发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足,提供一种顾及雷达结构的移动测量系统标定方法,不用预先埋设点位,直接设定靶标,并考虑雷达结构对精度的影响,通过重复性精度和绝对精度评定标定参数,提高移动测量系统标定的精确度。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
顾及雷达结构的移动测量系统标定方法,包括以下步骤:
S1,系统标定的外业观测;布设靶标,使用全站仪和移动测量系统进行同步观测;
S2,系统标定的内业解算;顾及雷达结构计算移动测量系统标定参数。
优选地,所述步骤S1包括以下步骤:
S11,在开阔平整的场地两侧,均匀布设靶标,并对靶标对中整平;
S12,设置全站仪架站点和后视点;
S13,使用全站仪在架站点基于全圆观测法多次测回观测各个靶标;
S14,通过RTK设备观测架站点,架站点的大地坐标系坐标成果作为起算点,并依据各个靶标和观测起算点的相对位置关系,解算靶标中心点的大地坐标系坐标;
S15,使用全站仪多次观测移动测量系统进入测区的位置和离开测区的位置,并记录相应的时间。
优选地,所述步骤S2包括以下步骤:
S21,标定参数计算初始化;
S22,对一次测回的数据进行左右侧测区的标定参数计算;
S23,重复步骤S22,获得所有测回的左侧和右侧测区的标定参数;
S24,将其多个左侧测区的标定参数的均值作为左侧测区的标定参数;将其多个右侧测区的标定参数的均值作为右侧测区的标定参数;移动测量系统标定参数由左侧测区的标定参数和右侧测区的标定参数两套参数构成。将左右两套标定参数,作为移动测量标定的最终成果。
优选地,所述步骤S21包括以下步骤:
S211,设定标定参数初始值;
S212,点云解算,得到大地坐标系成果;
S213,在大地坐标系点云中,提取每个靶标对应的点集;
S214,对每个靶标对应的大地坐标系点集,寻找对应的靶标点雷达极坐标系点集;
S215,靶标点雷达极坐标系点集转为雷达直角坐标系点集;
S216,生成各个靶标点集点对应的POS值。
优选地,所述步骤S22包括以下步骤:
S221,通过标定参数初始值、搜索区间长、搜索步长,按左右两侧分别构建候选的移动测量系统标定参数集;
S222,对左侧的每个候选的移动测量系统标定参数集进行循环迭代,求取最佳值;
S223,对右侧的每个候选的移动测量系统标定参数集进行循环迭代,求取最佳值。
优选地,所述步骤S222包括以下步骤:
S2221,使用候选的标定参数,将靶标点对应的雷达直角坐标系点集转为设备直角坐标系点集;
S2222,基于靶标点集点对应的POS值,将靶标对应的设备直角坐标系点集转为大地坐标系点集;
S2223,对靶标点对应的大地坐标系点集求均值,得到靶标中心点大地坐标;
S2224,靶标中心点大地坐标与靶标观测仪器测得的靶标中心点坐标进行比对,记录所有靶标中心点的总体标准差,并更新最小值;
S2225,重复步骤S2221至S2224,直至所有候选标定参数遍历完毕;
S2226,所有靶标中心点的总体标准差最小值对应的候选标定值为标定结果。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
1、使用单一设站,通过高精度全站仪进行观测,避免了观测控制网引入的误差;
2、使用架站点的RTK点作为起算点,通过高精度全站仪观测每一测回的测区起始点、结束点,消除了不同点之间RTK观测的误差;
3、考虑雷达的结构对精度的影响,使用左右测区分别计算参数标定,采用左右两套参数,避免了左测区参数导致右侧靶标误差较大,右测区参数导致左侧靶标误差较大的问题。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
图1所示为本实施例的移动测量系统标定方法涉及的一种雷达结构图,结合雷达结构图分析,雷达内部的扫描区域(光学模块)通过电机旋转扫描,所述扫描区域用于发射和接收出射光线。扫描区域的扫描镜由多块棱镜构成,由于内部电机和光学模块制造工艺的限制,各个棱镜的标定参数,特别是左右两侧的标定参数(雷达中心在设备坐标系下的坐标)不一定一致。
