CN111123245B - 一种基于圆形扫描的机载激光雷达测距精度的检校方法 - Google Patents

Abstract

一种基于圆形扫描的机载激光雷达测距精度的检校方法，包括如下步骤：（1）特征点距离差值计算；（2）精度修正值计算。本发明所公开的检校方法，适用于基于圆形扫描的激光雷达测距精度检校，可有效的标定基于圆形扫描的激光雷达的测距误差，该误差值可在后续解算中修正系统误差，进而提高激光雷达的测距精度，便于激光雷达产品与高精度位置和姿态系统的整体集成，提高解算后的激光点云定位精度。此外该检校方法同样适用于对激光雷达产品测距精度的检验。

Description

一种基于圆形扫描的机载激光雷达测距精度的检校方法

技术领域

本发明属于激光雷达测量系统的测距精度检校方法领域，特别涉及该领域中的一种基于圆形扫描的机载激光雷达测距精度的检校方法。

背景技术

激光雷达的工作原理是向目标发射激光束，然后将接收到的目标回波信号与激光束发射时的时间进行解算，以获得目标的距离信息。基于圆形扫描的机载激光雷达采用单波束工作方式，激光器每次只发射一路光束，光束经楔形镜折射后按照固定的方向对外发射，并通过电机驱动楔形镜转动的方式在雷达的发射镜面形成圆形扫描。

激光雷达测距原理为S＝v×t，v即光速为3×10⁸m/s，t为激光雷达FPGA板卡发出激光束到接收到回波信号的时间间隔，影响激光雷达测距精度的主要原因是FPGA记录的时间t₁和激光实际传输的时间t₂不相等，从而导致距离的解算值与真值之间存在差异。

引起时间t记录错误的原因主要有以下几个方面：

1)FPGA发出激光发射指令到激光器发出激光束产生时间差Δt₁；

2)激光器发射激光束经过雷达楔形镜时速度下降，产生时间差Δt₂；

3)接收装置接收到激光回波信号到FPGA记录该回波时间产生时间差Δt₃。

另外，激光雷达产品在后期的系统集成中需要与组合导航(GNSS+IMU)协同工作，激光点云经与位姿数据联合解算后，才能输出带有大地坐标的三维空间点云。而激光雷达与GNSS、IMU联合标定时，无法测量雷达内部的光路原点的准确位置，只能对激光雷达外表面的特征点进行标定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于圆形扫描的机载激光雷达测距精度的检校方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于圆形扫描的机载激光雷达测距精度的检校方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)特征点距离差值计算：

(11)特征点选取：

机载激光雷达工作方式是圆形扫描式，即通过伺服电机带动楔形镜沿中心线旋转，使得激光束呈以中心线为轴心的圆锥形，在目标平面上体现为以中心线在目标平面上的投影为圆心的圆弧，选取圆弧上与激光雷达镜面中心在同一水平面和同一铅垂面的四个扫描点为距离差值计算的特征点，标记为A、B、C、D；

(12)激光雷达定点观测特征点：

将激光雷达水平安置在安置台上，设置楔形镜的旋转角度，使激光束水平打出到达A点，记录此时激光雷达数据解算软件解算的距离值S_PA0，并标记A点，同理，设置楔形镜旋转角度，可得到B、C、D三点的距离解算值S_PB0、S_PC0、S_PD0，并标记B、C、D三点，A、B、C、D四点的观测为一组，完成该组观测后标记激光雷达镜面中心点为P点；

