空间上的准确对应关系，也即无法用检校仪器(如全站仪)量测同样的目标以比对待检测设备的技术指标；2)部分激光扫描仪发射的激光光束是非可见光波段，并且数据是离散的深度值，很难像可见光影像数据一样利用布设已知控制点的方式来检验系统精度，因为无法确定扫描线是否扫到了我们想要用来解算的控制点上面。

为了解决这些问题，已有的方法是利用一金属杆作为靶标，将其垂直安装在可用上下左右移动的导轨上，在检校过程中，激光扫描仪安置在置平的方箱上，静止不动。开启激光扫描仪，让其正常采集数据，同时在目标方不断移动靶标，让其在实时云图中显示出来，然后再用全站仪获取靶标的外部坐标，从点云的实时云图中得到靶标在激光扫描仪坐标系下的坐标，从而建立靶标在两套坐标系中的对应关系，由此进行精度检校。但由于激光扫描仪的数据是离散的采样值，同时激光是线扫描，需要不断上下左右移动靶标，才能让激光光束顺利的获取靶标的坐标，实际操作中相当困难，人为误差因素较多，检校精度不高。

另一种现有的方法是利用激光可以穿透玻璃的特性，在玻璃板上布设接有灵敏电流表的硅光电池，当有激光光束打到电池上时，电流表电流就会增大，从而判断激光所发射的光束的准确位置。之后再沿着这个确定的光束线粘贴标志点，通过程序的可视画面查看这束光线是否打在标志点上，是否有回波信息，这样做要不断调整激光与目标之间的位置，以确保激光光束可以扫描到玻璃上的硅电池，然后再用全站仪获取靶标的实际坐标，实际操作中同样会有较多困难。

发明内容

本发明的目的即在于，克服传统激光扫描仪检校方法人工工作量大，实际操作困难(需要多人配合)的缺点，提供一种能在无需人工干预的前提下，自动进行检校过程和实现高精度校验的激光扫描仪检校方法和用以实现该方法的检校系统。

为此，本发明的核心思路是，一改以往令被测物移动的传统，通过令激光扫描仪在精密可控的条件下运动，来将激光扫描仪由二维线扫描的检校状态转换为受控三维成像扫描，从而简化其内部参数检校的过程，提高检校的精度与操作效率。令每个扫描时刻激光扫描仪中心的位置是可精确获得的，同时又能对目标成像，由此建立激光扫描仪内部坐标系和靶标外部坐标之间的对应关系。

具体而言，本发明的激光扫描仪的检校系统是这样实现的：

7、一种激光扫描仪的检校系统，其特征在于，所述系统包括：

中央控制器，其控制整个检校系统的运作和进行检校所需的运算处理；

精密升降平台，与所述中央控制器通信连接并可受其控制做可控的匀速升降运动；

激光扫描仪，其为待检校的对象，所述激光扫描仪位于该精密平台升降平台之上，由其带动做平稳升降运动；

多个标志点，其分布于所述激光扫描仪的工作区域内，供其测量之用；

参考测距仪，与所述中央控制器通信连接，其为检校精确的距离测量仪器，用以测量激光扫描仪升降中的起点和终点局部坐标以及各标志点的局部坐标，并传到中央控制器；

所述激光扫描仪随升降平台匀速移动，并测量含所述标志点的工作区域的激光点云；根据点云数据识别标志点中心和确定其仪器坐标和采样时间，所述中央控制器根据标志点的采样时间和激光扫描仪升降中的起点和终点局部坐标计算各标志点中心的采样时刻扫描仪中心的局部坐标，并据以计算仪器坐标和参考测距仪局部坐标之间的变换关系。

其中，所述精密升降平台包括：四个角柱，其由高精度滚珠丝杠构成；托架，其连接于各角柱之间；以及平台驱动器，其与所述滚珠丝杠传动连接，控制其运动。

其中，所述精密升降平台的平台驱动器是直接连接到所述中央控制器或者通过一驱动控制器与中央控制器连接。

其中较佳地，所述参考测距仪为全站仪。

同时，本发明还提供了一种对激光扫描仪的进行检校的方法，其包括以下步骤：

S10，在激光扫描仪工作区域内布设多个标志点；

S20，控制激光扫描仪沿垂直于扫描方向的轴线匀速升降，并对工作区域测量成像；

S30，用参考测距仪获取激光扫描仪扫描中心在升降前后的局部坐标；

S40，用参考测距仪获取标志点的局部坐标；

S50，识别激光扫描仪点云中的标志点及其仪器坐标，并提取标志点的扫描时间；

S60根据所述标志点的扫描时间计算其时激光扫描仪中心的局部坐标，并用以求解仪器坐标系到局部坐标系之间的变换关系。

其中较佳地，所述多个标志点是根据检校的误差参数不同侧重而使用不同的布置方式。在检校锥扫角时，所述多个标志点是在工作区域内环绕所述激光扫描仪360度均匀布置。在检校测距误差的加常数和乘常数时，所述多个标志点是在工作区域内沿一纵向延伸线性布置。

