CN109725324B - 一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，包括以下步骤：在测量开始前，根据测量任务需求和待测目标特点，确定待测目标上待用标记位的数量、位置、布局，在地平面上每个标记位的投影点设置一个对应的全向激光靶标，并创建全向激光靶标坐标信息库；激光雷达在安装平面上对360度范围进行2D扫描，获得所有全向激光靶标信息；从所述全向激光靶标反射回来的信号中筛查激光反射信号，并进一步确定属于同一全向激光靶标的反射信号，并通过曲线拟合算法，得到该全向激光靶标的中心点和半径参数，进一步得到激光雷达相对于全向激光靶标的精确坐标和激光雷达的扫描方向。在测量实践中，利用该方法能够更高效地实现平面内坐标的快速高精度定位，提高操作效率，降低测量试验成本。

Description

一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法

技术领域

本申请涉及激光雷达定位技术领域，更具体的说，涉及一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法。

背景技术

理想情况下，对平面中的任意一点，可采用三点定位法进行坐标定位，即只需已知平面内三点的位置坐标(三点不在一条直线上)，通过分别测量该点到坐标已知三点的距离，就可以解算得到该点的精确坐标。

在对隐身装备雷达波散射特性的测量实践中，为获得隐身装备的整体散射特性，雷达散射测量系统围绕隐身装备不断移动。测量过程中，为获得雷达散射测量系统相对于隐身装备的坐标信息，一般通过以下几种方式得到：罗盘+里程计定位、GPS定位、人工解算坐标等。罗盘+里程计定位和GPS定位属于相对定位法，罗盘+里程计定位结果精度低，GPS定位无法用于室内测试环境，而人工解算坐标既费时费力，也无法实现雷达散射测量系统对位置信息的实时定位。

由于雷达波散射特性测量结果精度与雷达散射测量系统相对于待测目标的定位精度密切相关，尤其是待测目标为隐身装备时，隐身装备其自身的雷达波散射极低。在对隐身装备进行雷达波散射特性测量时，为达到既定的测量结果精度目标，对雷达散射测量系统的定位精度提出了更高要求。上述三种定位方法均无法满足雷达散射测量系统对坐标信息的实时、精准定位需求，严重制约测量结果精度的进一步提升，迫切需要一种新的、高精度实时定位技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，包括以下步骤：

S101、建立坐标信息库：在测量开始前，根据测量任务需求和待测目标特点，确定待测目标上待用标记位的数量、位置、布局，在地平面上每个标记位的投影点设置一个对应的全向激光靶标，并对所有全向激光靶标进行编号，将所有全向激光靶标间两两连线，创建全向激光靶标坐标信息库，信息库包含每条边的长度、端点编号和相邻两条边之间的夹角信息；

S102、定位测量：所述激光雷达在安装平面上对360度范围进行2D扫描，获得平面内所有全向激光靶标信息；

S103、外形匹配：从所述全向激光靶标反射回来的信号中筛查激光反射信号，并进一步确定属于同一全向激光靶标的反射信号；

S104、靶标坐标定位：对来自同一全向激光靶标的所有反射信号，通过曲线拟合算法，得到该全向激光靶标的中心点和半径参数；

S105、激光雷达坐标解算：从在S104中得到的全向激光靶标中心点中选择多个，个数大于等于3，并利用其中心点到激光雷达的精确距离，得到激光雷达相对于全向激光靶标的精确坐标和激光雷达的扫描方向。

进一步，在S101中，调整激光雷达的高度、俯仰角，使得激光雷达垂直波束中心点与所有全向激光靶标覆盖激光高反射率材料的反射面中心点处于同一平面内。

进一步，在S102中，所获得的平面内所有全向激光靶标信息包括距离、角度以及反射信号强度的信息。

进一步，在S103中，在筛查激光反射信号时，根据激光雷达与全向激光靶标间的距离设定其反射信号强度阈值，大于该阈值的反射信号可判定为是由全向激光靶标反射的，反之则是由其他障碍物反射的。

进一步，在S103中，在确定属于同一全向激光靶标的反射信号时，通过设定一距离阈值进行判断，如相邻两个反射信号的距离差值不大于设定的阈值，即可判定这两个信号为同一全向激光靶标的反射信号，反之则为不同激光靶标的反射信号。

