CN109856642A - 一种旋转三维激光测量系统及其平面标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转三维激光测量系统，包括：数据采集装置、采集辅助装置和数据分析处理装置。数据采集装置包括：激光测距仪和标定参考物平面；采集辅助装置包括：云台支架、设置在云台支架上的水平旋转云台、固定在水平旋转云台上的传感器支架，激光测距仪安装在传感器支架上实现垂直于云台的二维扫描；数据分析处理装置，与数据采集装置和采集辅助装置相连，用于接收采集装置发送的数据并处理，以及发送数据至水平旋转云台，控制水平旋转云台转动。还提供一种基于旋转三维激光测量系统的平面标定方法，应用本发明实施例，对激光测距仪水平安装偏差角和水平偏心距进行标定，并对点云拼接过程加以校正，从而提高三维点云图像的重构精度。

Description

一种旋转三维激光测量系统及其平面标定方法

技术领域

本发明涉及激光器测量技术领域，特别是涉及一种旋转三维激光测量系统及其平面标定方法。

背景技术

激光测距仪或激光雷达可以获取三维空间中的距离值或点云图像，广泛应用于机器人环境感知，地理信息系统和逆向工程等领域。

国内外学者设计出了多种激光测距仪结合旋转装置的三维旋转测量系统，同时对测量系统的参数标定进行了研究。由于激光测距仪的几何中心通常不是其测量基准点，因此在数据拼接后重构的三维点云图像存在误差，如果传感器安装也不够精确则会进一步影响最终的测量精度，为此需要对激光测距仪测量基准点与旋转装置之间的水平相对误差(偏心距和偏差角)进行标定。现有的参数标定方法在标定过程中往往需要多次测量数据，过程繁琐复杂，计算量大，对标定过程中所需的设备装置也有较高要求。

因此，如何设计一种简易可行的参数标定方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种旋转三维激光测量系统及其平面标定方法，旨在通过一块任意的表面平整非透明物体或环境中的一面墙作为标定参照物，而无需知道标定参照物的具体形状与尺寸参数，且标定过程中传感器只需对参照物进行一次数据采集即可完成对安装偏差角和偏心距这两个参数的标定，操作简易。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种旋转三维激光测量系统，包括：数据采集装置、采集辅助装置和数据分析处理装置；

所述数据采集装置包括：激光测距仪和标定参考物平面，其中，所述激光测距仪可以实现三维空间中的二维距离图像的采集，所述参考物平面为垂直于地面的非透明任意平面；

所述采集辅助装置包括：云台支架、设置在所述云台支架上的水平旋转云台、固定在所述水平旋转云台上的传感器支架，所述激光测距仪安装在所述传感器支架上，以使激光测距仪的扫描测量面垂直于云台表面；

所述数据分析处理装置，与所述数据采集装置和所述采集辅助装置相连，用于接收所述采集装置发送的数据并处理，以及发送数据至所述水平旋转云台，控制所述水平旋转云台的转动。

本发明实施例还提供了一种基于所述旋转三维激光测量系统的平面标定方法，所述方法包括步骤：

S1、通过激光测距仪在所述水平旋转云台旋转的过程中获取三维场景的测量信息，其中，所述测量信息至少包括：云台水平旋转角、云台预设旋转角度下激光测距仪测量得到的二维点云图像射线簇中水平射线对应的测量值；

S2、估算待标定参数的优化初始值，所述待标定参数包括云台水平旋转中心和激光测距仪激光发射点之间的水平距离、激光测距仪水平安装偏差角；

S3、构建三维激光测量系统的水平成像模型，通过所述成像模型可以计算出在云台旋转到预设角度时，激光测距仪发射点到参考物平面的理论水平距离值；

S4、将激光测距仪发射点到参考物平面的实际水平测量值和激光测距仪发射点到参考物平面的理论水平距离值进行比较，得到误差，基于所述误差构建目标函数；

S5、利用迭代的数值计算方法对所述目标函数求解，得到所述标定参数的优化解。

本发明的优选实施方式中，所述通过激光测距仪在水平旋转云台旋转过程中获取三维场景的测量信息的步骤，包括：

初始状态为激光测距仪的竖直扫描截面平行于标定参考平面；

将云台低速旋转，带动固定于云台之上的激光测距仪旋转；

在云台旋转过程中采集各个水平角度下竖直扫描截面内的二维点云图像，将所述二维点云图像拼接获得三维场景的测量信息。

本发明的优选实施方式中，所述计算待标定参数优化初始值的步骤，包括：

取激光测距仪测量的第n帧截面数据及之后距其Δn帧的截面数据中的水平测量值；

设定云台旋转到第n帧截面和第n+Δn帧截面时，对应激光发射点的位置分别为点e、点p，并在标定参考平面上对应的水平扫描点分别为点b、点a，获得点a和点p的距离d_ap、点b和点e的距离d_be；

