CN108362201A - 一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法和装置，标定方法包括如下步骤：建立辅助测量坐标系，并获取辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系，其中POS坐标系的中心与惯性测量装置的坐标中心重合；获取GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，以及激光扫描仪测量坐标与辅助测量坐标之间的关系；根据辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系：建立激光扫描测量坐标与POS坐标系之间的联系，计算出激光扫描仪相对于POS系统的安置参数；计算GNSS天线的几何中心在POS坐标系中的坐标和GNSS天线的杆臂值参数。本发明提供的技术方案，避免了由于GNSS天线杆臂值标定误差对导航数据处理精度造成的影响。
Description
技术领域
本发明属于定位导航技术领域，具体涉及一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法和装置。
背景技术
随着“数字地球”、“智慧城市”等理念的不断推进及普及，人们对室内外高精度定位、导航、授时服务(PNT)的数量、质量及其更新速度的需求日趋复杂。传统、单一的导航定位手段已无法满足位置服务的需求。融合多种传感器(如GNSS、IMU、磁力计、相机、LiDAR、蓝牙、气压计、无线网络等)，适应复杂应用环境(如城市峡谷、室内、水下等场景)，高效、稳健的室内外无缝导航定位系统成为了实时获取空间信息的一种新趋势。室内外无缝导航定位实际上是综合现有导航定位手段(卫星导航定位技术、地基无线网络导航定位技术、自包含传感器导航定位技术)，融合异质、异构、异步的导航源数据，应对室内外环境及其切换过程的鲁棒、高效组合导航定位技术。目前学者常采用的融合方式有：(1)基于无线网络导航定位技术和卫星导航定位技术的无缝导航；(2)基于自包含传感器导航定位技术和卫星导航定位技术的无缝导航；(3)综合三种导航定位技术的无缝导航。
室内外无缝导航定位导航的关键技术有：(1)多传感器空间关系标定；(2)传感器同步控制与信息融合；(3)导航传感器在线优化选择；(4)高效能的融合导航定位滤波算法。其中在对多传感器空间关系标定时，多传感器组合导航定位是建立在传感器安置关系已知的基础上进行的，若安置参数存在较大的误差，会影响导航定位的整体精度。
目前，多传感器组合导航定位系统中组合导航传感器常用的标定方法主要包括平台标定发和在线标定法两种，其中平台标定法是指通过设备给定的中心和三轴指向建立传感器之间的位姿关系，对各传感器进行标定；在线标定法是根据组合导航定位模型，将传感器之间的位置姿态偏差作为系统误差，对定位结果进行评估、补偿和校准。
在室内外无缝导航定位导航系统中，传感器位姿关系标定主要包含POS系统内部GNSS天线几何中心与INS中心的位置关系标定，POS系统中心与测量传感器(激光扫描仪、CCD相机等)，以及多个测量传感器之间的安置参数标定。由于POS系统的GNSS中心与INS中心不一致，两者之间存在固定的偏差，即GNSS天线杆臂值，杆臂值的标定误差会对导航数据处理精度造成直接影响。
发明内容
本发明提供一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法和装置，用于解决GNSS天线杆臂值标定误差造成的导航数据处理精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
方法方案1：一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，包括如下步骤：
(1)建立辅助测量坐标系，并获取辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系，其中POS坐标系的中心与惯性测量装置的坐标中心重合；
(2)获取GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，以及激光扫描仪测量坐标与辅助测量坐标之间的关系；
(3)根据辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系：
建立激光扫描测量坐标与POS坐标系之间的联系，计算出激光扫描仪相对于POS系统的安置参数；
计算GNSS天线的几何中心在POS坐标系中的坐标，并计算出GNSS天线的杆臂值参数。
方法方案2：在方法方案1的基础上，所述获取GNSS天线几何中心坐标在辅助测量坐标系中的坐标，包括：
计算GNSS天线下边沿中心点在辅助测量坐标系中的坐标；
提取GNSS天线的中心轴线向量；
根据GNSS天线下边沿的中心坐标和中心轴线向量，计算其几何中心位置在辅助测量坐标系中的坐标。