(13)全站仪观测记录：

将全站仪架设在空旷无遮挡处，整平后标记全站仪中心点为O，开始测量激光雷达和特征点：

(131)转动全站仪的照准部使其照准P点观测，记录OP距离S_OP和竖角β₁，并将全站仪水平度盘置零；

(132)转动全站仪的照准部使其照准特征点A观测，记录OA距离S_OA、竖角β₂和水平角α₁，水平角即∠POA；

(133)将全站仪依次照准B、C、D三点，可依次得到B、C、D三点的观测值(S_OB、β₃、α₂)，(S_OC、β₄、α₃)，(S_OD、β₅、α₄)；

(14)计算激光雷达镜面中心到各特征点的距离观测值S：

S_PA1 ²＝S_OP ²×cos²β₁+S_OA ²×cos²β₂-2×S_OP×cosβ₁×S_OA×cosβ₂×cosα₁

S_PB1 ²＝S_OP ²×cos²β₁+S_OB ²×cos²β₃-2×S_OP×cosβ₁×S_OB×cosβ₃×cosα₂

S_PC1 ²＝S_OP ²+S_OC ²-2×S_OP×S_OC×(cosβ₁×cosβ₄×cosα₃+sinβ₁×sinβ₄)

S_PD1 ²＝S_OP ²+S_OD ²-2×S_OP×S_OD×(cosβ₁×cosβ₅×cosα₄-sinβ₁×sinβ₅)

根据上述公式带入(13)中观测值，计算得到雷达镜面中心到四个特征点的一组距离值S_PA1、S_PB1、S_PC1、S_PD1；

(15)计算距离差值ΔS：

根据(14)中计算得到的一组距离值，结合(12)中记录的距离解算值，通过差值计算公式：

ΔS₁＝[(S_PA0-S_PA1)+(S_PB0-S_PB1)+(S_PC0-S_PC1)+(S_PD0-S_PD1)]/4

计算得到第一组观测的距离差值ΔS₁，重复步骤(12)—(14)，得到多组距离解算值和观测值，根据差值计算公式，得到多个距离差值ΔS_i，对多个距离差值取平均作为最终距离差值ΔS；

(2)精度修正值计算：

(21)激光雷达定点观测：

将激光雷达安置在任意位置，设置激光雷达转速为0，任意角度发射激光束，标记激光雷达镜面中心点为P，标记激光落点为E，记录激光雷达距离解算值S_PE0；

(22)全站仪观测记录：

(221)将全站仪整平后，标记全站仪中心点为O；

(222)转动全站仪的照准部使其照准P点观测，记录OP距离S_OP和竖角β₁，并将全站仪水平度盘置零；

(223)转动全站仪的照准部使其照准E点观测，记录OE距离S_OE、竖角β₂和水平角α₁，水平角即∠POE；

(23)计算激光雷达镜面中心到激光落点的距离观测值S：

根据公式

S_PE1 ²＝S_OP ²+S_OC ²-2×S_OP×S_OC×(cosβ₁×cosβ₄×cosα₃+sinβ₁×sinβ₄)

利用(22)中观测值计算得到P、E两点的距离值S_PE1；

(24)计算距离真值：

利用(23)中计算得到的距离值S_PE1，结合(15)计算得到的距离差值ΔS，根据公式S_PE＝S_PE1+ΔS，计算得到激光雷达探测点的距离真值；

(25)计算激光雷达测距误差：

根据误差公式Δ₁＝S_PE0–S_PE，计算得到激光雷达在E点的测距误差Δ₁，旋转激光雷达使激光打在不同的位置，重复步骤(21)-(24)，得到多组距离解算值、距离真值，并计算得到多个测距误差Δ_i，对多个测距误差值取平均作为激光雷达测距误差Δ，Δ即为激光雷达测距精度的修正值和相对于镜面中心位置的距离值。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的检校方法，适用于基于圆形扫描的激光雷达测距精度检校，可有效的标定基于圆形扫描的激光雷达的测距误差，该误差值可在后续解算中修正系统误差，进而提高激光雷达的测距精度，便于激光雷达产品与高精度位置和姿态系统的整体集成，提高解算后的激光点云定位精度。此外该检校方法同样适用于对激光雷达产品测距精度的检验。

附图说明

图1是激光雷达的测量原理图；

图2是激光雷达的光路示意图；

图3是全站仪的精度验证示意图；

图4是距离计算原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，激光雷达发射的激光束经楔形镜折射后，沿着楔形镜固定的位置射出，同时楔形镜被电机驱动以平行于镜面的方式旋转，发射的激光束以楔形镜中心和镜面中心的连线(简称中心线)为轴旋转，在竖直平面形成以镜面中心投影为中心，半径固定的圆形点阵，因此本实施例激光雷达测距的原点被定义为镜面中心点，目标的距离指雷达的镜面中心点到目标的距离值。

