CN110044379A - 一种移动测量系统标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种移动测量系统标定方法，通过在标定场地中设置单个标靶，改变移动测量系统的所在位置，分别通过扫描仪和惯性测量单元对单个标靶进行扫描和记录，并构造目标函数，用遗传算法求解扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间的欧拉角，通过线性求解扫描仪中心在惯性测量单元坐标系下的平移向量和标靶三维坐标。本发明利用单个标靶进行移动测量系统标定，测量所需场地空间小，可在室内进行标定，检测结果不易受自然环境干扰；单个标靶可随意布置，不需要另外测量其中心坐标，工作量和计算量较小；数据处理过程不依赖人工干预，采用最小二乘法计算平移参数，结果可信度高。

Description

一种移动测量系统标定方法

技术领域

本发明涉及地理信息装备标定技术领域，尤其涉及一种移动测量系统标定方法。

背景技术

移动测量系统是一种兼有定位、测距、测角和摄影功能的自动化、数字化的系统，集成了GNSS、惯性测量单元(IMU)、激光扫描仪、数字相机等设备，以实现对目标区域的空间数据、属性数据及实景影像等多种信息的快速采集。在工作过程中，GNSS接收机与IMU提供系统的位置与姿态信息，激光扫描仪、数字相机等设备对外部三维地理信息进行采集，通过后处理，先将点云数据和影像数据转换到惯导坐标系下，再根据系统位置与姿态信息将这些数据转换到当地水平坐标系下。而仅通过机械安装估计激光扫描仪、数字相机与IMU的偏距(平移参数)和偏心角(旋转参数)，必然与真实值存在偏差，所以需要相应方法对其精确标定，才能保证系统最终成果的质量。

目前，对于激光扫描仪与IMU的位置、姿态关系标定，大多数是利用在检校场中布设已知控制点或特征点，通过系统定位模型利用一定的数学方法解算出激光扫描仪和IMU的坐标转换关系。该方法需要花费大量的人力、财力建立检校场，检校过程灵活性较差，而控制点坐标的前期测量误差也会导致标定结果的误差。另外，也有基于平面特征约束的标定方法，该方法依赖于被测表面的平面度，而且对平面度误差十分敏感，标定结果误差较大；还有基于点云匹配的标定方法，该方法将移动测量系统在检校场中往返多次测量，通过多点云配准的结果估算转换参数的误差，通过手动或自动算法调节使得点云得到最佳匹配，但是由于点云配准技术尚不成熟，在自动匹配过程中会出现识别错误，需要人工干预，而且由于扫描仪扫描密度有限，点云分辨力也会限制配准结果的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种对校验场地要求低、标定误差较小的移动测量系统标定方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种移动测量系统标定方法，包括以下步骤：

A.将单个标靶固定在标定场地中，在单个标靶周围均匀的选取n个测站点位，各测站点位的高度各不相同，测站点位数n≥3；

B.将移动测量系统分别在各测站点位进行扫描测量，变换测站点位时，改变移动测量系统的姿态，使各测站点位的移动测量系统的姿态互不相同；

C.对当前测站点位i进行扫描测量时，扫描仪记录获得的点云数据；惯性测量单元记录获得的惯性测量单元的在当地水平坐标系下的坐标时间序列和姿态时间序列，其中i∈n；

D.对扫描仪获得的点云数据进行处理，获得标靶中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，记为：

E.对惯性测量单元获得的坐标时间序列与姿态时间序列进行处理，得到惯性测量单元的在当地水平坐标系下的三维坐标和三个姿态角，该三维坐标、三个姿态角和姿态角从惯性测量单元坐标系转换至当地水平坐标系对应的旋转矩阵，分别记作：

θ_Zi、θ_Yi、θ_Xi和R_i；

F.根据坐标转换数学模型列出观测方程，使用遗传算法搜索得到扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间的欧拉角；

G.根据扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间欧拉角，求解扫描仪中心在惯性测量单元坐标系下的平移向量和标靶三维坐标。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述对惯性测量单元获得的坐标时间序列进行处理是得到惯性测量单元在当地水平坐标系下的三维坐标。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述对惯性测量单元获得的姿态时间序列进行处理是得到惯性测量单元在当地水平坐标系下的三个姿态角θ_Zi、θ_Yi和θ_Xi；对姿态时间序列进行粗差剔除，取平均值得惯性测量单元坐标系转换至当地水平坐标系对应的旋转矩阵R_i为：

进一步优选的，所述根据坐标转换数学模型列出观测方程，是构造目标函数：

其中：

R_LM为3n阶方阵；

C是观测方程的系数矩阵；C^T是系数矩阵C的转置矩阵；(C^T·C)^-1是(C^T·C)的逆矩阵；

α,β,γ是扫描仪坐标系变换至惯性测量单元坐标系的欧拉角。

更进一步优选的，所述使用遗传算法搜索得到扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间的欧拉角，是在[0,2π)范围内对α,β,γ进行搜索，求得α₀,β₀,γ₀，使得f₁(α₀,β₀,γ₀)在全空间内取得最小值，α₀,β₀,γ₀即为标定结果中的旋转参数。