方法方案3：在方法方案2的基础上，提取GNSS天线连接杆的轴线向量，判断与GNSS天线的中心轴线向量是否一致，如果不一致，则GNSS天线的中心轴线向量出现错误。
方法方案4：在方法方案1的基础上，还包括根据获取GNSS天线几何中心时的拟合误差，和辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，计算GNSS天线杆臂值精度的步骤。
方法方案5：在方法方案1的基础上，还包括根据辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，以及激光扫描测量坐标与辅助测量坐标转换时的平移参数，计算扫描仪安置参数精度的步骤。
装置方案1：一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定装置，包括处理器，处理器设有标定模块，标定模块用于：
建立辅助测量坐标系，并获取辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系，其中POS坐标系的中心与惯性测量装置的坐标中心重合；
获取GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，以及激光扫描仪测量坐标与辅助测量坐标之间的关系；
根据辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系：
建立激光扫描测量坐标与POS坐标系之间的联系，计算出激光扫描仪相对于POS系统的安置参数；
计算GNSS天线的几何中心在POS坐标系中的坐标，并计算出GNSS天线的杆臂值参数。
装置方案2：在装置方案1的基础上，所述获取GNSS天线几何中心坐标在辅助测量坐标系中的坐标，包括：
计算GNSS天线下边沿中心点在辅助测量坐标系中的坐标；
提取GNSS天线的中心轴线向量；
根据GNSS天线下边沿的中心坐标和中心轴线向量，计算其几何中心位置在辅助测量坐标系中的坐标。
装置方案3：在装置方案2的基础上，提取GNSS天线连接杆的轴线向量，判断与GNSS天线的中心轴线向量是否一致，如果不一致，则GNSS天线的中心轴线向量出现错误。
装置方案4：在装置方案1的基础上，还包括根据获取GNSS天线几何中心时的拟合误差，和辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，计算GNSS天线杆臂值精度的步骤。
装置方案5：在装置方案1的基础上，还包括根据辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，以及激光扫描测量坐标与辅助测量坐标转换时的平移参数，计算扫描仪安置参数精度的步骤。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，首先建立辅助测量坐标系，然后提取GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，最后从辅助测量坐标系转换到POS坐标系下，实现对GNSS天线杆臂值参数的标定。本发明提供的技术方案，采用辅助测量坐标对GNSS天线杆臂值参数进行标定，避免了由于GNSS天线杆臂值标定误差对导航数据处理精度造成的影响。
附图说明
图1为实施例中导航传感器参数标定的标定示意图；
图2为实施例中GNSS天线杆臂值参数标定的流程图；
图3为实施例中激光扫描仪安置参数标定的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法和装置，用于解决GNSS天线杆臂值标定误差造成的导航数据处理精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，包括如下步骤：
(1)建立辅助测量坐标系，并获取辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系，其中POS坐标系的中心与惯性测量装置的坐标中心重合；
(2)获取GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，以及激光扫描仪测量坐标与辅助测量坐标之间的关系；
(3)根据辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系：
建立激光扫描测量坐标与POS坐标系之间的联系，计算出激光扫描仪相对于POS系统的安置参数；
计算GNSS天线的几何中心在POS坐标系中的坐标，并计算出GNSS天线的杆臂值参数。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本实施例提供一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，示意图如图1所示，包括对GNSS天线杆臂值参数的标定、激光扫描仪安置参数的标定和对标定误差的分析。
GNSS天线杆臂值参数的标定：