将点p移到点e处，记为p′点，并根据旋转中心到标定板的垂直距离，利用组成的三角形，计算出旋转中心和测距仪激光发射点之间的水平距离r和偏差角θ偏。

本发明实施例提供的一种针对旋转三维激光测量系统的平面标定方法，能够对激光测距仪水平安装偏差角和水平偏心距进行标定，并对二维点云拼接过程加以校正，从而提高三维点云图像的重构精度。

如上所述，本发明实施例的旋转三维激光测量系统及其平面标定方法，具体标定过程只需要一块任意的表面平整非透明物体或环境中的一面墙作为标定参照物，而无需知道标定参照物的具体形状与尺寸参数，且标定过程中传感器只需对参照物进行一次数据采集即可完成对安装偏差角和偏心距这两个参数的标定，操作简易。

附图说明

图1是本发明实施例的一种旋转三维激光测量系统的一种结构示意图。

图2是本发明实施例的一种旋转三维激光测量系统的平面标定方法的优化参数初值计算示意图。

图3是本发明实施例的一种旋转三维激光测量系统的平面标定方法的优化参数初值计算放大示意图。

图4是本发明实施例的一种旋转三维激光测量系统的水平成像模型示意图。

图5是本发明实施例的一种旋转三维激光测量系统的平面标定方法的一种计算结果示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-5所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1-图5所示，本发明实施例提供一种旋转三维激光测量系统，包括：数据采集装置、采集辅助装置和数据分析处理装置；

本发明实施例中，数据采集装置包括激光测距仪4和参考物平面5，参考物平面5为一块垂直于地面的非透明任意平面，具有不透明、不变形的特性；采集辅助装置包括云台支架1和设置在云台支架1上的水平旋转云台2以及固定在水平旋转云台2上的传感器支架3，所述激光测距仪4可以实现三维空间中的二维距离图像的采集，并且安装在支架3上，使得激光测距仪4的扫描测量面垂直于水平旋转云台2的表面，水平旋转云台2由数据分析处理装置6控制运行。传感器测量基准点为O_r，水平旋转云台2的水平旋转中心为O点。

本发明的具体实施例中，激光测距仪4采集的数据通过网口或串口传输至所述的数据分析处理装置6。本实施例中，激光测距仪4为URG-10LX激光测距仪，可对大场景内物体进行距离测量，最大测量范围达到30m，扫描角度范围为270°，采样间隔为0.25°，频率为40Hz；参考物平面竖直放置在激光测距仪前，云台旋转中心到标定平面间的水平垂直距离为d_⊥。

一种实施例中，数据分析处理装置6为PC机，通过连接显示器、键盘及鼠标，实现人机交互。通过数据分析处理装置6可对云台2的水平旋转角度、旋转速度，以及激光测距仪4的测量间隔角度、频率进行精确控制。

具体的，水平旋转云台2通过数据线与PC机相连，并通过PC机发出的指令实现角度与转速控制，从而实现激光测距仪4在竖直方向上测量频率与位置的精确控制；云台支架1为固定支架，承载水平旋转云台2与激光测距仪4组成的三维测量系统。

本发明实施例中，通过对激光测距仪水平安装偏差角和水平安装偏心距进行标定，并对二维点云拼接过程加以校正，从而提高三维点云图像的重构精度。

本发明实施例中，只需要一块任意的平整非透明物体或环境中的一面墙作为标定参照物，即参考物平面，而无需知道标定参照物的具体形状与尺寸参数，且标定过程中激光测距仪只需对参照物进行一次数据采集即可完成对安装偏差角和偏心距这两个参数的标定，操作简易。

基于上述旋转三维激光测量系统的实施例，本发明实施例提供一种基于旋转三维激光测量系统的平面标定方法，具体步骤如下：

S1、通过激光测距仪在所述水平旋转云台旋转的过程中获取三维场景的测量信息，其中，所述测量信息至少包括：云台水平旋转角、云台预设旋转角度下激光测距仪测量得到的二维点云图像射线簇中水平射线对应的测量值。

