CN111880161A - 一种便携式激光雷达测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式激光雷达测量方法及装置，包括以下步骤；采用DGPS定位模块获取目标位置参数，采用光学棱镜散射扫描系统获取目标位置调整变量参数，采用MEMS姿态传感器获取目标角度参数，采集棱镜旋转位置角度参数，构建时刻t的目标位置参数方程，形成i个激光雷达装置测量到的目标位置参数集合，构建独立分布的参数干扰情况下，最大化待测目标的激光雷达目标定位模型，计算最大化待测目标的定位模型最小精确解；本申请采用避免了较大计算量的最小二乘法的便携式激光雷达测量方法，采用此方法的便携式激光雷达测量装置可在低光或无光状态对测量环境进行快速建模及显示，并能将测量结构实时动态传输到其他用户接收端。

Description

一种便携式激光雷达测量方法及装置

技术领域

本发明属于激光雷达测量技术领域，具体涉及一种便携式激光雷达测量方法及装置。

背景技术

当前激光雷达测量技术在工作生活等各种生产情景中的应用越来越普遍，但由于主流市场化较好的激光雷达设备主要为国外品牌，且市面上激光雷达的价格也较昂贵，因此在现阶段其快速发展还存在较大的制约。当前激光雷达设备存在的一些现实问题如下：

1、产品价格昂贵，设备应用主要集中在有较强经济实力的单位；

2、产品国内自主品牌较少，产品应用覆盖率相对国外品牌存在较大差距；

3、产品体积较大，重量较大，必须借助较高性能的平台设备才能便捷工作；

4、设备市场定位普遍较高，主要集中在高精度专业测绘领域，对于兼顾较低精度应用场景的产品设备相对较少。

发明内容

本发明针对上述缺陷，提供一种通过目标位置参数、目标位置调整变量参数、目标角度参数构建独立分布的参数干扰情况下，最大化待测目标P_k的激光雷达目标定位模型并采用避免了较大计算量的最小二乘法的便携式激光雷达测量方法，以及采用此方法、可在低光或无光状态对测量环境进行快速建模及显示，并能将测量结构实时动态传输到其他用户接收端的便携式激光雷达测量装置。

本发明提供如下技术方案：一种便携式激光雷达测量方法，包括以下步骤；

S1：采用DGPS定位模块获取目标位置参数P_x、P_y、P_z，所述P_x为x轴方向的位置参数，所述P_y为y轴方向的位置参数，所述P_z为z轴方向的位置参数；

S2：采用光学棱镜散射扫描系统获取目标位置调整变量参数Δx、Δy、Δz，所述Δx为x轴的位置调整变量，所述Δy为y轴的位置调整变量，所述Δz为z轴的位置调整变量；

S3；采用MEMS姿态传感器获取目标角度参数φ_pitch、φ_roll、φ_heading，所述φ_pitch为围绕y轴旋转的俯仰角参数，所述φ_roll为围绕x轴旋转的滚转角，所述φ_heading为围绕z轴旋转的偏航角；

S4：采用散射棱镜角度传感器得到棱镜旋转位置角度参数ω；

S5：构建时刻t的目标位置参数方程P_target＝f(P_x，P_y，P_z，Δx，Δy，Δz，φ_pit，φ_roll，φ_heading，ω，t)，形成i个激光雷达装置测量到的目标位置参数集合P_target,i∈Rⁿ，i＝1,2,3…,m；

S6：构建独立分布的参数干扰情况下，最大化待测目标P_k的激光雷达目标定位模型：

其中所述P_k为待测目标的位置参数，所述r_i＝||P_target,i-a_i||+e_i，所述e_i为待测目标P_k与所述第i个激光雷达装置测量数值之间的误差项。

进一步地，所述步骤S6中的最大化待测目标P_k的定位模型最小精确解计算公式如下：

minimize‖Ay-b‖²

s.t y^THy+2c^Ty＝0

其中，所述

所述

所述

所述

进一步地，所述最小精确解计算公式中的限定条件y^THy+2c^Ty＝0的解为α，可得到如下限定条件：

其中，所述

所述α₁是(H,A^TA)的广义特征值的最大值；

进一步地，所述α₁的求解公式如下：

由此，可以确定所述最小精确解计算公式中的目标的最小值由n个

中的广义特征值的最大值给出。

本发明还提供了采用如上所述的便携式激光雷达测量方法的便携式激光雷达测量装置，包括可拆卸手柄、与所述可拆卸手柄连接的云台、与所述云台连接的便携式微型激光雷达，所述便携式微型激光雷达主舱内包括散热器、可充电锂电池、激光发射及信号处理模块、散热棱镜、第一滤光镜和第二滤光镜；

