CN105136058B - 激光传感三维测量系统的在线标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光传感三维测量系统的在线标定装置及其标定方法，该装置包括一个激光扫描仪、一个惯性测量单元、一个激光测距传感器、一个水平运动平台、一个导轨、一个可调节平台、两个不同结构参数的标定板和一台计算机，惯性测量单元安装在激光扫描仪上，激光扫描仪和激光测距传感器都安装在水平运动平台上；水平运动平台沿导轨作直线运动，同时借助水平仪控制可调节平台至水平，标定板按照要求放置在可调节平台上。本发明计算量小，且标定板制作简单，标定过程操作简单，可实现在线和离线标定。

Description

激光传感三维测量系统的在线标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光传感三维测量系统的在线标定装置及其标定方法，具体涉及一种使用不同结构参数的结构化标定板为扫描对象，结合各传感器数据建立激光扫描仪和惯性测量单元的坐标关系，进而标定出两者相对关系的方法和装置。

背景技术

在钢铁、能源等企业，其原料如矿石、煤等有着大量的需求，其平衡稳定的原料供应链是企业生产的基础。这些原料往往以堆积物的形式存储于料场中，大型堆积物体体积测量为其原料物流管理提供必要的库存数据。为满足现代物流管理自动化的快速测量的特点，目前主流的装置采用二维激光扫描仪测量，将其放置在运动装置上以获取测量对象表面的三维坐标点，通过体积计算算法计算。由于堆积物体积庞大，测量环境恶劣，很难保证运动平台上激光扫描仪位置和姿态的准确定位。由激光测量的原理可知，系统对角度误差比较敏感，使用惯性测量单元实时校正激光扫描仪的位姿是解决这一问题的方法，将测量数据转换到惯性测量单元最初位置坐标系下，完成测量点在统一坐标系下的表示，进而使用体积计算算法得出被测对象的体积。要完成上述转换工作，首先要完成惯性测量单元和激光扫描仪之间的相对位姿的标定。目前也有一些激光扫描仪相对惯性测量单元的标定方法，但是有的需借助诸多仪器，操作繁琐；有的需借助制作复杂高精度的标定对象。因此开发一种准确便捷的系统标定方法和装置是很重要的。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种激光传感三维测量系统的在线标定装置及其标定方法，其计算量小，且标定板制作简单，标定过程操作简单，可实现在线和离线标定。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：本发明提供一种激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，其包括一个激光扫描仪、一个惯性测量单元、一个激光测距传感器、一个水平运动平台、一个导轨、一个可调节平台、两个不同结构参数的标定板和一台计算机，惯性测量单元安装在激光扫描仪上，激光扫描仪和激光测距传感器都安装在水平运动平台上；水平运动平台沿导轨作直线运动，同时借助水平仪控制可调节平台至水平，标定板按照要求放置在可调节平台上。

优选地，所述激光扫描仪采用适用于室外型激光扫描测量系统的传感器。

优选地，所述惯性测量单元采用高精度的传感器，由三个加速度计和一个三轴陀螺仪构成。

优选地，所述激光测距传感器是被安装在运动平台上的装置，用来测量运动平台到标定板的距离信息，结合运动前后的相对距离值和运动距离计算出标定板相对运动方向的夹角。

优选地，所述可调节水平台有三个可调节高度的支架。

优选地，所述水平运动平台是实现水平运动的机构。

优选地，所述计算机具有远程控制功能和处理数据的功能。

本发明还提供一种激光传感三维测量系统的在线标定装置的标定方法，其特征在于，其包括以下步骤：启动系统并进行初始化设置：设置运动平台的运动速度、激光扫描仪的扫描频率和扫描范围、惯性测量单元的输出形式，开始记录各传感器返回数据；移动水平运动平台，记录激光测距传感器和惯性测量单元的数据，处理后计算出惯性测量单元和标定板分别相对运动方向的夹角；将水平运动平台停放在合适位置，分别扫描标定板不同参数的面，注意标定板放置位置重合，对扫描数据进行拟合，并设立对应平面方程，解出根据几何约束和结构参数列出的约束方程，计算激光扫描仪相对标定板底面即水平面的夹角；最后算出激光扫描仪相对惯性测量单元的夹角，转换成坐标变换矩阵。

本发明与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：本发明计算量小，且标定板制作简单，标定过程操作简单，可实现在线和离线标定，主要计算为直线拟合，相比其他的算法如提取平面特征，计算速度有很大提升，从而确保标定的实时性。该标定方法为实现激光三维测量奠定基础。