根据附图1-4所示，利用高精度免棱镜全站仪对激光雷达测距精度进行修正，主要分为距离差值计算和精度修正两个步骤，在进行距离差值计算之前，先要满足以下条件：目标平面需为铅垂面；雷达安置平台保持水平，即中心线保持水平，且与目标平面垂直；根据激光雷达到目标平面的距离和激光发射角提前预算激光雷达扫描点形成的圆形半径，激光雷达安置高度要求大于该半径，否则特征点无法正常选取；准备工作完成之后，开始测距精度修正工作，具体实施过程如下：

(1)距离差值计算：

①分别选取与激光雷达镜面中心在同一水平面(A、B)和同一铅垂面(C、D)的四个扫描点为距离差值计算的特征点；

②将激光雷达固定在一个水平面上，选择一个竖直面，使得激光雷达中心线垂直于该竖直面，设激光雷达镜面中心为P，设置激光雷达转动角度，使得激光束分别打在四个特征点上，并记录四个距离解算值S_PA0，S_PB0、S_PC0、S_PD0；

③架设全站仪，标记全站仪中心为O，用全站仪分别对准激光雷达镜面中心和四个特征点进行免棱镜观测，并记录五组观测距离和角度：(S_OP、β₁、0)，(S_OA、β₂、α₁)，(S_OB、β₃、α₂)，(S_OC、β₄、α₃)，(S_OD、β₅、α₄)；

④根据公式计算激光雷达镜面中心点到四个特征点A、B、C、D的距离S_PA1、S_PB1、S_PC1、S_PD1，进而得到四组解算值和观测计算值：(S_PA0、S_PA1)，(S_PB0、S_PB1)，(S_PC0、S_PC1)，(S_PD0、S_PD1)，根据公式和四组数据计算距离差值ΔS₁；

⑤重启激光雷达n次，重复(1)的步骤②-④，取n次测量的平均值为最终距离差值ΔS＝ΣΔS_i/n。

(2)精度修正值计算：

①任意位置安置激光雷达，设置转速为0，定点扫描任意目标E，标记激光雷达镜面中心为P，记录激光雷达解算距离值S_PE0；

②架设全站仪，标记全站仪中心为O，用全站仪分别对准激光雷达镜面中心P和目标点E进行免棱镜观测，并记录观测距离和角度：(S_OP、β₁、0)和(S_OE、β₂、α₁)；

③根据观测值计算激光雷达镜面中心点到目标点的距离S_PE1；

④计算距离真值：S_PE＝S_PE1+ΔS；

⑤计算激光雷达测距误差Δ₁＝S_PE0–S_PE；

⑥转动楔形镜，使激光束打在不同位置，重复(2)的步骤②-⑤，得到n个测距误差Δ_i，取n次测量平均值为最终激光雷达测距误差Δ＝ΣΔ_i/n。

Δ即为激光雷达测距精度的修正值(相对于镜面中心位置的距离值)，在点云数据解算过程中利用Δ进行距离修正，可将激光雷达的坐标原点修正到镜面中心点，便于后期与高精度位置和姿态系统集成中的外方位元素测量。

Claims (1)

1.一种基于圆形扫描的机载激光雷达测距精度的检校方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)特征点距离差值计算：

(11)特征点选取：

机载激光雷达工作方式是圆形扫描式，即通过伺服电机带动楔形镜沿中心线旋转，使得激光束呈以中心线为轴心的圆锥形，在目标平面上体现为以中心线在目标平面上的投影为圆心的圆弧，选取圆弧上与激光雷达镜面中心在同一水平面和同一铅垂面的四个扫描点为距离差值计算的特征点，标记为A、B、C、D；

(12)激光雷达定点观测特征点：

将激光雷达水平安置在安置台上，设置楔形镜的旋转角度，使激光束水平打出到达A点，记录此时激光雷达数据解算软件解算的距离值S_PA0，并标记A点，同理，设置楔形镜旋转角度，可得到B、C、D三点的距离解算值S_PB0、S_PC0、S_PD0，并标记B、C、D三点，A、B、C、D四点的观测为一组，完成该组观测后标记激光雷达镜面中心点为P点；

