CN107782240B - 一种二维激光扫描仪标定方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维激光扫描仪标定方法、系统及装置。所述方法包括：获取标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标；获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并将点云数据的坐标转换到基准坐标系下；获取点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类；获取点集聚类的重心坐标，点集聚类的重心坐标为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标；获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数；获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数；获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数。本发明不仅能够提高标定精度，还能达到实时、快速的效果。
Description
技术领域
本发明涉及移动测量技术领域，特别是涉及一种二维激光扫描仪标定方法、系统及装置。
背景技术
移动测量系统的最终目的是为了获取在某个坐标系下的点云数据，由于点云的生成往往涉及到多传感器的融合，因此，移动测量系统需要解决的关键问题之一就是通过标定将不同坐标系下传感器的测量成果统一到一个基准坐标系中。
一个典型的移动测量系统的激光扫描仪标定通常会用到以下三种坐标系：扫描仪坐标系LC(Laser Coordinate)、车体坐标系VC(Vehicle Coordinate)和全站仪坐标系TC(Total Station Coordinate)。目前，通常采用的二维扫描仪标定方法为：利用Faro扫描仪配套标准靶球(半径0.0725m)作为公共点。图1为靶球标定的现场布置图，如图1所示，在实验现场布置1、2、3、4四个Faro标准靶球，将小车停靠在平坦的地面上，在小车的车体表面的三个角上向粘贴三个标志反射片A、B、C，扫描仪设置在小车上，并利用天宝Trimble S8全站仪测量机器人作为过渡坐标系，其基本思路是首先获取车体上三个标志反射片A、B、C在VC下的坐标，并利用全站仪测量车体上三个标志反射片A、B、C在TC下的坐标，从而求取TC与VC的转换参数；然后利用全站仪测量靶球中心在TC下的坐标，利用扫描仪扫描靶球中心在LC下的坐标，从而求取TC与LC的转换参数；最后利用TC作为过渡，就可以得到VC与LC的转换参数。
现有的二维扫描仪标定方法将靶球中心作为LC与TC的公共点，在利用全站仪测量靶球中心在TC中的坐标时，采用间接的求取方式，具体为：在水平方向瞄准靶球左右边缘，测出两个方向值并求平均，在垂直方向瞄准靶球上下边缘，测出两个天顶距并求平均，根据两个平均值确定靶球的表面中心，再结合标准靶球的半径，得到靶球中心在全站仪坐标系中的坐标。在利用扫描仪扫描靶球中心在LC中的坐标时，也是采用间接的求取方式，具体为：首先要对扫描靶球得到的坐标数据进行圆拟合，然后再计算靶球中心在扫描仪坐标系中的坐标。
将靶球中心作为LC与TC的公共点，并采用间接求取靶球中心的方式，在全站仪测量靶球上下、左右边缘方向值时，存在一定的随机误差，并不能准确的获得靶球中心位置，并且对扫描数据进行圆拟合，也会造成一定的误差，从而导致最终的标定精度低。
发明内容
基于此，有必要提供一种标定精度高的二维激光扫描仪标定方法、系统及装置。
一种二维激光扫描仪标定方法，包括：
获取布置在测量现场的多个标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标；
获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并依据惯性测量单元和里程计测量得到的参数数据，将每个扫描时刻的点云数据的坐标转换到基准坐标系下，所述扫描仪设置在所述小车上，所述参数数据包括小车的加速度、角速度和里程值，所述基准坐标系为小车静止时的初始扫描仪坐标系；
获取所述点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类；
获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标；
利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数。
可选的，所述利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，具体包括：
利用扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pl＝KTLRTLPt+TTL+εTL
其中，Pl为扫描仪坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的尺度参数，RTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的旋转参数，TTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的平移参数，εTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的转换误差。
可选的，所述利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，具体包括：
利用车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pv＝KTVRTVPt+TTV+εTV
其中，Pv为车体坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTV为全站仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，RTV为全站仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，TTV为全站仪坐标系到车体坐标系的平移参数，εTV为全站仪坐标系到车体坐标系的转换误差。
可选的，所述利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，具体包括：
利用车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式为
依据所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，得到
其中，RLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，KLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，TLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的平移参数。