附图说明

图1 为本发明激光传感三维测量系统的在线标定装置的结构示意图。

图2 为激光三维体积测量系统标定系统原理框图。

图3 为两个不同结构参数的标定板的结构示意图。

图4为本发明激光传感三维测量系统的在线标定装置的标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明：

参见图1和图2，本发明激光传感三维测量系统的在线标定装置包括一个激光扫描仪1、一个惯性测量单元2、一个激光测距传感器3、一个水平运动平台4、一个导轨5、一个可调节平台7、两个不同结构参数的标定板6和一台计算机8，惯性测量单元2安装在激光扫描仪1上，激光扫描仪1和激光测距传感器3都安装在水平运动平台4上；水平运动平台4沿导轨5作直线运动，同时借助水平仪控制可调节平台7至水平，标定板6按照要求放置在可调节平台7上，一组共两个标定板示意图如图3所示。二维激光扫描仪1在水平运动平台4的带动下可实现对三维空间对象的扫描测量，获取的点云原始数据经过坐标变换后转移到统一坐标系下，能够高精度的重建出被扫对象的轮廓；标定装置中，激光测距传感器3安装在水平运动平台4上，标定时激光扫描仪1和激光测距传感器3面对同一方向。可调节水平板7为三支点可调节机构，放置后可由水平仪控制手动调节至水平；所述两个不同结构参数的标定板6的结构均为棱柱结构，结构参数不同的标定板放置时，特定侧面作为底，且不同标定板6放置时位置需重合。

所述激光扫描仪采用适用于室外型激光扫描测量系统的传感器，比如SICK品牌的型号为LMS系列产品，具有雾气矫正功能，能够适应户外恶劣的天气情况，而且具有较大的工作范围，最大测距为250m，具有较高的分辨率（0.125度）、大扫描角（270度）、低频扫描（10Hz）。这些条件已经满足了大型料堆测量的需求。对于数据输出可采用PNP输出，也可采用继电器输出，该系列产品均为以太网接口，能够很好的将数据传输给计算机。激光扫描仪被安装在运动平台上上。

所述惯性测量单元采用高精度的传感器，由三个加速度计和一个三轴陀螺仪构成，能够实时返回高精度的PHY角和XYZ方向上的加速度信息。加速度信息经过一定算法可以计算出惯性测量单元的相对位移。

所述激光测距传感器是被安装在运动平台上的装置，用来测量运动平台到标定板的距离信息，结合运动前后的相对距离值和运动距离可以计算出标定板相对运动方向的夹角。

所述两个不同参数的标定板呈三棱柱结构，大小适当，两个标定板含有两个完全相同的侧边，且该侧边不正对直角楞。

所述可调节水平台有三个可调节高度的支架，用水平仪控制调节其表面水平。

所述水平运动平台是实现水平运动的机构，可以是电机驱动滚珠丝杠结构，也可以是电机驱动传送带机构等。结构上有平面托台用于安装激光扫描仪和激光测距传感器。

所述计算机具有远程控制功能和处理数据的功能。通过有线电缆或者无线的方式和上述激光扫描测量设备、惯性测量单元和运动驱动器进行通信，可以将启动停止、扫描区间、平台运动速度等信息传递给激光扫描测量设备，也可接收上述传感器采集的数据。计算机的另一个重要功能是将接收到的数据进行处理，根据既定的算法进行拟合和计算，最终完成激光扫描仪相对惯性测量单元的相对位姿的标定。

本发明采用结构化的标定板为扫描对象，用水平仪控制可调节标定对象放置板水平，即保证标定对象底面水平放置；移动运动平台，记录移动前后激光测距仪的数据和移动过程中惯性测量单元的数据；将移动平台停置在以固定位置，使用激光扫描仪扫描不同结构参数的标定板，注意保证标定板底边重合。结合上述数据，可以分别计算出标定板正对面和惯性测量系统前进坐标轴相对运动方向的偏转角；通过扫描数据拟合出标定板正对面上点的直线方程，设立对应标定板平面上的平面方程，根据结构化参数列出约束方程，解出平面方程，计算标定板在激光扫描仪中的相对位姿。以上采集数据结合惯性测量系统的采集的数据，计算出激光扫描仪相对惯性测量单元的位姿，从而完成标定。本发明可实现在线标定；对于没有直线运动的测量系统，如旋转测量系统，也可以实现离线标定，将上述捷联体标定后重新安装在旋转平台上。

参见图2所示，计算机8通过数据传输线缆和接口可以与激光扫描仪1、惯性测量单元2、激光测距传感器3以及电机驱动设备相连接并实现通信，其中包括运动控制、指令发送和数据接收等工作。运动控制主要是对水平台运动实现运动控制，在标定过程中需要水平台的移动，可在计算机控制界面上实现控制；指令发送只要包括对各传感器参数设置以及返回数据包指令，比如激光扫描仪1扫描频率、扫描范围等参数的设置；数据接收主要包括对激光扫描仪1、惯性测量单元2和激光测距传感器3数据的接收。计算机8能够实现对接受到的数据的处理，比如数据的拟合以及方程的解算等工作，根据标定算法能够完成标定结果的计算。

钢厂需要大量的矿石、煤炭等原料，这些原料往往以堆积物的形式堆积在料场中，上述激光三维体积测量系统常被用于料场中用于自动化盘库。对于安装好的测量系统需要首先标定好才能够准确的测量出料堆的体积。测量系统被安装在支架上以便能够测量出料堆的全貌，标定时需要使用脚手架平台将标定装置放置在激光扫描仪1视场内，并将激光测距传感器3固定在水平运动平台4上并且与激光扫描仪1视场方向一致。结构化标定板6放置在水平的可调节平台7上，计算机8和各装备完成链接，可实现数据的传输。