再进一步优选的，所述根据扫描仪坐标系到惯性测量单元坐标系间欧拉角，求解扫描仪中心在惯性测量单元坐标系下的平移向量和标靶三维坐标，是采用如下公式计算平移参数：

m＝C⁺·(R_LM0·x+b)；

其中，R_LM0是将求得的α₀,β₀,γ₀代入R_LM中求得；C+是参数矩阵C的Moore-Penrose广义逆矩阵；

是单个标靶在当地水平坐标系下的三维坐标；

为扫描仪中心在惯性测量单元坐标系中的坐标；

为扫描仪坐标系转换至惯性测量单元坐标系的平移参数。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述单个标靶周围均匀的选取测站点位数n≥3。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述移动测量系统在各测站点位对单个标靶的扫描点数≥10个。

本发明提供的一种移动测量系统标定方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明利用单个标靶进行移动测量系统标定，测量所需场地空间小，可在室内进行标定，检测结果不易受自然环境干扰；

(2)单个标靶可随意布置，不需要另外测量其中心坐标，工作量和计算量较小；

(3)本发明构建合理的目标函数，通过遗传算法求取标定旋转参数，数据处理过程不依赖人工干预，采用最小二乘法计算平移参数，结果可信度高。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种移动测量系统标定方法，包括以下步骤：

A.将单个标靶固定在标定场地中，在单个标靶周围均匀的选取n个测站点位，n≥3，各测站点位的高度各不相同，移动测量系统在各测站点位对单个标靶的扫描点数≥10个；

B.将移动测量系统分别在各测站点位进行扫描测量，变换测站点位时，改变移动测量系统的姿态，使各测站点位的移动测量系统的姿态互不相同；

C.对当前测站点位i进行扫描测量时，扫描仪记录获得的点云数据；惯性测量单元记录获得的惯性测量单元的在当地水平坐标系下的坐标时间序列和姿态时间序列，其中i∈n；

D.对扫描仪获得的点云数据进行处理，可采用拟合分析方式处理，获得标靶中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，记为：

E.对惯性测量单元获得的坐标时间序列与姿态时间序列进行处理：对惯性测量单元获得的坐标时间序列进行处理是通过得到惯性测量单元在当地水平坐标系下的三维坐标；通过得到惯性测量单元在当地水平坐标系下的三个姿态角θ_Zi、θ_Yi和θ_Xi；对姿态时间序列进行粗差剔除，取平均值，得到惯性测量单元坐标系转换至当地水平坐标系对应的旋转矩阵R_i；上述三维坐标、三个姿态角和姿态角从惯性测量单元坐标系转换至当地水平坐标系对应的旋转矩阵，分别记作：

θ_Zi、θ_Yi、θ_Xi和R_i；其中：

F.根据坐标转换数学模型列出观测方程，使用遗传算法搜索得到扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间的欧拉角；具体过程为：

构造目标函数：

其中：

R_LM为3n阶方阵；

C是观测方程的系数矩阵；C^T是系数矩阵C的转置矩阵；(C^T·C)^-1是(C^T·C)的逆矩阵；

α,β,γ是扫描仪坐标系变换至惯性测量单元坐标系的欧拉角近似值；

求解扫描仪坐标系到惯性测量单元坐标系间的欧拉角，是在[0,2π)范围内对α,β,γ进行搜索，求得α₀,β₀,γ₀，使得f₁(α₀,β₀,γ₀)在全空间内取得最小值，α₀,β₀,γ₀即为标定结果中的旋转参数；

G.根据扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间欧拉角，求解扫描仪中心在惯性测量单元坐标系下的平移向量和标靶三维坐标；

具体的，采用如下公式计算平移参数：

m＝C+·(RLM0·x+b)；

其中，R_LM0是将上一步求得的α₀,β₀,γ₀代入R_LM中求得；C⁺是参数矩阵C的Moore-Penrose广义逆矩阵；矩阵x和b与构造的目标函数中的参数含义相同；

是单个标靶在当地水平坐标系下的三维坐标；

为扫描仪中心在惯性测量单元坐标系中的坐标；

为扫描仪坐标系转换至惯性测量单元坐标系的平移参数。

本发明中，对扫描仪获得的点云数据采用拟合分析方式处理，即对规则表面的点云数据进行拟合，是本领域惯用技术手段。

本发明中，当地水平坐标系即测站点位所在的坐标系，测站点位相对于地面固定不动，惯性测量单元测量的是惯性测量单元在该坐标系下的位置与姿态。

惯性测量单元坐标系相对于惯性测量单元固定不动；扫描仪坐标系是以扫描仪中心为原点，该坐标系相对于惯性测量单元也是固定不动的，扫描仪坐标系与惯性测量单元坐标系的转换关系，即为本发明需要标定的目标参数。