本发明还提供了一种二维激光扫描仪标定系统，上述二维激光扫描仪标定方法用于所述标定系统，所述标定系统包括：
第一标靶反射片中心获取模块，用于获取布置在测量现场的多个标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标；
点云数据获取模块，用于获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并依据惯性测量单元和里程计测量得到的参数数据，将每个扫描时刻的点云数据的坐标转换到基准坐标系下，所述扫描仪设置在所述小车上，所述参数数据包括小车的加速度、角速度和里程值，所述基准坐标系为小车静止时的初始扫描仪坐标系；
点集聚类形成模块，用于获取所述点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类；
第二标靶反射片中心获取模块，用于获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标；
第一转换参数获取模块，用于利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
第二转换参数获取模块，用于利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
第三转换参数获取模块，用于利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数。
可选的，所述第一转换参数获取模块具体包括：
第一转换参数计算单元，用于利用扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pl＝KTLRTLPt+TTL+εTL
其中，Pl为扫描仪坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的尺度参数，RTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的旋转参数，TTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的平移参数，εTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的转换误差。
可选的，所述第二转换参数获取模块具体包括：
第二转换参数计算单元，用于利用车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pv＝KTVRTVPt+TTV+εTV
其中，Pv为车体坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTV为全站仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，RTV为全站仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，TTV为全站仪坐标系到车体坐标系的平移参数，εTV为全站仪坐标系到车体坐标系的转换误差。
可选的，所述第三转换参数获取模块具体包括：
第三转换参数计算单元，用于利用车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式为
依据所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，得到
其中，RLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，KLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，TLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的平移参数。
本发明还提供了一种二维激光扫描仪标定装置，所述标定装置用于实现上述二维激光扫描仪标定方法，所述标定装置包括：
小车、扫描仪、全站仪、标靶反射片和标志反射片，所述扫描仪设置在所述小车上，所述标靶反射片粘贴在测量现场，所述标志反射片粘贴在所述小车车体表面，所述全站仪用于测量所述标靶反射片的中心坐标和所述标志反射片的中心坐标。
可选的，所述靶标发射片为4个，每个所述标靶反射片长为20cm，宽为5cm，厚度为0.5mm，每个所述标靶反射片的中心标记一个小圆，所述小圆的直径为3mm；所述标志反射片为3个，所述标志反射片为2mm*2mm的莱卡反射片；所述标志反射片粘贴在小车车体表面的三个角上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种二维激光扫描仪标定方法、系统及装置，将标靶反射片布置在扫描视线内的测量现场，在隧道内推动小车时，实现扫描仪扫描标靶反射片，并自动提取标靶反射片的中心坐标，获得标靶反射片中心在扫描仪坐标系下的坐标，再利用全站仪直接测量标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，利用标靶反射片代替靶球作为扫描仪坐标系和全站仪坐标系转换参数求取的公共点，避免了靶球中心间接求取方式，不仅提高了标定精度，还能达到实时、快速的效果，并且标靶反射片具有单面性、轻便、价格低廉、有明显的测量中心点且能适用于任何恶劣的环境，便于现场采集和测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为靶球标定的现场布置图；
图2为本发明实施例二维激光扫描仪标定方法的流程图；
图3为本发明实施例二维激光扫描仪标定方法中平移参数的计算原理图；
图4为本发明实施例二维激光扫描仪标定系统的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图2为本发明实施例二维激光扫描仪标定方法的流程图。
参见图2，实施例的二维激光扫描仪标定方法包括：
步骤S1：获取布置在测量现场的多个标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标。
所述标靶反射片的材料为高反射率材料，尺寸为20cm*5cm，厚度为0.5mm，揭开所述标靶反射片的透明离型纸，可以直接粘贴使用，在所述标靶反射片的中心标记一个小圆，所述小圆的直径为3mm，在利用全站仪进行测量时，全站仪的十字丝直接瞄准所述小圆的中心，以便准确地获取标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标。
步骤S2：获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并依据惯性测量单元和里程计测量得到的参数数据，将每个扫描时刻的点云数据的坐标转换到基准坐标系下。所述参数数据包括小车的加速度、角速度和里程值，所述基准坐标系为小车静止时的初始扫描仪坐标系。