(13)全站仪观测记录：

将全站仪架设在空旷无遮挡处，整平后标记全站仪中心点为O，开始测量激光雷达和特征点：

(131)转动全站仪的照准部使其照准P点观测，记录OP距离S_OP和竖角β₁，并将全站仪水平度盘置零；

(132)转动全站仪的照准部使其照准特征点A观测，记录OA距离S_OA、竖角β₂和水平角α₁，水平角即∠POA；

(133)将全站仪依次照准B、C、D三点，可依次得到B、C、D三点的观测值(S_OB、β₃、α₂)，(S_OC、β₄、α₃)，(S_OD、β₅、α₄)；

(14)计算激光雷达镜面中心到各特征点的距离观测值S：

S_PA1 ²＝S_OP ²×cos²β₁+S_OA ²×cos²β₂-2×S_OP×cosβ₁×S_OA×cosβ₂×cosα₁

S_PB1 ²＝S_OP ²×cos²β₁+S_OB ²×cos²β₃-2×S_OP×cosβ₁×S_OB×cosβ₃×cosα₂

S_PC1 ²＝S_OP ²+S_OC ²-2×S_OP×S_OC×(cosβ₁×cosβ₄×cosα₃+sinβ₁×sinβ₄)

S_PD1 ²＝S_OP ²+S_OD ²-2×S_OP×S_OD×(cosβ₁×cosβ₅×cosα₄-sinβ₁×sinβ₅)

根据上述公式带入(13)中观测值，计算得到雷达镜面中心到四个特征点的一组距离值S_PA1、S_PB1、S_PC1、S_PD1；

(15)计算距离差值ΔS：

根据(14)中计算得到的一组距离值，结合(12)中记录的距离解算值，通过差值计算公式：

ΔS₁＝[(S_PA0-S_PA1)+(S_PB0-S_PB1)+(S_PC0-S_PC1)+(S_PD0-S_PD1)]/4

计算得到第一组观测的距离差值ΔS₁，重复步骤(12)—(14)，得到多组距离解算值和观测值，根据差值计算公式，得到多个距离差值ΔS_i，对多个距离差值取平均作为最终距离差值ΔS；

(2)精度修正值计算：

(21)激光雷达定点观测：

将激光雷达安置在任意位置，设置激光雷达转速为0，任意角度发射激光束，标记激光雷达镜面中心点为P，标记激光落点为E，记录激光雷达距离解算值S_PE0；

(22)全站仪观测记录：

(221)将全站仪整平后，标记全站仪中心点为O；

(222)转动全站仪的照准部使其照准P点观测，记录OP距离S_OP和竖角β₁，并将全站仪水平度盘置零；

(223)转动全站仪的照准部使其照准E点观测，记录OE距离S_OE、竖角β₂和水平角α₁，水平角即∠POE；

(23)计算激光雷达镜面中心到激光落点的距离观测值S：

根据公式

S_PE1 ²＝S_OP ²+S_OC ²-2×S_OP×S_OC×(cosβ₁×cosβ₄×cosα₃+sinβ₁×sinβ₄)

利用(22)中观测值计算得到P、E两点的距离值S_PE1；

(24)计算距离真值：

利用(23)中计算得到的距离值S_PE1，结合(15)计算得到的距离差值ΔS，根据公式S_PE＝S_PE1+ΔS，计算得到激光雷达探测点的距离真值；

(25)计算激光雷达测距误差：

根据误差公式Δ₁＝S_PE0–S_PE，计算得到激光雷达在E点的测距误差Δ₁，旋转激光雷达使激光打在不同的位置，重复步骤(21)-(24)，得到多组距离解算值、距离真值，并计算得到多个测距误差Δ_i，对多个测距误差值取平均作为激光雷达测距误差Δ，Δ即为激光雷达测距精度的修正值和相对于镜面中心位置的距离值。

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