较佳地，所述多个标志点是高反射率材料的“十”字形标志或是待检校扫描仪的预定义标靶。

较佳地，所述激光扫描仪是设置在一可控的高精度的升降平台上，由所述升降平台带动做受控运动。

本发明的二维激光扫描仪的检校方法和系统，利用精密的升降导轨系统，在传感器在运动的过程中对目标成像，通过精密导轨均匀稳定的升降速度控制以及与主控计算机的时间同步，可以准确的定位各个时刻激光扫描中心的位置，由此建立物方和像方之间的对应关系，从而根据数学模型进行高精度检校。

其中，系统通过升降平台的自动升降，免去了早期静态检校中不断左右上下移动金属杆靶标的工作，大大减少了工作量，同时检校系统以一定速度匀速平稳的升降，可以精确获取扫描中心每一时刻的位置，提高了检校的可靠性。

虽然本发明的激光扫描检校系统和方法虽然是针对激光静态检校无法成像这一特点而研发的，但其对于各种线扫描的传感器均可适用，例如也可用于线阵相机扫描成像。从而使本法发明的激光检校系统和方法可以发展为目前机载、车载、地面等激光设备的共性检校平台，也可以为其它传感器，如线阵相机的检校提供借鉴。

附图说明

图1是典型的激光扫描仪的结构和工作原理示意图；

图2是本发明的激光扫描仪检校系统的实施例的组成结构示意图；

图3是本发明的升降平台的实施例的立体示意图；

图4A是本发明的激光扫描仪检校系统的实施例的标靶布置图一；

图4B是本发明的激光扫描仪检校系统的实施例的标靶布置图二；

图5是本发明的激光扫描仪检校系统的工作流程图。

附图标记说明：

10-激光扫描仪；11-发射器；12-接收器；13-发射透镜；14-接收透镜；15-信号处理单元；16-后处理单元；20-被扫描物体；21-标志点；30-精密升降平台；31-托架；32-丝杠；33-平台驱动器；40-中央控制器；41-驱动控制器；50-参考测距仪；90-扫描仪工作区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。首先参考图2，其是本发明的激光扫描仪检校系统的实施例的组成结构示意图。其中，激光扫描仪10位于可控制的精密升降平台30之上，可随升降平台一起升降，升降平台由其平台驱动器驱动做升降运动。在激光扫描仪的周围布置多个标志点21，标志点的数量至少应满足激光扫描仪仪器坐标到参考测距仪的局部坐标之间的坐标变换矩阵参数识别的需要。在此基础上，根据检校的误差类别的不同侧重，可以灵活地设计标志点的位置和分布。

升降平台的结构在本发明并不做特别的限制，只要是能在受控条件下带动激光扫描仪匀速平动即可。一种优选的简单实现形式请参考图3。该平台由四根作为角柱支撑，角柱可由丝杠32构成，一个或一个以上的托架31连结在四个角柱之间，随丝杠32做上下运动。平台驱动器可以是例如马达，其带动丝杠32选转，进而控制托架运动。

激光扫描仪同时连接到一中央控制器40，以对扫描的数据进行后期处理和控制扫描仪工作等，该中央控制器40可由计算机、工控机或其它有计算能力的装置如DSP等实现，通常PC或笔记本电脑即可。中央控制器同时通过驱动控制器41驱动平台驱动器33来控制精密升降平台30的运动；或者如果选择的平台驱动器支持与中央控制器的直接通讯连接的话，也可省略驱动控制器。

已经校验好的参考测距仪50是用来近似测量扫描仪工作区域的物体对象，包括标志点的近似外部绝对坐标的，例如可由全站仪等仪器实现。在本发明中，将由参考测距仪50测得的坐标称为局域坐标，用Pc表示；而将激光扫描仪的原始坐标称为仪器坐标，用Pi表示。从仪器坐标到局域坐标的变换，可以通过对标志点的识别和定位，根据与点云的“拼接”类似的原理，以最小二乘法等数值方法来求解。参考测距仪50测得的局域坐标被送到中央控制器40，在那里完成所述从仪器坐标到局域坐标变换的求解。