具体的，在本实施例中，所述扫描仪设置在所述小车上，在推动小车前进时，扫描仪不断扫描并记录前进方向各个断面的点云数据，但各断面的点云坐标都是以各自扫描时刻的扫描仪中心为原点的，随着小车的前进，其运动方向会发生变化，这样获得的点云数据就不是在统一的坐标系下。为了获得在统一坐标系下的点云数据，依据惯性测量单元获取的小车的姿态数据以及里程计测量的里程值，设计了各个断面的点云数据转换到基准坐标系下的算法，所述小车的姿态数据包括小车的加速度和角速度，在小车静止时扫描仪初始断面下的坐标系为基准坐标系，所述算法流程如下：
1)时间同步：按照扫描仪各扫描面的时间为基准，对惯性测量单元与里程计获取的参数数据进行拉格朗日插值，使时间同步。
2)平移与旋转参数计算：以小车初始A面Sick扫描仪坐标系为基准，在小车向前进方向推动后，分别计算之后的断面B的平移参数与旋转参数。
平移参数的计算如下：
所述平移参数使用当前B面与初始A面的惯性测量单元记录的姿态角差与里程计记录的里程差进行推算，设平移参数为T，
图3为本发明实施例二维激光扫描仪标定方法中平移参数的计算原理图，图3(a)为扫描线示意图，图3(b)为高程计算示意图，图3(c)为平面计算示意图。
参见图3(a)，扫描仪的扫描线为螺旋形，当小车速度较低时，认为扫描仪在每个时刻扫描得到的点云数据为一个圆周，t表示扫描时刻，A、B分别表示扫描仪在断面A、B的扫描中心。
为了简单表示，利用图3(b)进行计算，参见图3(b)，ΔS表示AB面的里程差，SPlane表示B面在平面的投影，SHeight表示AB面的高程差，ΔFY表示俯仰角差，通过高程计算方法，可得
SPlane＝ΔS·Cos(ΔFY)
SHeight＝ΔS·Sin(ΔFY)
ZB＝ZA+SHeight；
而对于平面计算，A面到B面在短时间内可认为是一段弧线，参见图3(c)，其中AB弧对应的圆心角为ΔHX，ΔHX为惯性测量单元测得的航向角差，对应线段AB的方位角α＝ΔHX/2，则
XB＝XA+SPlane·Cos(α)
YB＝YA+SPlane·Sin(α)；
通过上述计算，可得平移参数为T。
旋转参数的计算如下：
所述旋转参数的三个旋转角分别为B面相对于A面的三个姿态角差，根据扫描仪坐标系的定义，其中绕x轴旋转为俯仰角pitch，绕y轴旋转为航向角yaw，绕z轴旋转为横滚角roll，又因短时间内三个角度差均为小角度，因此，利用适用小角度的旋转矩阵加以处理，可得旋转参数R，
3)计算初始扫描仪坐标系下的点云数据：
利用上述获得的各个断面B到初始断面A的平移参数T和旋转参数R，将B面的点云数据的坐标经过坐标转换，得到以初始断面A为基准坐标系下的点云数据，具体为
即为在初始扫描仪坐标系下的点云数据。
步骤S3：获取标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标。具体包括：
步骤S31：获取所述点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类。
步骤S32：获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标。
具体的，本实施例设计了标靶反射片中心坐标自动提取算法，原理如下：
为了减少车体移动中产生的误差，遵循让移动扫描小车前进里程尽量少的原则，将4个标靶反射片贴于近似一个断面内，且两个反射片间的垂直距离大于20cm；同时，为了提高计算精度，尽量保证标靶反射片平整竖直，减少弯曲，且稳定放置。
由于标靶反射片的高反射率，并经过多次现场试验结果，将预设阈值设为80，即将扫描仪获取的点云数据中反射强度大于80的点提取出来。具体提取过程为：读取点云数据(包含回波强度值)，建立第一个点集聚类cluster[1]，将读取的第一个反射强度大于80的点point[1]加入第一个聚类中；读取第二个反射强度大于80的点point[2]，计算point[1]和point[2]两点之间的欧式距离S，因为标靶反射片的最长边为20cm，所以当S<20cm时，将点point[2]加入到聚类cluster[1]中，并计算第一个聚类cluster[1]中所有点的重心坐标barycen[1]；若S≥20cm，则建立第二个点集聚类cluster[2]，将点point[2]加入到cluster[2]中，同样计算第二个聚类cluster[2]中所有点的重心坐标barycen[2]；继续读取第三个反射强度大于80的点point[3]，计算point[3]与第一个聚类的重心barycen[1]的距离S1，若S1<20cm，则将point[3]加入到第一个聚类cluster[1]中，并重新计算和更新第一个聚类的重心坐标barycen[1]；若S1≥20cm，则计算point[3]与第二个聚类的重心barycen[2]的距离，若距离值S2<20cm，则将point[3]加入到第二个聚类cluster[2]中，并重新计算和更新第二个聚类的重心坐标barycen[2]；若S2≥20cm，则说明point[3]离第一二点集聚类较远，此时，建立第三个点集聚类cluster[3]，将点point[3]加入cluster[3]中，计算第三个点集聚类中所有点的重心坐标barycen[3]；……连续读取反射强度大于80的点point[n]，并逐一判断点point[n]与点集聚类的重心barycen[i]的距离(i＝1,2,3……)，若point[n]满足到重心的距离小于20cm的要求，则将点point[n]加入到点集聚类cluster[i]中，并重新计算更新聚类cluster[i]的重心坐标barycen[i]，若循环结束，point[n]都不在前面所有聚类范围内，则新建一个聚类，将点point[n]加入，求重心坐标，……，循环，直到遍历所有点云。
理论情况下，每一个点集聚类即为一组标靶反射片上的点，实际情况中还存在其他不是标靶反射片上的点的高强度点云组成的聚类，但是由于标靶反射片距离小车较近，标靶反射片聚类的点数量普遍较多，因此，将点集聚类按照聚类中点的数量从大到小排序，并取前四个聚类，即提取出4个标靶反射片表面的点集，再将每一个聚类中的点集求重心，点集聚类的重心坐标即为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标。
步骤S4：利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数。
具体的，利用扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pl＝KTLRTLPt+TTL+εTL
其中，Pl为扫描仪坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的尺度参数，RTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的旋转参数，TTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的平移参数，εTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的转换误差。