将激光测距仪4置于起始测量位置，即激光测距仪4竖直扫描截面平行于标定参考平面，此时理论上第一帧扫描测量的截面应平行于参考物平面5。然后将水平旋转云台2低速旋转，带动固定于水平旋转云台2之上的激光测距仪4，设水平旋转云台2每次旋转角度变化量为Δω，在水平旋转云台2的旋转过程中采集各个水平角度ω_n下竖直扫描截面内的二维点云图像，低速旋转是为了避免由于激光测距仪4的测量频率和水平旋转云台2旋转频率不匹配，导致采集截面数据与其对应的水平测量角度无法一一对应。设在一次三维测量过程中第n帧竖直二维图像射线簇中水平射线对应的测量值为d_n，则一次三维扫描可以得到一组三维空间水平测量值集合{d_n；n＝1,2,...,N}。

S2、估算云台水平旋转中心和测距仪激光发射点之间的水平距离r、所述激光测距仪水平安装偏差角θ；

当水平旋转云台2带着激光测距仪4从起始测量位置转过90°时，理论上激光测距仪4的扫描截面应该垂直于标定参考平面，但由于存在安装偏差角θ，所以扫描截面实际并不垂直于标定平面，即测量的水平距离值d_n不是激光发射点到标定平面的最小距离。取激光测距仪测量的第n帧截面及之后距其Δn帧的截面，激光测距仪4转过ω_n＝n·Δω度和ω_n+Δn＝(n+Δn)·Δω度对应的测量截面，激光发射点的位置分别为点e、p，在参考物平面5上对应的水平扫描点分别为点b、a，对应的测量距离，即d_ap＝d_n、d_be＝d_n+Δn。将点p移到点e处，记为p′点，则d′_ap＝d′_n，由于直线与的夹角与角∠aeb近似，故∠aeb近似等于ω_Δn＝Δn·Δω度。如果两帧截面之间旋转角度ω_Δn较小，同时考虑到水平偏心距r的值不是很大，可用d_n的值来近似代替d′_n+Δn。

d_⊥表示旋转中心到参考物平面5的垂直距离，并设点e与标定平面的垂直距离为d′_⊥。

d_ab表示为点a和点b之间的距离，利用余弦定理公式计算出d_ab：

在三角形Δabe中，利用正弦定理求出ab和be之间的夹角α：

解得：

然后通过补角和余角的计算求出偏差角度θ的值：

β＝180°-α

θ＝90°-β＝90°-(180°-α)＝α-90°

通过d_n+Δn和偏差角θ，可求出d′_⊥的值：

d′_⊥＝d_n+Δn·cos(θ)

计算出旋转中心和激光测距仪4的激光发射点之间的水平距离r：

由于在上述计算过程中采用了近似处理，因此得到的偏差角θ和偏心距r并不是精确值，还需要进一步优化。

S3、构建三维激光测量系统的成像模型，通过所述成像模型可以计算出在云台旋转到预设角度时，激光测距仪发射点到参考物平面的理论水平距离值。

当激光测距仪4转过ω_n＝n·Δω度时激光发射点的位置为b′，在参考物平面5上对应的水平扫描点记为点a′，直线平行于参考物平面5，经过旋转中心o交激光发射点运动轨迹于点q′，过点a′作的垂线，交直线于点c′，交于点d′。激光测距仪发射点到标定参考平面的距离a′b′，记为d′_n，b′c′的长度记为d_b′c′，a′c′的长度记为d_a′c′。

上述长度值存在如下数量关系：

d_b′c′＝d_a′c′·cos(ω_n+θ)

d′_n＝d_a′c′·sin(ω_n+θ)

三角形Δa′b′c′相似于三角形Δod′c′，利用三角形相似定理得到：

联立前述三个等式解得：

上述公式满足所有云台水平旋转角度ω_n(n＝1,...,N)下的求解，具有普适性。

S4、将激光测距仪发射点到参考物平面的实际测量值d_n和激光测距仪发射点到参考物平面的理论距离值d′_n进行比较，得到误差，基于所述误差构建目标函数，其中，所述目标函数是旋转中心和测距仪激光发射点之间的水平距离r、所述激光采集装置水平安装偏差角θ的函数。

将测量值d_n和理论值d′_n进行比较得到误差e_n(θ,r)＝d_n-d′_n，并同时考虑第n到第m帧测量图像中的所有误差项{e_i；i＝n,...,m}得到优化问题的目标函数：