雷达左右两侧是指:以theta为出射光线在YOZ平面的投影与Z轴的夹角,theta的区间为[0°,360°)。当投影落在Z轴正方向时,theta=0°;迎着X轴正方向,顺着X轴负方向,theta角为绕X轴逆时针旋转的角度值,雷达左侧是指theta区间为[0°,180°),雷达右侧是指theta区间为[180°,360°)。例如投影落在y轴负轴时theta为90°,为雷达左侧;投影落在y轴正轴时theta为270°,为雷达右侧。
雷达宜安装在车辆中间偏后位置,方向朝向后方,同时与安装平台成上仰夹角(例如上扬30°或者40°,避免下射到车顶上,影响车身下侧的点云采集),同时配备了惯性测量单元IMU、GPS接收机等其它传感器,在车辆行进过程中,可以高效率、全方位的获取道路两边的数据。
高精度的标定实验表明,由于雷达结构内部制造因素,特别是反射棱镜安装工艺限制,在360度扫描范围内,特别是道路左右两侧,系统参数并不均匀一致。一套参数能够在左侧符合时(1cm以内),在右侧的误差则较大(4cm以内);在右侧符合时(1cm以内),左侧的误差则较大(5cm以内);因此,本发明提出了顾及雷达结构的移动测量系统参数标定方法,标定参数时考虑雷达内部棱镜的结构,采用多套标定参数。
实施例1
一般情况下,雷达棱镜有多少面,标定参数就应该有多少套。考虑到作业场景大部分在道路两侧,在本实施例中,采用左右侧两套标定参数,在扫描角[0°,180°)以及[180°,360°)分别标定,作为点云解算的依据,从而实现了左右两侧标定靶标符合误差均在1cm以内。
如图2所示,本实施例提供了一种顾及雷达结构的移动测量系统标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,系统标定的外业观测;布设靶标,使用全站仪和移动测量系统进行同步观测;
S2,系统标定的内业解算;顾及雷达结构计算移动测量系统标定参数。
具体地,如图3所示,所述步骤S1系统标定的外业观测包括以下步骤:
S11,在开阔平整的场地两侧,均匀布设靶标,并对靶标对中整平;
如图4所示,平均布设靶标8-10个,每侧4-5个靶标,靶标之间高低错落,互不遮挡,靶标面向并垂直于行进方向,方便靶标点采集;测区左右宽度宜为50米左右,前进方向路面平直,长度宜为10米左右,图3中的A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2、B3、B4以及B5分别为靶标的布设点;对靶标对中整平,三脚架无需量高。
S12,设置全站仪架站点(起算点)和后视点;
本实施例步骤如图4所示,在测区的中间位置设置架站点P点,在长度方向离P点一定距离的地方设置后视点Q点,本实施例在离P点500米的地方设置后视点Q点;
S13,使用全站仪在架站点基于全圆观测法多次测回观测各个靶标;
本实施例步骤如图4所示,在P点架设靶标观测仪器,以Q点为后视,对所有靶标圆形中心点基于全圆方向观测法进行多次观测;获得所有靶标的方向角和距离观测值;本实施例观测4次。全站仪为高精度全站仪。在本发明的一种优选实施方式中,高精度全站仪指的是0.5″级全站仪。
S14,通过RTK设备观测架站点,架站点的大地坐标系坐标成果作为起算点,并依据各个靶标和观测起算点的相对位置关系,解算靶标中心点的大地坐标系坐标;
使用RTK设备观测起算点,解算靶标中心点的大地坐标系坐标;在P点使用RTK设备进行多次观测,获得P点的大地坐标系坐标作为起算坐标,记为(Bp,Lp,Hp),其中,Bp为P点的经度,Lp为P点的纬度,Hp为P点的高程;并解算出所有靶标中心点的大地坐标系坐标,记为(Bi,Li,Hi),其中,Bi为第i个靶标圆形中心点的经度,Li为第i个靶标圆形中心点的纬度,Hi为第i个靶标圆形中心点的高程;本实施例使用RTK设备观测4次。在本发明的一种优选实施方式中,RTK设备指的是天宝R9Net RTK设备,连接的解算服务器为重庆主城区的RTK服务器。
S15,使用全站仪多次观测移动测量系统进入测区的位置和离开测区的位置,并记录相应的时间。
在移动测量系统每次进入测区和离开测区时,使用高精度全站仪进行照准联测,结合架站点P的大地坐标系坐标,记录每次进入测区的位置Si(BSi,LSi,HSi,TSi)和离开测区的位置Di(BDi,LDi,HDi,TDi),其中,BSi为Si点的经度,LSi为Si点的纬度,HSi为Si点的高程;TSi为Si点的时刻,BDi为Di点的经度,LDi为Di点的纬度,HDi为Di点的高程;TDi为Di点的时刻;本实施例使用移动测量系统观测4次。