步骤S5：利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数。
具体的，利用车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pv＝KTVRTVPt+TTV+εTV
其中，Pv为车体坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTV为全站仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，RTV为全站仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，TTV为全站仪坐标系到车体坐标系的平移参数，εTV为全站仪坐标系到车体坐标系的转换误差。
步骤S6：利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数。
具体的，利用车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式为
依据所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，得到
其中，RLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，KLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，TLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的平移参数。
本实施例中，扫描仪的标定精度计算如下：
下面为实现现场标定的一个具体的实施例。
1)标定流程：
a.依据轨道两边分布的4个CPШ控制点CP3、CP4、CP5、CP6，设置莱卡精密棱镜，并对Trimble S8全站仪进行后方交会，获得全站仪测站坐标；
b.在轨道一断面处，布置4个标靶反射片，并获得4个所述标靶反射片在全站仪坐标系下的坐标ref1、ref2、ref3、ref4；
c.将小车静止停靠在轨道上，并使扫描仪处于4个标靶反射片的前面，此刻扫描仪位置为A面，并用全站仪测量初始位置A面时，车体表面上的三个标志反射片A、B、C在全站仪坐标系下的坐标；
d.推动小车，记录扫描仪、里程计、惯性测量单元获取的数据，并利用标靶反射片自动识别程序，识别标靶反射片的数量，当识别到4个标靶反射片后，停止推车；
e.输入全站仪坐标系的4个标靶反射片的坐标和3个标志反射片的坐标，程序自动进行扫描仪坐标系到车体坐标系的转换参数解算。
2)标定结果分析：
经过多次实验，共取得6套标定精度较高的数据，分别为2016年9月29日两套数据、2016年9月30日两套数据、2016年12月24日两套数据，表1对6次的标定结果进行了统计，其中KLV、XLV、YLV、ZLV、
分别为扫描仪坐标系LC到车体坐标系VC的尺度因子、X轴平移量、Y轴平移量、Z轴平移量、X轴旋转角度、Y轴旋转角度、Z轴旋转角度。
表1
由于小车拆卸与标靶反射片放置位置不同，现场标靶反射片标定精度呈现出与标定日期相关的特点，比如1与2、3与4、5与6，都具有相似的标定精度，这反应了小车的拆卸与标靶反射片的放置位置都会影响到标定精度与标定参数。
根据标定精度为指标进行定权，可以计算得到标靶反射片标定的加权平均值，其中权P＝1/σ^2，则加权平均后的反射片标定参数如下：
k0＝1.001095465
其中，k0、x0、y0、z0、ex、ey、ez分别为加权处理后的扫描仪坐标系到车体坐标系的尺度因子、X轴平移量、Y轴平移量、Z轴平移量、X轴旋转角度、Y轴旋转角度、Z轴旋转角度。
为了对标定参数的正确性进行验证，使用下列参数方案对小车进行三维线形坐标系下的定位。其中，一开始用全站仪单独对小车上的标志反射片进行测量，并得到相对准确的里程定位结果，将此里程作为位置真值，用作标定参数的检核，使用不同标定参数方案进行定位，定位结果如表2所示。
表2
以全站仪直接定位里程为基准，对各方案结果作差，作差结果如表3所示。
表3
由表3可知，使用标靶反射片标定参数的定位方案得到的标定结果，绝对值均值为1.13mm，标定精度高，能够反映当前小车安装实际状态；标靶反射片加权平均的方案得到的标定结果的绝对值均值为2.31cm，靶球标定参数的方案得到的标定结果的绝对值均值为2.12cm，使用标靶反射片加权平均的方案与使用靶球标定参数的方案的标定精度基本相同。
上述实施例提供的二维激光扫描仪标定方法优点在于：
1)标定过程操作简单
利用标靶反射片作为扫描仪坐标系与全站仪坐标系转换参数求取的公共点，只需在隧道壁或者其他固定物上粘贴标靶反射片即可，避免了利用靶球作为公共点，考虑靶球来回测试放置在扫描线内的合适位置的问题；并且只需推动小车，扫描仪便连续自动扫描反射片表面点云，避免了多次测量靶球方向值才能求取中心坐标的操作；对实验条件要求较低，整个标定过程，只需输入全站仪坐标系下3个标志反射片的坐标和4个标靶反射片的坐标，即可利用程序自动进行扫描仪标定解算，给出标定参数和精度。
2)标定精度高
将标靶反射片作为扫描仪坐标系与全站仪坐标系转换参数求取的公共点，利用标靶反射片自动提取算法提取标靶反射片的中心坐标，避免了扫描仪对靶球进行圆拟合时存在的拟合精度差，大大提高了扫描仪坐标系和全站仪坐标系的转换精度。
3)能够检测小车的最新状态，具有时效性
能够在隧道数据采集现场，进行扫描仪的实时标定，并给出标定结果，具有时效性；在小车传感器拆卸重新组装后，通过现场标定，快速给出扫描仪与车体的相对位置关系，检测小车最新状态，反应当前小车安装的实际状况。
本发明还提供了一种二维激光扫描仪标定系统，上述二维激光扫描仪标定方法用于所述标定系统。
图4为本发明实施例二维激光扫描仪标定系统的流程图。
参见图4，实施例的二维激光扫描仪标定系统40，包括：
第一标靶反射片中心获取模块401，用于获取布置在测量现场的多个标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标。
点云数据获取模块402，用于获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并依据惯性测量单元和里程计测量得到的参数数据，将每个扫描时刻的点云数据的坐标转换到基准坐标系下，所述扫描仪设置在所述小车上，所述参数数据包括小车的加速度、角速度和里程值，所述基准坐标系为小车静止时的初始扫描仪坐标系。
点集聚类形成模块403，用于获取所述点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类。
第二标靶反射片中心获取模块404，用于获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标。
第一转换参数获取模块405，用于利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数。