操作人员通过计算机8控制界面操作测量系统和标定设备。设置好激光扫描仪1的工作频率和扫描角度，记录各传感器初始状态。控制水平运动平台4移动一段距离，其间记录惯性测量单元2和激光测距传感器3的数据；将激光测量设备停在一个合适的位置，使激光扫描仪1能够扫到标定板6，操作人员完成两个标定板6的替换，替换时注意将标定板6放置在同一位置。完成数据采集后，根据设计的算法完成激光扫描仪1和惯性测量单元2之间姿态的标定。标定算法包括：对惯性测量单元2数据的处理，能够计算出惯性测量单元2前进坐标轴相对运动方向的夹角，根据激光测距传感器3运动前后的测距差和运动距离计算出标定板6相对运动方向的偏转角；对激光扫描仪1采集到扫描数据拟合出标定板6被扫平面上的直线方程，并设立对应的方程，根据结构化参数和几何约束条件建立约束方程，计算出对应的平面方程，计算出激光扫描仪1相对标定板6底面即水平面的俯仰角和侧翻角以及激光扫描仪1相对标定板6的侧翻角，结合惯性测量单元2的数据可以计算出激光扫描仪1相对惯性测量单元2的姿态。惯性测量单元相对运动方向夹角通过惯性测量单元在运动中数据计算得到相对位移来获得。所述激光扫描仪相对运动方向的偏航角以及相对水平面的夹角是根据水平放置的标定板在激光扫描仪坐标系内方程的描述计算得到。所述惯性测量单元相对水平面的夹角有其传送回的数据可直接得到。

参见图4，本发明激光传感三维测量系统的在线标定装置的标定方法的操作步骤如下：启动系统并进行初始化设置：设置水平运动平台4的运动速度、激光扫描仪1的扫描频率和扫描范围、惯性测量单元2的输出形式，开始记录各传感器返回数据；移动水平运动平台4，记录激光测距传感器3和惯性测量单元2的数据，处理后计算出惯性测量单元2和标定板6分别相对运动方向的夹角；将水平运动平台4停放在合适位置，分别扫描标定板6不同参数的面，注意标定板6放置位置重合，对扫描数据进行拟合，并设立对应平面方程，解出根据几何约束和结构参数列出的约束方程，计算激光扫描仪1相对标定板6底面即水平面的夹角；最后算出激光扫描仪1相对惯性测量单元2的夹角，转换成坐标变换矩阵。

本实施实例与上述实施例基本相同，特别之处在于：将固定好的激光扫描仪1和惯性车测量单元2构成的捷联体作为整体，在系统安装之前进行标定。标定方法和上述实施例所述，标定设备需要在单独的运动平台上进行，如图1所示的标定平台。标定完成后，将数据记录下并将捷联体重新安装在激光三维测量系统中，只要捷联体中激光扫描仪1和惯性测量单元2之间几何关系不变，标定结果依然有效。

Claims (8)

1.一种激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，其包括一个激光扫描仪、一个惯性测量单元、一个激光测距传感器、一个水平运动平台、一个导轨、一个可调节平台、两个不同结构参数的标定板和一台计算机，惯性测量单元安装在激光扫描仪上，激光扫描仪和激光测距传感器都安装在水平运动平台上；水平运动平台沿导轨作直线运动，同时借助水平仪控制可调节平台至水平，标定板按照要求放置在可调节平台上。

2.根据权利要求1所述的激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，所述激光扫描仪采用适用于室外型激光扫描测量系统的传感器。

3.根据权利要求1所述的激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，所述惯性测量单元采用高精度的传感器，由三个加速度计和一个三轴陀螺仪构成。

4.根据权利要求1所述的激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，所述激光测距传感器是被安装在运动平台上的装置，用来测量运动平台到标定板的距离信息，结合运动前后的相对距离值和运动距离计算出标定板相对运动方向的夹角。

5.根据权利要求1所述的激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，所述可调节水平台有三个可调节高度的支架。

6.根据权利要求1所述的激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，所述水平运动平台是实现水平运动的机构。

7.根据权利要求1所述的激光传感三维测量系统的在线标定装置，其特征在于，所述计算机具有远程控制功能和处理数据的功能。

8.一种激光传感三维测量系统的在线标定装置的标定方法，采用根据权利要求1~7中的任一项所述的装置进行标定，其特征在于，其包括以下步骤：启动系统并进行初始化设置：设置运动平台的运动速度、激光扫描仪的扫描频率和扫描范围、惯性测量单元的输出形式，开始记录各传感器返回数据；移动水平运动平台，记录激光测距传感器和惯性测量单元的数据，处理后计算出惯性测量单元和标定板分别相对运动方向的夹角；将水平运动平台停放在合适位置，分别扫描标定板不同参数的面，注意标定板放置位置重合，对扫描数据进行拟合，并设立对应平面方程，解出根据几何约束和结构参数列出的约束方程，计算激光扫描仪相对标定板底面即水平面的夹角；最后算出激光扫描仪相对惯性测量单元的夹角，转换成坐标变换矩阵。