具体地,所述步骤S2系统标定的内业解算,指的是顾及雷达结构标定计算移动测量系统参数;
移动测量系统标定的计算流程如下:雷达中心在设备坐标系下的坐标(x,y,z,α,β,γ)是移动测量系统需要标定的参数;标定方法是对每一个候选的标定参数(x,y,z,α,β,γ)和设备中心在大地坐标系下的坐标(POS)解算出靶标中心点大地坐标系坐标,与其他方法获得的靶标中心点大地坐标系坐标(Bi,Li,Hi)进行比对,求出最小值,最小值对应的候选标定值为标定结果。
将空间点的雷达极坐标系坐标转为空间点的雷达直角坐标系坐标;结合设备标定参数,进而转为空间点的移动测量设备坐标系坐标;结合POS解算成果,进而转为空间点的大地坐标系坐标的整个过程,叫做移动测量系统点云解算。
在移动测量系统点云的实际运用中,通常使用地心大地坐标系,例如WGS84(G1150)大地坐标系,或者2000国家大地坐标系(CGCS2000),两者都基于ITRF97框架,2000.0历元。CGCS2000与WGS84(G1150)的基本定义是一致的,采用的参考椭球非常相近,椭球常数中仅扁率有细微差别,CGCS2000和WGS84(G1150)是相容的,在坐标系的实现精度范围内,两种坐标系下的坐标是一致的。因此不再区分CGCS2000与WGS84(G1150),统一称为大地坐标系。
如图5所示,步骤S2具体包括以下步骤:
S21,标定参数计算初始化;
具体地,如图6所示,步骤S21包括以下步骤:
S211,设定标定参数初始值。一般可通过测量系统结构图纸获得。在本发明的一种优选实施方式中,设定x=0.0,y=0.0,z=0.0,锥扫角fai=0.00390°,α=40°,β=0.0°,γ=0.0°。
S212,点云解算,得到大地坐标系成果;
S213,在大地坐标系点云中,提取每个靶标对应的点集;
S214,对每个靶标对应的大地坐标系点集,寻找对应的靶标点雷达极坐标系点集;对每个靶标对应的大地坐标系点集,通过一一对应的点号,找到对应的靶标点雷达极坐标系点集,即原始点云记录;
S215,靶标点雷达极坐标系点集转为雷达直角坐标系点集;雷达极坐标系坐标是激光雷达采集的原始数据,是用极坐标表示的相对于激光雷达坐标系的点云坐标。将极坐标转为雷达坐标系坐标,例如,对于采集的左侧测区靶标点云,使用靶标点云拟合圆形求取中心的方式,求得点云中心点A1-A5,例如获得N个位于靶标圆形靶区的点,然后对这些点的雷达坐标系坐标进行算术平均,获得靶标中心点的雷达直角坐标系坐标及时刻(xj,yj,zj,tj)。
靶标点雷达极坐标系坐标的形式为(range,fai,theta,intensity,time)。其中:range为点位距离;fai为出射光线与YOZ平面的角度,也称为锥扫角,是一个接近0°的小角度,需要标定,其区间为[-90°,90°],出射光线为X轴正方向时,fai=+90°,出射光线为X轴负方向时,fai=-90°;theta为出射光线在YOZ平面的投影与Z轴的夹角,区间为[0°,360°),当投影落在Z轴正方向时,theta=0°,迎着X轴正方向,顺着X轴负方向,theta角为绕X轴逆时针旋转的角度值;intensity是激光回波强度;time是GNSS回波时刻。
雷达直角坐标系坐标及时刻形式为(xj,yj,zj,tj)。
靶标点雷达极坐标系坐标到雷达直角坐标系坐标的转换公式如公式(1)至公式(3)所示:
xj=range*sin(fai)………………………………………………………………(1)
yj=range*cos(fai)*cos(theta-90°)=range*cos(fai)*sin(360°-theta)…………(2)
zj=range*cos(fai)*sin(theta-90°)=range*cos(fai)*cos(360°-theta)…………(3)
S216,生成各个靶标点集点对应的POS值(PosBj,PosLj,PosHj,PosPitchj,PosRollj,PosYawj,PosTimej)。(PosBj,PosLj,PosHj)指的是大地坐标系下的位置,可来自GNSS观测或其他辅助定位手段等,其中PosBj指第j个靶标中心点的经度,PosLj指第j个靶标中心点的纬度,PosHj指第j个靶标中心点的高程值;(PosPitch,PosRoll,PosYaw)指的是该时刻的姿态数据,来自IMU,PosPitch、PosRoll和PosYaw分别为第j个靶标中心点的俯仰角、侧滚角、航向角原始值;PosTimej指的是时刻,来自GNSS。