所述第一转换参数获取模块405具体包括：
第一转换参数计算单元，用于利用扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pl＝KTLRTLPt+TTL+εTL
其中，Pl为扫描仪坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的尺度参数，RTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的旋转参数，TTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的平移参数，εTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的转换误差。
第二转换参数获取模块406，用于利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数。
所述第二转换参数获取模块406具体包括：
第二转换参数计算单元，用于利用车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pv＝KTVRTVPt+TTV+εTV
其中，Pv为车体坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTV为全站仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，RTV为全站仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，TTV为全站仪坐标系到车体坐标系的平移参数，εTV为全站仪坐标系到车体坐标系的转换误差。
第三转换参数获取模块407，用于利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数。
所述第三转换参数获取模块407具体包括：
第三转换参数计算单元，用于利用车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式为
依据所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，得到
其中，RLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，KLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，TLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的平移参数。
本实施例中的二维激光扫描仪标定系统，利用标靶反射片代替靶球作为扫描仪坐标系和全站仪坐标系转换参数求取的公共点，避免了靶球中心间接求取方式，不仅提高了标定精度，还能达到实时、快速的效果，并且标靶反射片具有单面性、轻便、价格低廉、有明显的测量中心点且能适用于任何恶劣的环境，便于现场采集和测量。
本发明还提供了一种二维激光扫描仪标定装置，所述标定装置用于实现上述二维激光扫描仪标定方法，所述标定装置包括：
小车、扫描仪、全站仪、标靶反射片和标志反射片，所述扫描仪设置在所述小车上，所述标靶反射片粘贴在测量现场，所述标志反射片粘贴在所述小车车体表面，所述全站仪用于测量所述标靶反射片的中心坐标和所述标志反射片的中心坐标。
具体的，所述靶标发射片为4个，每个所述标靶反射片长为20cm，宽为5cm，厚度为0.5mm，每个所述标靶反射片的中心标记一个小圆，所述小圆的直径为3mm；所述标志反射片为3个，所述标志反射片为2mm*2mm的莱卡反射片；所述标志反射片粘贴在小车车体表面的三个角上。
本发明提供的二维激光扫描仪标定装置，利用标靶反射片代替靶球作为扫描仪坐标系和全站仪坐标系转换参数求取的公共点，避免了靶球中心间接求取方式，不仅提高了标定精度，还能达到实时、快速的效果，并且标靶反射片具有单面性、轻便、价格低廉、有明显的测量中心点且能适用于任何恶劣的环境，便于现场采集和测量。
本说明书中对于实施例公开的系统和装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种二维激光扫描仪标定方法，其特征在于，包括：
获取布置在测量现场的多个标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标；
获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并依据惯性测量单元和里程计测量得到的参数数据，将每个扫描时刻的点云数据的坐标转换到基准坐标系下，所述扫描仪设置在所述小车上，所述参数数据包括小车的加速度、角速度和里程值，所述基准坐标系为小车静止时的初始扫描仪坐标系；
获取所述点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类；
获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标；
利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数；具体为：利用扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pl＝KTLRTLPt+TTL+εTL
其中，Pl为扫描仪坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的尺度参数，RTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的旋转参数，TTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的平移参数，εTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的转换误差；
利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数；