进一步，所述距离阈值由激光雷达的扫描速率和全向激光雷达反射面的直径确定。

进一步，在S104中，根据观测点参数特点，选择最小二乘法或正交距离回归算法对反射信号进行曲线拟合。

在测量实践中，利用本发明提出的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，能够更高效地实现平面内坐标的快速高精度定位，提高操作效率，降低测量试验成本。大量仿真和现场实测结果表明，利用该方法对单个全向激光靶标的定位误差不超过5mm。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的全向激光靶标中心定位示意图。

图3是本发明实施例提供的利用正交距离回归算法拟合圆弧的仿真结果。

图4是本发明实施例提供的利用正交距离回归算法拟合圆弧仿真结果的局部放大图。

图5是本发明实施例提供的一种利用激光雷达实现平面内坐标快速定位装置的立体图。

图6是本发明实施例提供的一种利用激光雷达实现平面内坐标快速定位装置的俯视图。

图7是本发明实施例提供的一种利用激光雷达实现平面内坐标快速定位装置的正视图。

其中，1.激光雷达，2.全向激光靶标，3.车载计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1示出了本发明实施例提供的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法流程图，该方法包括如下步骤：

S101、建立坐标信息库。在测量开始前，根据测量任务需求和待测目标特点，确定待测目标上待用标记位的数量、位置、布局，在地平面上在每个标记位的投影点设置一个对应的全向激光靶标，并对所有全向激光靶标进行编号。

将激光雷达设置于全向激光靶标所在同一平面内，调整激光雷达的高度、俯仰角，使得激光雷达垂直波束中心点与全向激光靶标覆盖激光高反射率材料的反射面中心点(垂直向)处于同一平面内。在散射测量过程中，因激光雷达的位置需根据测量需要而不断发生移动，而待测目标的位置相对固定，因此，为降低后续计算复杂度，选择与待测目标上标记位相对应的一个全向激光靶标中心点为原点建立直角坐标系。

由于待测目标上标记位间的相对位置已知，由此可得到与标记位相对应的全向激光靶标间的相对位置关系，将所有全向激光靶标间两两连线，创建全向激光靶标坐标信息库，信息库中包含每条边的长度、端点编号和相邻两条边之间的夹角信息，将全向激光靶标坐标信息库存入车载计算机以备后续匹配全向激光靶标时调用。

S102、定位测量。激光雷达具备激光发射和接收功能，其接收回来的信息包含反射点的距离和角度信息。启动激光雷达，激光雷达在安装平面上对 360度范围进行2D扫描，获得平面内所有全向激光靶标信息(完全被遮挡的除外)，包括距离、角度以及反射信号强度，传输至车载计算机存储、处理。

S103、外形匹配。全向激光靶标外形匹配分两步进行：

第一步，激光反射信号筛查。激光反射信号筛查用于筛查从全向激光靶标反射回来的有用信号，通过设置反射信号强度阈值实现。散射测量时，平面内除有激光雷达和多个全向激光靶标外，还有待测目标及其附属设施，如千斤顶、起落架、支撑机构等。由于全向激光靶标表面覆盖有激光高反射率材料，在相同的距离处，全向激光靶标反射回来的信号远高于普通障碍物反射回来的信号。激光的反射信号强度与距离成正比，反射信号的强度与距离之间的关系可以通过实验得到，通过这个关系式，可根据激光雷达与全向激光靶标间的距离设定其反射信号强度阈值，大于该阈值的反射信号可判定为是由全向激光靶标反射的，反之则是由其他障碍物反射的。

第二步，全向激光靶标甄别。全向激光靶标甄别用于甄别从同一全向激光靶标反射回来的信号，通过设置反射信号距离阈值实现。由于全向激光靶标外形为一圆柱体，在激光雷达扫过同一全向激光靶标时，返回的距离值不应该发生突变。因此，可通过设定一距离阈值进行判断，如相邻两个反射信号的距离差值不大于设定的阈值，即可判定这两个信号为同一全向激光靶标的反射信号，反之则为不同激光靶标的反射信号。距离阈值的大小由激光雷达的扫描速率(scan rate)和全向激光雷达反射面的直径确定。

附图2给出了全向激光靶标中心定位示意图。图2中，T0、T1、T2为三个待确定中心距离的全向激光靶标，三个全向激光靶标与激光雷达间的距离、方位均不相同。d₀、d₁……d₁₀示出了激光雷达扫过三个全向激光靶标的部分激光射线，其中，激光射线d₀来自于全向激光靶标T1，激光射线d₁₀来自于全向激光靶标T2，d₀和d₁、d₉和d₁₀分别为来自于不同全向激光靶标的相邻激光射线，在处理过程中，根据激光雷达扫描速率和全向激光雷达反射面的直径确定距离阈值，利用距离阈值可判定相邻两个激光射线是否来自同一个全向激光靶标。