使用第i测回开始时刻的Si(BSi,LSi,His,TSi)和结束时刻的Di(BDi,LDi,HDi,TDi)作为点云解算的POS轨迹起止点,使用各个靶标中心点雷达坐标系坐标(xj,yj,zj,tj)中的tj在TSi和TDi中进行线性插值,POS值的计算方式如公式(4)至公式(6)所示:
PosBj=BSi+(tj-TSi)*(BDi-BSi)/(TDi-TSi)…………………………………(4)
PosLj=LSi+(tj-TSi)*(LDi-LSi)/(TDi-TSi)…………………………………(5)
PosHj=HSi+(tj-TSi)*(HDi-HSi)/(TDi-TSi)…………………………………(6)
S22,对一次测回的数据进行左右侧的标定参数计算;
具体地,如图7所示,步骤S22包括以下步骤:
S221,通过标定参数初始值、搜索区间长、搜索步长,按左右两侧分别构建候选的移动测量系统标定参数(x,y,z,α,β,γ)集;通过初始值(x0,y0,z0,α0,β0,γ0)、搜索区间长L、搜索步长S构建候选的(x,y,z,α,β,γ)。一般地,x、y和z是雷达中心在设备坐标系下的坐标,可以通过系统设计图纸进行量测,精确到mm,设为固定值。对α,β,γ进行循环迭代,共计(L/S)*(L/S)*(L/S)个候选可行解。
在本发明的一种优选实施方式中,可以通过多轮实现由粗到精的搜索,例如,首先设置区间L=±10°,S=0.1°,则共计1000000个可行解;在第二轮中,对于较佳的候选值,缩小搜索区间L=±1°,S=0.01°,则共计1000000个可行解;在第三轮中,对于较佳的候选值,缩小搜索区间L=±0.1°,S=0.001°,则共计1000000个可行解;一般地,精确到0.001°,获得最佳值,认为标定结束。
S222,对左侧的每个候选的移动测量系统标定参数(x,y,z,α,β,γ)集进行循环迭代,求取最佳值,将左侧A1-A5所有靶标中心点的总体标准差视为成本,使用最小成本进行迭代搜索的方法评价候选可行解。
具体地,如图8所示,步骤S222具体包括以下步骤:
S2221,使用候选的标定参数,将靶标点对应的雷达直角坐标系点集转为设备直角坐标系点集;
S2222,基于靶标点集点对应的POS值,将靶标对应的设备直角坐标系点集转为大地坐标系点集;
S2223,对靶标点对应的大地坐标系点集求均值,得到靶标中心点大地坐标;
S2224,靶标中心点大地坐标与靶标观测仪器得到的靶标中心点坐标进行比对,记录所有靶标中心点的总体标准差,并更新最小值;
S2225,重复步骤S2221至S2224,直至所有候选标定参数遍历完毕。
S2226,所有靶标中心点的总体标准差最小值对应的候选标定值为标定结果。
S223,对右侧的每个候选的移动测量系统标定参数(x,y,z,α,β,γ)集进行循环迭代,求取最佳值,将右侧B1-B5所有靶标中心点的总体标准差视为成本,使用最小成本进行迭代搜索的方法评价候选可行解。方法同步骤S2221至S2226。
S23,重复步骤S22,获得所有测回的左侧和右侧测区的标定参数。
S24,对于多个个左侧测区的标定参数,将其均值作为左侧测区的标定参数;对于多个个右侧测区的标定参数,将其均值作为右侧测区的标定参数;移动测量系统标定参数由左侧测区的标定参数和右侧测区的标定参数两套参数构成;将左右两套标定参数,作为移动测量标定的最终成果。
本实施例采用的顾及雷达结构的移动测量系统标定方法,使用单一设站,通过高精度全站仪进行观测,避免了观测控制网引入的误差;并且使用架站点的RTK点作为起算点,通过高精度全站仪观测每一测回的测区起始点、结束点,消除了不同点之间RTK观测的误差;而且考虑雷达的结构对精度的影响,使用左右测区分别计算参数标定,采用左右两套参数,避免了左测区参数导致右侧靶标误差较大,右测区参数导致左侧靶标误差较大的问题。
以上所述,仅为本发明具体实施方式的详细说明,而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下,做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。