对GNSS天线杆臂值参数标定时，首先获取GNSS天线的几何中心，然后通过坐标系转化的到GNSS天线几何中心在POS坐标系中的坐标，其流程如图2所示，具体步骤如下：
1、提取GNSS天线的几何中心；
GNSS天线下边沿多为规则形状，本实施例中采用的GNSS天线，其下边沿为圆形，根据GNSS天线的下边沿测量信息拟合出其几何中心，然后结合轴向信息，进一步推算出其几何中心，具体步骤如下：
(1)采用最小二乘法拟合提取出GNSS天线下边沿的几何中心；
假设GNSS天线下边沿的半径为R，其下边沿的中心坐标为则下边沿的空间方程为
对该方程进行泰勒级数展开，去掉其中的高次项后构建相应的平差方程，通过最小二乘法平差，即可计算出NGSS天线下边沿的几何中心；上式中a,b和c分别为相应的匹配参数；
(2)提取GNSS天线的轴线向量；
GNSS天线下边沿的几何中心某些情况下就是GNSS天线的几何中心，但是很多情况下与GNSS天线的几何中心存在一定的距离偏差，需要获取GNSS天线的中心轴线向量，结合下边沿的几何中心计算出GNSS天线的几何中心位置；
GNSS天线的中心轴线向量可以通过下边沿的空间方程提取：
由于GNSS连接杆与GNSS天线同轴，所以通过对GNSS连接杆的测量数据进行拟合，提取其轴线向量，判断与GNSS天线的中心轴线向量是否一致，如果不一致，则GNSS下边沿方程提取的轴线向量出现错误；
(3)获取GNSS天线的几何中心在辅助测量坐标系下的坐标
在获取GNSS天线下边沿几何中心后，根据给定的偏差ΔL，结合轴向矢量得到GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系下的坐标
2、POS坐标系与辅助测量坐标系的基准统一；
通过测量POS坐标系中的标志点，建立辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系；
3、将GNSS天线的几何中心归算至POS坐标系下；
根据GNSS的几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，得到其在POS坐标系下的坐标，完成GNSS杆臂值的标定。
激光扫描仪安置参数的标定：
POS系统与激光扫描仪之间的安置参数标定主要包括两者之间的位置安置参数和角度安置参数标定。本实施例中，通过辅助测量传感器，建立扫描仪坐测量标系与POS坐标系之间的联系，进一步推算出扫描仪与POS之间的安置关系：从坐标系平移参数中推算出扫描仪的位置安置参数，从坐标系旋转参数中推算出扫描仪的角度安置参数，其流程如图3所示，具体步骤如下：
1、激光扫描仪测量坐标系与辅助测量坐标系的基准统一；
2、POS坐标系与辅助测量坐标系的基准统一；
3、激光扫描仪测量坐标系与POS坐标系之间的基准统一；
其中：k3＝k1·k2，表示扫描仪测量坐标系与POS坐标之间的尺度变化；表示扫描仪中心在POS坐标系下的坐标，即为待求解的扫描仪位置安置参数；表示扫描仪测量坐标系与POS坐标系之间的坐标旋转量，进一步可解算出相应的扫描仪姿态安置参数：
βM＝-arcsin(RM(1,3))
整体误差的标定：
上述对GNSS杆臂值参数的标定和激光扫描仪安置参数的标定，其中最重要的步骤都是坐标系之间的转换，因此在对整体的误差进行标定时，需要从坐标系转换的角度触发，推导传感器的标定误差模型。
本实施例中以坐标系A和坐标系B之间的转换为例，这两个坐标系之间的关系可表示为
假设α、β、γ为坐标系A到B的旋转角，k为两坐标系之间的尺度变换，X0、Y0、Z0为两坐标系的平移参数，这七个参数构成旋转矩阵具体可表示为：
对该式进一步展开，得到
将该式线性化，得到
构成残差矩阵
VrB＝A·δn-lrA
设α、β、γ、k、X0、Y0、Z0这七各参数的权阵为P，且P为单位权阵，一共有i个点，i≥3，则相应单位权方差为：
由单位权阵P可知，平移参数精度、旋转参数精度以及尺度因子精度相一致。假设公共点布设的最大空间范围为L，转换参数的精度可表示为：
则坐标平移精度和坐标旋转精度分别为：
(1)GNSS杆臂值精度分析：
杆臂值的精度主要受辅助测量坐标系与POS坐标系之间的坐标转换误差mcov1和GNSS几何中心拟合误差mfit影响。假设辅助测量坐标系与POS坐标系之间的转换参数为：k1、α1、β1、γ1、X01、Y01、Z01。对应的误差为 两坐标系公共点分布的最大范围为L1。
采用微分法，得到杆臂值误差模型为：
(2)激光扫描仪安置参数精度分析
扫描仪位置安置参数精度主要受辅助测量坐标系与POS坐标系之间坐标转换误差mcov1，和激光扫描仪测量坐标系与辅助测量坐标系之间平移参数误差影响。假设坐标系S与坐标系L之间的转换参数为：k2、α2、β2、γ2、X02、Y02、Z02，对应误差为两坐标系公共点分布的最大范围为L2。
采用微分法，获取位置参数误差模型为：
扫描仪姿态安置参数由推导而来。
即若直接采用微分方程分析误差，需从矩阵RM中分离出安置角参数αM、βM、γM，表述过于复杂。因此可采用蒙特卡罗法建立安置参数解算误差模型。从RM中计算安置角参数的方程可表示为：(αM,βM,γM)＝F(μ)。其中μ表示旋转参数α1、β1、γ1、α2、β2、γ2。相应的误差模型为：