S104、靶标坐标定位。在S103完成全向激光靶标的外形匹配后，即可进行全向激光靶标坐标的定位，得到该全向激光靶标中心点的坐标信息。首先，对来自同一全向激光靶标的所有反射信号，根据观测点参数特点，选择最小二乘法或正交距离回归算法对反射信号进行曲线拟合，得到该全向激光靶标的中心点(即圆心)和圆弧(即半径)。

完成所有激光射线判定后，利用来自同一个全向激光靶标的激光射线，通过拟合算法可得到该全向激光靶标的中心点坐标。本实施例以最小二乘法和正交距离回归(ODR)为例来说明确定全向激光靶标中心点坐标和半径的方法。受激光雷达照射弧线，可通过利用最小二乘法或正交距离回归(ODR) 算法进行曲线拟合的方法得到，其具体方法是：

1.最小二乘法

最小二乘法是曲线拟合常采用的一种方法，曲线拟合的实际含义是寻求一个函数y＝f(x)，使f(x)在某种准则下与所有数据真实值最为接近，即曲线拟合得最好。最小二乘准则就是使所有散点到曲线的距离平方和最小。最小二乘法曲线拟合的数学模型为一个多项式函数，通常为m次多项式，可表示为：

P_m(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m(m＜n) (1)

设已知n+1个数据点(x_i,y_i)(i＝0,1,…n)。在用最小二乘法估计参数时，要求观测值y_i的偏差R_i的平方和为最小，即：

用矩阵来描述，则偏差方程式可写成：

R＝Y-XA (3)

式中：

满足式(2)的最小二乘解为：

式中，X^T为X的转置矩阵。

将(a₀,a₁,…a_m)代入式(1)，得最小二乘拟合函数P_m(x)。由最小二乘拟合函数P_m(x)，即可得到全向激光靶标中心坐标和半径。

最小二乘法反映了数据点总的趋势，消除了其局部波动，适用于杂乱无章的无序离散点拟合。

2.正交距离回归(ODR)算法

对于给定的n个数据点(x_i,y_i)(i＝1,2,…,n)，假设x_i、y_i的随机误差分别为ε_i、η_i，其方差协方差阵为：

考虑到自变量的误差，拟合模型可描述为：

式中，

α为估计参数。

数据点到拟合曲线的距离残差定义为：

拟合准则：

在此模型中，如果不考虑自变量x的误差，式(8)变为：

这是典型的最小二乘曲线拟合模型。从几何上讲，距离残差r_i实质是点到拟合曲线的正交距离，拟合准则为“所有点到拟合曲线的正交距离的平方和最小”。因此，这种拟合方法称为正交距离回归，又称正交最小二乘法。

将ε_i、η_i分别用v_xi、v_yi表示。曲线的观测方程可表示为：

取坐标x_i和待求参数α为未知数，并令：

其误差方程可表示为：

式(11)中观测值个数为2n，未知数个数为n+m+1，其矩阵表达式为：

其中，I_n为n阶单位矩阵，B为n阶对角矩阵。

依照准则

即按照准则V^TV＝min，按采用间接平差方法求解可得：

正交距离回归算法的观测值残差按下式计算:

各观测点的正交距离残差为：

由于正交距离曲线拟合的约束条件是正交距离的残差平方和极小：

单位权重误差按下式计算：

正交距离回归算法适用于观测值(x_i,y_i)同为含误差的随机变量，对数据点值有序的离散点的拟合效果较好。

附图3给出了利用正交距离回归算法拟合圆弧的仿真结果，附图4为利用正交距离回归算法拟合圆弧仿真结果的局部放大图。仿真结果表明，采用正交距离回归算法拟合圆弧，所得到的圆心坐标误差在5mm以内。

利用上面得到的结果，结合激光雷达扫描数据的角度信息，即可得到该全向激光靶标中心点相对于激光雷达的距离、角度信息。对所有全向激光靶标逐一重复上述过程，得到所有全向激光靶标中心点相对于激光雷达的距离、角度信息。其次，将确定了中心坐标和半径的所有全向激光靶标中心点两两相连，得到每条边的长度和相邻两条边之间的夹角信息，将其与S101 坐标信息库中的数据进行比对，例如每次取出一条观测到的、由两个全向激光靶标组成的边进行比对。当匹配成功后，即可得到位于该条边位于两个端点全向激光靶标的编号，同时退出该条边的比对，取下一条边，重复上述比对过程，直至完成所有边和端点的比对。最后，进行坐标转换，将得到的全向激光靶标中心点相对于激光雷达的距离、角度信息，转换到S101中建立的、以待测目标上标记位相对应的一个全向激光靶标中心点为原点直角坐标系下，得到所有全向激光靶标中心点在该直角坐标系下的精确坐标，完成全向激光靶标的坐标定位。