下面结合图5对本发明检校系统的运行以及本发明的检校方法进行详细说明。本发明的主要思想是设置多个标志点作为控制点，通过升降平台带动激光扫描仪匀速运动，对标志点成像，根据已校正的参考测距仪，一般来说可用全站仪，来测量标志点的局部坐标，从而实现从仪器坐标到局部坐标的坐标变换。

首先在步骤S10，进行检校测量前的准备，在扫描仪工作区域内布设多个标志点。标志点实际上起到标靶的作用，一般来说其设置位置会影响到坐标变换的精度。所以最好是能均匀分布在激光扫描仪的整个工作区域，对于检校来说，最好是均匀分布于360度的场景之内，并让激光在上升和下降的距离范围内能顺利扫描到标志点。

激光扫描仪在测量模式时的工作状态通常是扫描方向垂直于水平前进方向，水平放置，如果在车载平台上，其360度全周扫描的范围通常是包括地面和天空大部分点，这些区域不利于布设标志点，因此在本发明中，检校时为将激光扫描仪安装在升降导轨上由下向上运动，相当于前进方向是上下的。此时扫描方向依然垂直于前进方向，但激光此时扫描的范围是与导轨的范围在同一高度，如果将激光检校装置置于一个四面环墙的区域，则四面的墙壁都可以用来布设标志点，这对于检校激光扫描仪360度各个方位的测角误差比较有利。

根据检校的误差种类的侧重不同，可以选择不同的标志点布置形式。例如，测定锥扫角时，各标志点21可分布于激光扫描仪10的四周，遍布整个扫描仪工作区域90，如图4A所示。而测定乘常数、加常数时，由于要进行不同扫描距离的测量，可以选择具有纵深的行道成线行设置标志点，如图4B所示。在日常环境中，可选择纵向的行道两旁的树上一定高度处间隔设置标志点，让激光可以检校大的距离范围(如2-300米)内的不同距离参数。

至于标志点的具体形制，以便于从点云中自动识别为优。例如，可取高反射率的交通反光纸以十字的方式组成，入射激光扫描到该材料的标志时，发生镜面发射，点云图上呈现无点的空白区域，该标志点的中心云图坐标可通过周边的点坐标内插得到。或者，由于现今的许多激光扫描仪均预设有预定义的标靶，使用待检校的激光扫描仪的预定义标靶作为标志点，由于扫描仪会自动在标靶附近密集采点，也能获得对标靶位置较为精确的测量结果。

关于标志点的选择和设置可以进一步参阅现有技术的已有成果，例如：朱凌，“地面三维激光扫描标靶研究”，激光杂志，Vol.29，No.1，2008。以及其引用的参考文献中的分析和论述。

在步骤S20，控制扫描仪沿垂直于扫描方向的轴线匀速升降，并对工作区域测量成像。这可以通过控制平台驱动器来带动作为精密导轨的丝杠运转实现。随着平台的升降，激光扫描仪将能够对工作区域内的物体进行成像，获得点云图案。

其中，中央控制器连接激光扫描仪及升降平台的平台驱动器，由中央控制器启动激光扫描仪，在检测到激光扫描仪正常采集数据时，发送脉冲驱动升降平台运动，平台升降的速度可以控制，但在整个升降过程中要保持稳定匀速。精密升降平台由四根高精度滚珠丝杠成平行四边形排列组成，举升时系统上下垂直运动，带动传感器平台上下平稳运动，运动平稳而且安装方便。

于此同时，进行步骤S30，用参考测距仪。如全站仪，获取激光扫描仪扫描中心在升降前后的局部坐标。所谓扫描中心可以视为激光扫描仪仪器坐标系的原点，一般是对应测量激光扫描仪扫描镜的中心。

在步骤S40，用参考测距仪获取标志点的局部坐标，以作为比较之用。

步骤S50，识别激光扫描仪点云中的标志点及其仪器坐标，并提取标志点的扫描时间。由于对标志点形式的特殊设定，使得其可以很容易从点云中进行识别，这一步骤与点云拼接或地理坐标转换中对标靶的识别和处理大致相同，可以利用扫描仪数据处理软件完成，或自行编程实现，在此不再赘述。获取标志点在云图中位置后，其仪器坐标也就可知了。同时，由于激光扫描仪在工作时，对于云图中“点”，其时间是可由内部的计数器给出的，因此，识别出点云中的标志点中心坐标后，亦可相应获得其时间信息。为了叙述方便形象，将点云中的坐标称为像方坐标，而将标志点的局部坐标又称为物方坐标。