本发明求解扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间的欧拉角，采用的是遗传算法，是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的计算模型，通过设定约束条件和目标函数，在约束条件范围内求出可行的解。本发明中，目标函数f₁(α,β,γ)的约束条件为[0,2π)，即在约束条件内寻找α,β,γ的最优解α₀,β₀,γ₀，使得f₁(α₀,β₀,γ₀)在全空间内取得最小值，α₀,β₀,γ₀即为标定结果中的旋转参数。可用MATLAB等工具实现该求解过程。

将求得的α₀,β₀,γ₀迭代进目标函数，通过最小二乘法求解扫描仪中心在惯性测量单元坐标系下的平移向量及标靶三维坐标，即完成了扫描仪坐标系与惯性测量单元坐标系的转换关系的标定。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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 (8)

1.一种移动测量系统标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.将单个标靶固定在标定场地中，在单个标靶周围均匀的选取n个测站点位，各测站点位的高度各不相同；

B.将移动测量系统分别在各测站点位进行扫描测量，变换测站点位时，改变移动测量系统的姿态，使各测站点位的移动测量系统的姿态互不相同；

C.对当前测站点位i进行扫描测量时，扫描仪记录获得的点云数据；惯性测量单元记录获得的惯性测量单元的在当地水平坐标系下的坐标时间序列和姿态时间序列，其中i∈n；

D.对扫描仪获得的点云数据进行处理，获得标靶中心在扫描仪坐标系中的三维坐标，记为：

E.对惯性测量单元获得的坐标时间序列与姿态时间序列进行处理，得到惯性测量单元的在当地水平坐标系下的三维坐标和三个姿态角，该三维坐标、三个姿态角和姿态角从惯性测量单元坐标系转换至当地水平坐标系对应的旋转矩阵，分别记作：

θ_Zi、θ_Yi、θ_Xi和R_i；

F.根据坐标转换数学模型列出观测方程，使用遗传算法搜索得到扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间的欧拉角；

G.根据扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间欧拉角，求解扫描仪中心在惯性测量单元坐标系下的平移向量和标靶三维坐标。

2.如权利要求1所述的一种移动测量系统标定方法，其特征在于：所述对惯性测量单元获得的坐标时间序列进行处理是获得惯性测量单元在当地水平坐标系下的三维坐标。

3.如权利要求1所述的一种移动测量系统标定方法，其特征在于：所述对惯性测量单元获得的姿态时间序列进行处理是获得惯性测量单元在当地水平坐标系下的三个姿态角θ_Zi、θ_Yi和θ_Xi；对姿态时间序列进行粗差剔除，取平均值得到惯性测量单元坐标系转换至当地水平坐标系对应的旋转矩阵R_i为：

4.如权利要求3所述的一种移动测量系统标定方法，其特征在于：所述根据坐标转换数学模型列出观测方程，是构造目标函数：

其中：

R_LM为3n阶方阵；

C是观测方程的系数矩阵；C^T是系数矩阵C的转置矩阵；(C^T·C)^-1是(C^T·C)的逆矩阵；

α,β,γ是扫描仪坐标系变换至惯性测量单元坐标系的欧拉角，R₁…R_n是各测站点位所在惯性测量单元坐标系转换至当地水平坐标系对应的旋转矩阵。

5.如权利要求4所述的一种移动测量系统标定方法，其特征在于：所述使用遗传算法搜索得到扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间的欧拉角，是在[0,2π)范围内对α,β,γ进行搜索，求得α₀,β₀,γ₀，使得f₁(α₀,β₀,γ₀)在全空间内取得最小值，α₀,β₀,γ₀即为标定结果中的旋转参数。

6.如权利要求5所述的一种移动测量系统标定方法，其特征在于：所述根据扫描仪坐标系变换到惯性测量单元坐标系间欧拉角，求解扫描仪中心在惯性测量单元坐标系下的平移向量和标靶三维坐标，是采用如下公式计算平移参数：

m＝C⁺·(R_LM0·x+b)；

其中，R_LM0是将求得的α₀,β₀,γ₀代入R_LM中求得；C+是参数矩阵C的Moore-Penrose广义逆矩阵；

是单个标靶在当地水平坐标系下的三维坐标；

为扫描仪中心在惯性测量单元坐标系中的坐标；

为扫描仪坐标系转换至惯性测量单元坐标系的平移参数。

7.如权利要求1所述的一种移动测量系统标定方法，其特征在于：所述单个标靶周围均匀的选取测站点位数n≥3。

8.如权利要求1所述的一种移动测量系统标定方法，其特征在于：所述移动测量系统在各测站点位对单个标靶的扫描点数≥10个。