则水平偏差角θ和水平偏心距r的优化解可以表示如下：

S5、利用迭代的数值计算方法对所述目标函数求解，得到标定参数的优化解。

由于上述最值无法解析求得，本方法使用迭代的数值计算方法，如高斯—牛顿(Gauss-Newton)或列文伯格—马夸尔特(Levernberg-Marquardt)法等，从步骤S2计算的优化初值开始不断地更新当前待优化参数，使目标函数值下降，最终得到所求参数的优化解。计算示例如下：

示例性的，假设d_⊥＝100厘米，N＝200，Δω＝0.9°，取第100、105帧水平测量数据d₁₀₀、d₁₀₅，则此时∠aeb近似等于4.5°，计算优化初值，并取第21帧到第160帧水平测量数据构建优化目标函数，利用Levernberg-Marquardt算法进行优化，得到最终优化结果，如附图5所示，本实例中计算所得水平偏心距r为10.2637厘米(真实值10厘米)，偏差角θ为0.174003弧度(真实值0.174533弧度)。

考虑到激光测距仪本身测量值具有随机误差，因此通过方程组，并根据1组或几组测量数据，解析求解水平安装偏差角和偏心距的标定方法容易导致无解的情况产生，且即使有解也会因为测量误差的存在而与真实值之间具有较大误差。为此本发明考虑一次三维测量中的多组数据，建立基于测量误差的非线性最小二乘目标函数，计算使得总体测量误差达到最小时的水平安装偏差角和偏心距，具有较高的标定精度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种旋转三维激光测量系统，其特征在于，包括：数据采集装置、采集辅助装置和数据分析处理装置；

所述数据采集装置包括：激光测距仪和标定参考物平面，其中，所述激光测距仪可以实现三维空间中二维距离图像的采集，所述参考物平面为垂直于地面的非透明任意平面；

所述采集辅助装置包括：云台支架、设置在所述云台支架上的水平旋转云台、固定在所述水平旋转云台上的传感器支架，所述激光测距仪安装在所述传感器支架上，以使激光测距仪的扫描测量面垂直于云台表面；

所述数据分析处理装置，与所述数据采集装置和所述采集辅助装置相连，用于接收所述采集装置发送的数据并处理，以及发送数据至所述水平旋转云台，控制所述水平旋转云台的转动。

2.一种基于旋转三维激光测量系统的平面标定方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、通过激光测距仪在水平旋转云台旋转的过程中获取三维场景的测量信息，其中，所述测量信息至少包括：云台水平旋转角度、云台预设旋转角度下激光测距仪采集的二维点云图像射线簇中水平射线对应的测量值；

S2、估算待标定参数的优化初始值，所述待标定参数包括云台水平旋转中心和激光测距仪激光发射点之间的水平距离、激光测距仪水平安装偏差角；

S3、构建三维激光测量系统的水平成像模型，通过所述成像模型可以计算出在云台旋转到预设角度时，激光测距仪发射点到参考物平面的理论水平距离值；

S4、将激光测距仪发射点到参考物平面的实际水平测量值和激光测距仪发射点到参考物平面的理论水平距离值进行比较，得到误差，基于所述误差构建目标函数；

S5、利用迭代的数值计算方法对所述目标函数求解，得到标定参数的优化解。

3.根据权利要求2所述的一种基于旋转三维激光测量系统的平面标定方法，其特征在于，所述通过激光测距仪在水平旋转云台旋转的过程中获取三维场景的测量信息的步骤，包括：

初始状态为激光测距仪的竖直扫描截面平行于标定参考平面；

将云台低速旋转，带动固定于云台之上的激光测距仪水平旋转；

在云台旋转过程中采集各个水平角度下竖直扫描截面内的二维点云图像，将所述二维点云图像拼接获得三维场景的测量信息。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于旋转三维激光测量系统的平面标定方法，其特征在于，所述计算待标定参数优化初始值的步骤，包括：

取激光测距仪测量的第n帧截面数据及之后距其Δn帧截面数据中的水平测量值；

设定云台旋转到第n帧截面和第n+Δn帧截面时，对应激光发射点的位置分别为点e、点p，并在标定参考平面上对应的水平扫描点分别为点b、点a，获得点a和点p的距离d_ap、点b和点e的距离d_be；

将点p移到点e处，记为p′点，并根据旋转中心到标定板的垂直距离，利用组成的三角形，计算初始的旋转中心和测距仪激光发射点之间的水平距离r和偏差角θ偏。