其中，所述获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标这一步骤中采用了标靶反射片中心坐标自动提取算法，具体提取过程为：读取点云数据，建立第一个点集聚类cluster[1]，将读取的第一个反射强度大于80的点point[1]加入第一个聚类中；读取第二个反射强度大于80的点point[2]，计算point[1]和point[2]两点之间的欧式距离S，因为标靶反射片的最长边为20cm，所以当S<20cm时，将点point[2]加入到聚类cluster[1]中，并计算第一个聚类cluster[1]中所有点的重心坐标barycen[1]；若S≥20cm，则建立第二个点集聚类cluster[2]，将点point[2]加入到cluster[2]中，同样计算第二个聚类cluster[2]中所有点的重心坐标barycen[2]；继续读取第三个反射强度大于80的点point[3]，计算point[3]与第一个聚类的重心barycen[1]的距离S1，若S1<20cm，则将point[3]加入到第一个聚类cluster[1]中，并重新计算和更新第一个聚类的重心坐标barycen[1]；若S1≥20cm，则计算point[3]与第二个聚类的重心barycen[2]的距离，若距离值S2<20cm，则将point[3]加入到第二个聚类cluster[2]中，并重新计算和更新第二个聚类的重心坐标barycen[2]；若S2≥20cm，则说明point[3]离第一、第二点集聚类较远，此时，建立第三个点集聚类cluster[3]，将点point[3]加入cluster[3]中，计算第三个点集聚类中所有点的重心坐标barycen[3]；以此类推，连续读取反射强度大于80的点point[n]，并逐一判断点point[n]与点集聚类的重心barycen[i]的距离(i＝1,2,3……)，若point[n]满足到重心的距离小于20cm的要求，则将点point[n]加入到点集聚类cluster[i]中，并重新计算更新聚类cluster[i]的重心坐标barycen[i]，若循环结束，point[n]都不在前面所有聚类范围内，则新建一个聚类，将点point[n]加入，求重心坐标，一直循环，直到遍历所有点云；
其中，依据惯性测量单元获取的小车的姿态数据以及里程计测量的里程值，设置的各个断面的点云数据转换到基准坐标系下的算法具体为：
1)时间同步：按照扫描仪各扫描面的时间为基准，对惯性测量单元与里程计获取的参数数据进行拉格朗日插值，使时间同步；
2)平移与旋转参数计算：以小车初始A面Sick扫描仪坐标系为基准，在小车向前进方向推动后，分别计算之后的断面B的平移参数与旋转参数；
平移参数的计算如下：
所述平移参数使用当前B面与初始A面的惯性测量单元记录的姿态角差与里程计记录的里程差进行推算，设平移参数为T，
扫描仪的扫描线为螺旋形，当小车速度较低时，扫描仪在每个时刻扫描得到的点云数据为一个圆周，通过高程计算方法，可得
SPlane＝ΔS·Cos(ΔFY)
SHeight＝ΔS·Sin(ΔFY)
ZB＝ZA+SHeight；
ΔS表示AB面的里程差，SPlane表示B面在平面的投影，SHeight表示A面与B面的高程差，ΔFY表示俯仰角差，A、B分别表示扫描仪在断面A、断面B的扫描中心；
对于平面计算，A面到B面在短时间内为一段弧线，其中AB弧对应的圆心角为ΔHX，ΔHX为惯性测量单元测得的航向角差，对应线段AB的方位角α＝ΔHX/2，则
XB＝XA+SPlane·Cos(α)
YB＝YA+SPlane·Sin(α)；
通过上述计算，可得平移参数为T；
旋转参数的计算如下：
所述旋转参数的三个旋转角分别为B面相对于A面的三个姿态角差，根据扫描仪坐标系的定义，其中绕x轴旋转为俯仰角为pitch，绕y轴旋转为航向角为yaw，绕z轴旋转为横滚角为roll，利用适用小角度的旋转矩阵加以处理，可得旋转参数R，
3)计算初始扫描仪坐标系下的点云数据：
利用获得的各个断面B到初始断面A的平移参数T和旋转参数R，将B面的点云数据的坐标经过坐标转换，得到以初始断面A为基准坐标系下的点云数据，具体为
得到在初始扫描仪坐标系下的点云数据。
2.根据权利要求1所述的一种二维激光扫描仪标定方法，其特征在于，
所述利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，具体包括：
利用车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pv＝KTVRTVPt+TTV+εTV
其中，Pv为车体坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTV为全站仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，RTV为全站仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，TTV为全站仪坐标系到车体坐标系的平移参数，εTV为全站仪坐标系到车体坐标系的转换误差。
3.根据权利要求2所述的一种二维激光扫描仪标定方法，其特征在于，
所述利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，具体包括：
利用车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式为
依据所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，得到
其中，RLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，KLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，TLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的平移参数。
4.一种二维激光扫描仪标定系统，其特征在于，包括：
第一标靶反射片中心获取模块，用于获取布置在测量现场的多个标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标；
点云数据获取模块，用于获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并依据惯性测量单元和里程计测量得到的参数数据，将每个扫描时刻的点云数据的坐标转换到基准坐标系下，所述扫描仪设置在所述小车上，所述参数数据包括小车的加速度、角速度和里程值，所述基准坐标系为小车静止时的初始扫描仪坐标系；
点集聚类形成模块，用于获取所述点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类；
第二标靶反射片中心获取模块，用于获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标；
第一转换参数获取模块，用于利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
第二转换参数获取模块，用于利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
第三转换参数获取模块，用于利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数；
所述第一转换参数获取模块具体包括：
第一转换参数计算单元，用于利用扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pl＝KTLRTLPt+TTL+εTL
其中，Pl为扫描仪坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的尺度参数，RTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的旋转参数，TTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的平移参数，εTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的转换误差；