所述激光发射及信号处理模块包括激光发射器、激光发射及接收光路系统、DSP数字信号处理及中控芯片、MEMS姿态传感器、双天线DGPS定位模块；

所述散射棱镜包括棱镜驱动系统、散射棱镜角度传感器和光学棱镜散射扫描系统。

进一步地，所述激光发射器为二极管泵浦固体激光器。

进一步地，所述激光发射及信号处理模块还包括功率增益模块、信号放大模块、通信接口及辅助按键。

进一步地，所述散热器和所述可充电锂电池分别与所述主舱末端可拆卸模块式连接。

进一步地，所述散热器与所述DSP数字信号处理及中控芯片通信连接，所述DSP数字信号处理及中控芯片根据所述主舱内部温度反馈数据控制所述散热器转速，将设备多余热量排出。

本发明的有益效果为：

1、所采用的激光雷达测量方法，通过DGPS定位模块获取探测目标位置参数、通过MEMS姿态传感器获取探测目标角度参数、通过散射棱镜角度传感器得到棱镜旋转位置角度参数，再辅以测定时刻t参数，综合了目标位置的全面信息参数，进行待测目标P_k的激光雷达目标定位模型，并且在独立分布情况下，最大化此模型，能够准确对目标位置进行定位，避免了过少参数所带来的定位不准确的缺陷。

2、通过构建待测目标P_k的激光雷达目标定位模型后，并采用构建最小精确解算法，解决激光雷达目标定位模型的最大化问题，并在最小精确解算法过程中，采用构建矩阵(H,A^TA)的广义特征值的最大值α1的解法，最终，由n个

中的广义特征值的最大值给出决激光雷达目标定位模型的最小精确解，能够通过最小二乘法的方法避免了使用粒子滤波器来完成定位算法、卡尔曼滤波技术或蒙特卡罗定位算法，需要更多的计算能力的缺陷。

2、产品体积小巧，重量较轻，方便携带，可通过云台进行360度激光发射定位探测目标位置，设备功耗较小，具有较长续航时间，避免反复充电耗时，采用的二极管泵浦固体激光器具有扫描角度宽、角分辨率高等特点；

3、产品定位中低精度快速测量应用或动态实时显示应用，可在低光或无光状态对测量环境进行快速建模及显示，并能将测量结构实时动态传输到其他用户接收端。并可应用于近距离目标检测及缺陷分析等多种场景。设备精度适中，兼顾中低精度专业需求及实时动态测量及动态显示；产品性能定位清晰，设备成本控制合理，相对国外品牌有较大优势。

4、激光波段选用ClassI级人眼安全等级，避免潜在操作风险，拓展了便携式激光雷达测量装置的使用范围。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的激光雷达测量方法流程示意图；

图2为本发明提供的便携式微型激光雷达测量装置结构示意图；

图3为本发明提供的便携式微型激光雷达主舱内部结构示意图。

具体实施方式

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

如图1所示，为本发明提供的一种便携式激光雷达测量方法，包括以下步骤；

S1：采用DGPS定位模块获取目标位置参数P_x、P_y、P_z，P_x为x轴方向的位置参数，P_y为y轴方向的位置参数，P_z为z轴方向的位置参数；

S2：采用光学棱镜散射扫描系统获取目标位置调整变量参数Δx、Δy、Δz，Δx为x轴的位置调整变量，Δy为y轴的位置调整变量，Δz为z轴的位置调整变量；

S3；采用MEMS姿态传感器获取目标角度参数φ_pitc、φ_roll、φ_heading，φ_pitch为围绕y轴旋转的俯仰角参数，φ_roll为围绕x轴旋转的滚转角，φ_heading为围绕z轴旋转的偏航角；