S105、激光雷达坐标解算。在S104得到了所有全向激光靶标中心点的精确坐标后，利用多个(≥3)匹配成功的全向激光靶标中心点到激光雷达的精确距离，可反算得到激光雷达相对于全向激光靶标的精确坐标。

激光雷达扫描方向确定。由得到的多个(≥3)匹配成功的全向激光靶标和激光雷达的精确坐标，即可确定激光雷达的扫描方向，完成激光雷达坐标的解算、定位过程。

图5-图7示出了一种利用激光雷达实现平面内坐标快速定位的装置,该装置包括：激光雷达1、多个全向激光靶标2和车载计算机3。其中，图5 为一种利用激光雷达实现平面内坐标快速定位的装置的立体图，图6为一种利用激光雷达实现平面内坐标快速定位的装置的俯视图，图7为一种利用激光雷达实现平面内坐标快速定位的装置的正视图。所述激光雷达1作为外部传感器，具备激光发射和接收功能，其接收回来的信息包含反射点的距离和角度信息，对环境中的圆柱形全向激光靶标2进行检测和特征提取，将其中心点位置与已知坐标全向激光靶标2关联；所述全向激光靶标2表面覆盖激光高反射率材料，当激光雷达1接收到反射回来的激光时，就可得到该全向激光靶标2的极坐标；所述车载计算机3用于完成庞大的点云数据的运算处理、坐标转换、降噪滤波和区域分割等预处理，完成数据特征提取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，包括以下步骤：

S101、建立坐标信息库：在测量开始前，根据测量任务需求和待测目标特点，确定待测目标上待用标记位的数量、位置、布局，在地平面上每个标记位的投影点设置一个对应的全向激光靶标，并对所有全向激光靶标进行编号，将所有全向激光靶标间两两连线，创建全向激光靶标坐标信息库，信息库包含每条边的长度、端点编号和相邻两条边之间的夹角信息；

S102、定位测量：所述激光雷达在安装平面上对360度范围进行2D扫描，获得所有反射点信息，其中包括平面内所有全向激光靶标反射回来的信息；

S103、外形匹配：从所述全向激光靶标反射回来的信号中筛查激光反射信号，并进一步确定属于同一全向激光靶标的反射信号；

S104、靶标坐标定位：对来自同一全向激光靶标的所有反射信号，通过曲线拟合算法，得到该全向激光靶标的中心点的精确坐标和半径参数；

S105、激光雷达坐标解算：从在S104中得到的全向激光靶标中心点中选择多个，个数大于等于3，并利用其中心点到激光雷达的精确距离，得到激光雷达相对于全向激光靶标的精确坐标和激光雷达的扫描方向。

2.根据权利要求1所述的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，其特征在于：在S101中，调整激光雷达的高度、俯仰角，使得激光雷达垂直波束中心点与所有全向激光靶标覆盖激光高反射率材料的反射面中心点处于同一平面内。

3.根据权利要求1所述的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，其特征在于：在S102中，平面内所有全向激光靶标反射回来的信息是包括距离、角度以及反射信号强度的信息。

4.根据权利要求1所述的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，其特征在于：在S103中，在筛查激光反射信号时，根据激光雷达与全向激光靶标间的距离设定其反射信号强度阈值，大于该阈值的反射信号可判定为是由全向激光靶标反射的，反之则是由其他障碍物反射的。

5.根据权利要求1所述的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，其特征在于：在S103中，在确定属于同一全向激光靶标的反射信号时，通过设定一距离阈值进行判断，如相邻两个反射信号的距离差值不大于设定的阈值，即可判定这两个信号为同一全向激光靶标的反射信号，反之则为不同激光靶标的反射信号。

6.根据权利要求5所述的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，其特征在于：所述距离阈值由激光雷达的扫描速率和全向激光雷达反射面的直径确定。

7.根据权利要求1所述的一种利用激光雷达实现平面内坐标定位的方法，其特征在于：在S104中，根据观测点参数特点，选择最小二乘法或正交距离回归算法对反射信号进行曲线拟合。

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