所述第二标靶反射片中心获取模块中，采用了标靶反射片中心坐标自动提取算法，具体提取过程为：读取点云数据，建立第一个点集聚类cluster[1]，将读取的第一个反射强度大于80的点point[1]加入第一个聚类中；读取第二个反射强度大于80的点point[2]，计算point[1]和point[2]两点之间的欧式距离S，因为标靶反射片的最长边为20cm，所以当S<20cm时，将点point[2]加入到聚类cluster[1]中，并计算第一个聚类cluster[1]中所有点的重心坐标barycen[1]；若S≥20cm，则建立第二个点集聚类cluster[2]，将点point[2]加入到cluster[2]中，同样计算第二个聚类cluster[2]中所有点的重心坐标barycen[2]；继续读取第三个反射强度大于80的点point[3]，计算point[3]与第一个聚类的重心barycen[1]的距离S1，若S1<20cm，则将point[3]加入到第一个聚类cluster[1]中，并重新计算和更新第一个聚类的重心坐标barycen[1]；若S1≥20cm，则计算point[3]与第二个聚类的重心barycen[2]的距离，若距离值S2<20cm，则将point[3]加入到第二个聚类cluster[2]中，并重新计算和更新第二个聚类的重心坐标barycen[2]；若S2≥20cm，则说明point[3]离第一、第二点集聚类较远，此时，建立第三个点集聚类cluster[3]，将点point[3]加入cluster[3]中，计算第三个点集聚类中所有点的重心坐标barycen[3]；以此类推，连续读取反射强度大于80的点point[n]，并逐一判断点point[n]与点集聚类的重心barycen[i]的距离(i＝1,2,3……)，若point[n]满足到重心的距离小于20cm的要求，则将点point[n]加入到点集聚类cluster[i]中，并重新计算更新聚类cluster[i]的重心坐标barycen[i]，若循环结束，point[n]都不在前面所有聚类范围内，则新建一个聚类，将点point[n]加入，求重心坐标，一直循环，直到遍历所有点云；
其中，依据惯性测量单元获取的小车的姿态数据以及里程计测量的里程值，设置的各个断面的点云数据转换到基准坐标系下的算法具体为：
1)时间同步：按照扫描仪各扫描面的时间为基准，对惯性测量单元与里程计获取的参数数据进行拉格朗日插值，使时间同步；
2)平移与旋转参数计算：以小车初始A面Sick扫描仪坐标系为基准，在小车向前进方向推动后，分别计算之后的断面B的平移参数与旋转参数；
平移参数的计算如下：
所述平移参数使用当前B面与初始A面的惯性测量单元记录的姿态角差与里程计记录的里程差进行推算，设平移参数为T，
扫描仪的扫描线为螺旋形，当小车速度较低时，扫描仪在每个时刻扫描得到的点云数据为一个圆周，通过高程计算方法，可得
SPlane＝ΔS·Cos(ΔFY)
SHeight＝ΔS·Sin(ΔFY)
ZB＝ZA+SHeight；
ΔS表示AB面的里程差，SPlane表示B面在平面的投影，SHeight表示A面与B面的高程差，ΔFY表示俯仰角差，A、B分别表示扫描仪在断面A、断面B的扫描中心；
对于平面计算，A面到B面在短时间内为一段弧线，其中AB弧对应的圆心角为ΔHX，ΔHX为惯性测量单元测得的航向角差，对应线段AB的方位角α＝ΔHX/2，则
XB＝XA+SPlane·Cos(α)
YB＝YA+SPlane·Sin(α)；
通过上述计算，可得平移参数为T；
旋转参数的计算如下：
所述旋转参数的三个旋转角分别为B面相对于A面的三个姿态角差，根据扫描仪坐标系的定义，其中绕x轴旋转为俯仰角为pitch，绕y轴旋转为航向角为yaw，绕z轴旋转为横滚角为roll，利用适用小角度的旋转矩阵加以处理，可得旋转参数R，
3)计算初始扫描仪坐标系下的点云数据：
利用获得的各个断面B到初始断面A的平移参数T和旋转参数R，将B面的点云数据的坐标经过坐标转换，得到以初始断面A为基准坐标系下的点云数据，具体为
得到在初始扫描仪坐标系下的点云数据。
5.根据权利要求4所述的一种二维激光扫描仪标定系统，其特征在于，
所述第二转换参数获取模块具体包括：
第二转换参数计算单元，用于利用车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pv＝KTVRTVPt+TTV+εTV
其中，Pv为车体坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTV为全站仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，RTV为全站仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，TTV为全站仪坐标系到车体坐标系的平移参数，εTV为全站仪坐标系到车体坐标系的转换误差。
6.根据权利要求5所述的一种二维激光扫描仪标定系统，其特征在于，
所述第三转换参数获取模块具体包括：
第三转换参数计算单元，用于利用车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，计算得到车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数，所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式为
依据所述车体坐标系与扫描仪坐标系的转换公式，得到
其中，RLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的旋转参数，KLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的尺度参数，TLV为扫描仪坐标系到车体坐标系的平移参数。
7.一种二维激光扫描仪标定装置，其特征在于，所述标定装置用于实现所述二维激光扫描仪标定方法，
所述二维激光扫描仪标定方法，包括：
获取布置在测量现场的多个标靶反射片的中心点在全站仪坐标系下的坐标；
获取扫描仪在小车移动时多个标靶反射片表面的点云数据，并依据惯性测量单元和里程计测量得到的参数数据，将每个扫描时刻的点云数据的坐标转换到基准坐标系下，所述扫描仪设置在所述小车上，所述参数数据包括小车的加速度、角速度和里程值，所述基准坐标系为小车静止时的初始扫描仪坐标系；
获取所述点云数据中反射强度大于预设阈值的点的坐标，并依据反射强度大于预设阈值的点云数据与邻居点云数据的距离，形成点集聚类；
获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标；