S4：采用散射棱镜角度传感器得到棱镜旋转位置角度参数ω；

S5：构建时刻t的目标位置参数方程P_target＝f(P_x，P_y，P_z，Δx，Δy，Δz，φ_pitch，φ_roll，φ_heading，ω，t)，形成i个激光雷达装置测量到的目标位置参数集合P_target,i∈Rⁿ，i＝1,2,3…,m；，此目标位置参数方程综合了目标位置的全面信息参数，进行待测目标P_k的激光雷达目标定位模型，并且在独立分布情况下，最大化此模型，能够准确对目标位置进行定位，避免了过少参数所带来的定位不准确的缺陷。

S6：构建独立分布的参数干扰情况下，最大化待测目标P_k的激光雷达目标定位模型：

其中P_k为待测目标的位置参数，r_i＝||P_target,i-a_i||+e_i，e_i为待测目标P_k与第i个激光雷达装置测量数值之间的误差项。

步骤S6中的最大化待测目标P_k的定位模型最小精确解计算公式如下：

minimize‖Ay-b‖²

s.t y^THy+2c^Ty＝0

其中，

其中，最小精确解计算公式中的限定条件y^THy+2c^Ty＝0的解为α，可得到如下限定条件：

其中，

α₁是(H,A^TA)的广义特征值的最大值；

其中，α₁的求解公式如下：

由此，可以确定最小精确解计算公式中的目标的最小值由n个

中的广义特征值的最大值给出。

如图2所示，为本发明提供的便携式激光雷达测量装置，包括可拆卸手柄1、与可拆卸手柄连接的云台2、与云台连接的便携式微型激光雷达3，其特征在于，便携式微型激光雷达3主舱内包括散热器31、可充电锂电池32、激光发射及信号处理模块33、散热棱镜34、第一滤光镜35和第二滤光镜36；

如图3所示，激光发射及信号处理模块33包括二极管泵浦固体激光器33-1、激光发射及接收光路系统33-2、DSP数字信号处理及中控芯片33-3、MEMS姿态传感器33-4、双天线DGPS定位模块33-5；

散射棱镜34包括棱镜驱动系统34-1、散射棱镜角度传感器34-2和光学棱镜散射扫描系统34-3。

进一步地，激光发射及信号处理模块33还包括功率增益模块33-6、信号放大模块33-7、通信接口及辅助按键33-8，通过信号放大模块33-7能够将反射回来的光参数进行进一步放大，通过功率增益模块33-6增益后可以保证其信号真实度，频率不会下降，避免了传输过程中造成的光参数的改变，保证目标激光定位数据结果的准确性；

通过通信接口及辅助按键33-8可以将激光测定数据外接外部存储介质，将数据进行保存和计算，并通过辅助按键控制激光发射器的启停。

散热器31和可充电锂电池32分别与主舱末端可拆卸模块式连接，使用过程中散热器受DSP数字信号处理及中控芯片33-3控制，会根据设备内部温度反馈数据进行转速调节，将设备多余热量排除。设备元器件均采用低功耗设计，设备发热量很低。

激光发射及信号处理模块33还包括显控PAD 33-9，可以将激光雷达测量装置测定后的目标定位值发送到PAD移动端。

工作原理：首先，激光激发器中二极管泵浦源受激发，输出大量1.06μm激光，经过发射腔中参量振荡器，完成1.57μm激光的输出，通过发射光路，激光脉冲输出到散射棱镜结构处。

散射棱镜在棱镜驱动系统作用下以一定转速转动，将激光脉冲通过侧向滤光镜以圆弧状装扫描线发射到目标物表面；通过目标物表面的反射和后向散射作用，回路激光按原路径通过透镜系统进入激光接收器中，通过放大、滤波及其他处理，由记录器进行记录。

DSP数字信号处理及中控芯片结合DGPS位置数据、MEMS姿态数据、散射棱镜角度传感器参数，将数据进行处理，并通过接口发送到PAD移动端进行渲染和显示，图形计算在显示端软件中进行计算。

设备锂电池与散热器为可拆卸模块式安装方式，在激光主舱末端进行连接。使用过程中散热器受主控芯片控制，会根据设备内部温度反馈数据进行转速调节，将设备多余热量排除。设备元器件均采用低功耗设计，设备发热量很低。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种便携式激光雷达测量方法，其特征在于，包括以下步骤；