最后，步骤S60，根据所述标志点的扫描时间计算其时激光扫描仪中心的局部坐标，并用以求解仪器坐标系到局部坐标系之间的变换关系。由于在步骤S30，已用参考测距仪获取了激光扫描仪扫描中心在升降前后的局部坐标，此时结合时间信息，可通过简单的线性计算求出各个时刻扫描中心的局部坐标。

有了扫描中心(即仪器坐标系原点)的局部坐标，标志点中心的仪器坐标和局部坐标，求解从仪器坐标系到局部坐标系之间的线性变换可通过最小二乘法等本领域技术人员熟知的数值算法实现，在此不再赘述。

要说明的是，本发明虽然是以激光扫描仪为例进行说明，但是这种检校方法实际上适合于所有的线扫描的传感器。此类传感器的共同点是要获取目标的影像数据，必须移动传感器或者让目标移动，而且在移动过程中，要保证像方和物方之间严格的几何对应关系。本发明的检校系统实质上是利用了精密的导轨系统作为升降平台，利用其均匀稳定的升降速度，配合全站仪的测量，可以精确地获取传感器中心在每一运动时刻的位置，同时又能对目标成像，由此建立物方和像方的对应关系。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光扫描仪的检校方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10，在激光扫描仪工作区域内布设多个标志点；

S20，控制激光扫描仪沿垂直于扫描方向的轴线匀速升降，并对工作区域测量成像；

S30，用参考测距仪获取激光扫描仪扫描中心在升降前后的局部坐标；

S40，用参考测距仪获取标志点的局部坐标；

S50，识别激光扫描仪点云中的标志点及其仪器坐标，并提取标志点的扫描时间；

S60根据所述标志点的扫描时间计算其时激光扫描仪中心的局部坐标，并用以求解仪器坐标系到局部坐标系之间的变换关系。

2.根据权利要求1所述的激光扫描仪的检校方法，其特征在于，所述多个标志点是根据检校的误差参数不同侧重而使用不同的布置方式。

3.根据权利要求2所述的激光扫描仪的检校方法，其特征在于，在检校锥扫角时，所述多个标志点是在工作区域内环绕所述激光扫描仪360度均匀布置。

4.根据权利要求2所述的激光扫描仪的检校方法，其特征在于，在检校测距误差的加常数和乘常数时，所述多个标志点是在工作区域内沿一纵向延伸线性布置。

5.根据权利要求1所述的激光扫描仪的检校方法，其特征在于，所述多个标志点是高反射率材料的“十”字形标志或是待检校扫描仪的预定义标靶。

6.根据权利要求1所述的激光扫描仪的检校方法，其特征在于，所述激光扫描仪是设置在一可控的高精度的升降平台上，由所述升降平台带动做受控运动。

7.一种激光扫描仪的检校系统，其特征在于，所述系统包括：

中央控制器，其控制整个检校系统的运作和进行检校所需的运算处理；

精密升降平台，与所述中央控制器通信连接并可受其控制做可控的匀速升降运动；

激光扫描仪，其为待检校的对象，所述激光扫描仪位于该精密平台升降平台之上，由其带动做平稳升降运动；

多个标志点，其分布于所述激光扫描仪的工作区域内，供其测量之用；

参考测距仪，与所述中央控制器通信连接，其为检校精确的距离测量仪器，用以测量激光扫描仪升降中的起点和终点局部坐标以及各标志点的局部坐标，并传到中央控制器；

所述激光扫描仪随升降平台匀速移动，并测量含所述标志点的工作区域的激光点云；根据点云数据识别标志点中心和确定其仪器坐标和采样时间，所述中央控制器根据标志点的采样时间和激光扫描仪升降中的起点和终点局部坐标计算各标志点中心的采样时刻扫描仪中心的局部坐标，并据以计算仪器坐标和参考测距仪局部坐标之间的变换关系。

8.根据权利要求7所述的激光扫描仪的检校系统，其特征在于，所述精密升降平台包括：

四个角柱，其由高精度滚珠丝杠构成；

托架，其连接于各角柱之间；以及

平台驱动器，其与所述滚珠丝杠传动连接，控制其运动。

9.根据权利要求8所述的激光扫描仪的检校系统，其特征在于，所述精密升降平台的平台驱动器是直接连接到所述中央控制器或者通过一驱动控制器与中央控制器连接。

10.根据权利要求7所述的激光扫描仪的检校系统，其特征在于，所述参考测距仪为全站仪。

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