利用标靶反射片中心在全站仪坐标系下的坐标和标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标，获取扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数；具体为：利用扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式，计算得到扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换公式为
Pl＝KTLRTLPt+TTL+εTL
其中，Pl为扫描仪坐标系下的点，Pt为全站仪坐标系下的点，KTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的尺度参数，RTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的旋转参数，TTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的平移参数，εTL为全站仪坐标系到扫描仪坐标系的转换误差；
利用标志反射片中心在车体坐标系下的坐标和标志反射片中心在全站仪坐标系下的坐标，获取车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数；
利用所述车体坐标系与全站仪坐标系的转换参数和所述扫描仪坐标系与全站仪坐标系的转换参数，获取车体坐标系与扫描仪坐标系的转换参数；
其中，所述获取所述点集聚类的重心坐标，将所述点集聚类的重心坐标确定为标靶反射片中心在初始扫描仪坐标系下的坐标这一步骤中采用了标靶反射片中心坐标自动提取算法，具体提取过程为：读取点云数据，建立第一个点集聚类cluster[1]，将读取的第一个反射强度大于80的点point[1]加入第一个聚类中；读取第二个反射强度大于80的点point[2]，计算point[1]和point[2]两点之间的欧式距离S，因为标靶反射片的最长边为20cm，所以当S<20cm时，将点point[2]加入到聚类cluster[1]中，并计算第一个聚类cluster[1]中所有点的重心坐标barycen[1]；若S≥20cm，则建立第二个点集聚类cluster[2]，将点point[2]加入到cluster[2]中，同样计算第二个聚类cluster[2]中所有点的重心坐标barycen[2]；继续读取第三个反射强度大于80的点point[3]，计算point[3]与第一个聚类的重心barycen[1]的距离S1，若S1<20cm，则将point[3]加入到第一个聚类cluster[1]中，并重新计算和更新第一个聚类的重心坐标barycen[1]；若S1≥20cm，则计算point[3]与第二个聚类的重心barycen[2]的距离，若距离值S2<20cm，则将point[3]加入到第二个聚类cluster[2]中，并重新计算和更新第二个聚类的重心坐标barycen[2]；若S2≥20cm，则说明point[3]离第一、第二点集聚类较远，此时，建立第三个点集聚类cluster[3]，将点point[3]加入cluster[3]中，计算第三个点集聚类中所有点的重心坐标barycen[3]；以此类推，连续读取反射强度大于80的点point[n]，并逐一判断点point[n]与点集聚类的重心barycen[i]的距离(i＝1,2,3……)，若point[n]满足到重心的距离小于20cm的要求，则将点point[n]加入到点集聚类cluster[i]中，并重新计算更新聚类cluster[i]的重心坐标barycen[i]，若循环结束，point[n]都不在前面所有聚类范围内，则新建一个聚类，将点point[n]加入，求重心坐标，一直循环，直到遍历所有点云；
其中，依据惯性测量单元获取的小车的姿态数据以及里程计测量的里程值，设置的各个断面的点云数据转换到基准坐标系下的算法具体为：
1)时间同步：按照扫描仪各扫描面的时间为基准，对惯性测量单元与里程计获取的参数数据进行拉格朗日插值，使时间同步；
2)平移与旋转参数计算：以小车初始A面Sick扫描仪坐标系为基准，在小车向前进方向推动后，分别计算之后的断面B的平移参数与旋转参数；
平移参数的计算如下：
所述平移参数使用当前B面与初始A面的惯性测量单元记录的姿态角差与里程计记录的里程差进行推算，设平移参数为T，
扫描仪的扫描线为螺旋形，当小车速度较低时，扫描仪在每个时刻扫描得到的点云数据为一个圆周，通过高程计算方法，可得
SPlane＝ΔS·Cos(ΔFY)
SHeight＝ΔS·Sin(ΔFY)
ZB＝ZA+SHeight；
ΔS表示AB面的里程差，SPlane表示B面在平面的投影，SHeight表示A面与B面的高程差，ΔFY表示俯仰角差，A、B分别表示扫描仪在断面A、断面B的扫描中心；
对于平面计算，A面到B面在短时间内为一段弧线，其中AB弧对应的圆心角为ΔHX，ΔHX为惯性测量单元测得的航向角差，对应线段AB的方位角α＝ΔHX/2，则
XB＝XA+SPlane·Cos(α)
YB＝YA+SPlane·Sin(α)；
通过上述计算，可得平移参数为T；
旋转参数的计算如下：
所述旋转参数的三个旋转角分别为B面相对于A面的三个姿态角差，根据扫描仪坐标系的定义，其中绕x轴旋转为俯仰角为pitch，绕y轴旋转为航向角为yaw，绕z轴旋转为横滚角为roll，利用适用小角度的旋转矩阵加以处理，可得旋转参数R，
3)计算初始扫描仪坐标系下的点云数据：
利用获得的各个断面B到初始断面A的平移参数T和旋转参数R，将B面的点云数据的坐标经过坐标转换，得到以初始断面A为基准坐标系下的点云数据，具体为
得到在初始扫描仪坐标系下的点云数据；
所述标定装置包括：
小车、扫描仪、全站仪、标靶反射片和标志反射片，所述扫描仪设置在所述小车上，所述标靶反射片粘贴在测量现场，所述标志反射片粘贴在所述小车车体表面，所述全站仪用于测量所述标靶反射片的中心坐标和所述标志反射片的中心坐标。
8.根据权利要求7所述的一种二维激光扫描仪标定装置，其特征在于，所述标靶反射片为4个，每个所述标靶反射片长为20cm，宽为5cm，厚度为0.5mm，每个所述标靶反射片的中心标记一个小圆，所述小圆的直径为3mm；所述标志反射片为3个，所述标志反射片为2mm*2mm的莱卡反射片；所述标志反射片粘贴在小车车体表面的三个角上。
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| CN201710889539.0A CN107782240B (zh) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | 一种二维激光扫描仪标定方法、系统及装置 |
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| CN201710889539.0A CN107782240B (zh) | 2017-09-27 | 2017-09-27 | 一种二维激光扫描仪标定方法、系统及装置 |
Publications (2)
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