S1：采用DGPS定位模块获取目标位置参数P_x、P_y、P_z，所述P_x为x轴方向的位置参数，所述P_y为y轴方向的位置参数，所述P_z为z轴方向的位置参数；

S2：采用光学棱镜散射扫描系统获取目标位置调整变量Δx、Δy、Δz，所述Δx为x轴的位置调整变量，所述Δy为y轴的位置调整变量，所述Δz为z轴的位置调整变量；

S3；采用MEMS姿态传感器获取目标角度参数φ_pitch、φ_roll、φ_heading，所述φ_pitch为围绕y轴旋转的俯仰角参数，所述φ_roll为围绕x轴旋转的滚转角，所述φ_heading为围绕z轴旋转的偏航角；

S4：采用散射棱镜角度传感器得到棱镜旋转位置角度参数ω；

S5：构建时刻t的目标位置参数方程P_target＝f(P_x，P_y，P_z，Δx，Δy，Δz，φ_pitch，φ_roll，φ_heading，ω，t)，形成i个激光雷达装置测量到的目标位置参数集合P_target，i∈Rⁿ，i＝1，2，3...，m；

S6：构建独立分布的参数干扰情况下，最大化待测目标P_k的激光雷达目标定位模型：

其中所述P_k为待测目标的位置参数，所述r_i＝||P_target，i-a_i||+e_i，所述e_i为待测目标P_k与所述第i个激光雷达装置测量数值之间的误差项。

2.根据权利要求1所述的一种便携式激光雷达测量方法，其特征在于，所述步骤S6中的最大化待测目标P_k的定位模型最小精确解计算公式如下：

minimize ||Ay-b||²

s.t y^THy+2c^Ty＝0

其中，所述

所述

所述

所述

3.根据权利要求2所述的一种便携式激光雷达测量方法，其特征在于，所述最小精确解计算公式中的限定条件y^THy+2c^Ty＝0的解为α，可得到如下限定条件：

其中，所述

所述α₁是(H，A^TA)的广义特征值的最大值。

4.根据权利要求3所述的一种便携式激光雷达测量方法，其特征在于，所述α₁的求解公式如下：

由此，可以确定所述最小精确解计算公式中的目标的最小值由n个

中的广义特征值的最大值给出。

5.采用如权利要求1所述的便携式激光雷达测量方法的便携式激光雷达测量装置，包括可拆卸手柄(1)、与所述可拆卸手柄连接的云台(2)、与所述云台连接的便携式微型激光雷达(3)，其特征在于，所述便携式微型激光雷达(3)主舱内包括散热器(31)、可充电锂电池(32)、激光发射及信号处理模块(33)、散热棱镜(34)、第一滤光镜(35)和第二滤光镜(36)；

所述激光发射及信号处理模块(33)包括激光发射器(33-1)、激光发射及接收光路系统(33-2)、DSP数字信号处理及中控芯片(33-3)、MEMS姿态传感器(33-4)、双天线DGPS定位模块(33-5)；

所述散射棱镜(34)包括棱镜驱动系统(34-1)、散射棱镜角度传感器(34-2)和光学棱镜散射扫描系统(34-3)。

6.根据权利要求5所述的便携式激光雷达测量装置，其特征在于，所述激光发射器(33-1)为二极管泵浦固体激光器。

7.根据权利要求5所述的便携式激光雷达测量装置，其特征在于，所述激光发射及信号处理模块(33)还包括功率增益模块(33-6)、信号放大模块(33-7)、通信接口及辅助按键(33-8)。

8.根据权利要求5所述的便携式激光雷达测量装置，其特征在于，所述散热器(31)和所述可充电锂电池(32)分别与所述主舱末端可拆卸模块式连接。

9.根据权利要求5所述的便携式激光雷达测量装置，其特征在于，所述激光发射及信号处理模块(33)还包括显控PAD(33-9)。

10.根据权利要求5所述的便携式激光雷达测量装置，其特征在于，所述散热器(31)与所述DSP数字信号处理及中控芯片(33-3)通信连接，所述DSP数字信号处理及中控芯片(33-3)根据所述主舱内部温度反馈数据控制所述散热器(31)转速，将设备多余热量排出。

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