(ΔαM,ΔβM,ΔγM)＝F(μ+Δμ)-F(μ)
其中ΔαM、ΔβM、ΔγM为所求角度安置参数的误差。Δμ为符合均值为0，均方差为mμ的正态分布。
Claims (10)
1.一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立辅助测量坐标系，并获取辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系，其中POS坐标系的中心与惯性测量装置的坐标中心重合；
(2)获取GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，以及激光扫描仪测量坐标与辅助测量坐标之间的关系；
(3)根据辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系：
建立激光扫描测量坐标与POS坐标系之间的联系，计算出激光扫描仪相对于POS系统的安置参数；
计算GNSS天线的几何中心在POS坐标系中的坐标，并计算出GNSS天线的杆臂值参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，其特征在于，所述获取GNSS天线几何中心坐标在辅助测量坐标系中的坐标，包括：
计算GNSS天线下边沿中心点在辅助测量坐标系中的坐标；
提取GNSS天线的中心轴线向量；
根据GNSS天线下边沿的中心坐标和中心轴线向量，计算其几何中心位置在辅助测量坐标系中的坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，其特征在于，提取GNSS天线连接杆的轴线向量，判断与GNSS天线的中心轴线向量是否一致，如果不一致，则GNSS天线的中心轴线向量出现错误。
4.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，其特征在于，还包括根据获取GNSS天线几何中心时的拟合误差，和辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，计算GNSS天线杆臂值精度的步骤。
5.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定方法，其特征在于，还包括根据辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，以及激光扫描测量坐标与辅助测量坐标转换时的平移参数，计算扫描仪安置参数精度的步骤。
6.一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定装置，其特征在于，包括处理器，处理器设有标定模块，标定模块用于：
建立辅助测量坐标系，并获取辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系，其中POS坐标系的中心与惯性测量装置的坐标中心重合；
获取GNSS天线几何中心在辅助测量坐标系中的坐标，以及激光扫描仪测量坐标与辅助测量坐标之间的关系；
根据辅助测量坐标系与POS坐标系之间的联系：
建立激光扫描测量坐标与POS坐标系之间的联系，计算出激光扫描仪相对于POS系统的安置参数；
计算GNSS天线的几何中心在POS坐标系中的坐标，并计算出GNSS天线的杆臂值参数。
7.根据权利要求6所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定装置，其特征在于，所述获取GNSS天线几何中心坐标在辅助测量坐标系中的坐标，包括：
计算GNSS天线下边沿中心点在辅助测量坐标系中的坐标；
提取GNSS天线的中心轴线向量；
根据GNSS天线下边沿的中心坐标和中心轴线向量，计算其几何中心位置在辅助测量坐标系中的坐标。
8.根据权利要求7所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定装置，其特征在于，提取GNSS天线连接杆的轴线向量，判断与GNSS天线的中心轴线向量是否一致，如果不一致，则GNSS天线的中心轴线向量出现错误。
9.根据权利要求6所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定装置，其特征在于，还包括根据获取GNSS天线几何中心时的拟合误差，和辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，计算GNSS天线杆臂值精度的步骤。
10.根据权利要求6所述的一种基于三维激光扫描的导航传感器参数标定装置，其特征在于，还包括根据辅助测量坐标系与POS坐标系转换时的转换误差，以及激光扫描测量坐标与辅助测量坐标转换时的平移参数，计算扫描仪安置参数精度的步骤。
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