CN112415493B - 三维扫描激光雷达坐标误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种三维扫描激光雷达坐标误差修正方法，通过建立误差模型确定影响其三维坐标测量精度的误差来源，然后对误差进行修改，从而提高三维扫描激光雷达的测量精度。该误差修正方法的步骤包括：建立理论计算模型、分析测量误差来源、建立误差模型、求解误差模型以及实施坐标修正；在建立误差模型时，综合考虑26项误差因子，得到包含误差量、方位角度、俯仰角度、距离的三维直角坐标的计算表达式，即误差模型。

Description

三维扫描激光雷达坐标误差修正方法

技术领域

本发明涉及一种坐标误差修正方法，具体涉及一种三维扫描激光雷达的空间几何坐标误差修正方法，属于激光雷达测量技术领域。

背景技术

三维扫描激光雷达是一种大尺寸空间坐标测量仪器，可以实现对大型物体表面的非接触扫描测量，获取到的三维点云数据可用于三维逆向建模或者尺寸公差评价。

三维扫描激光雷达的结构中包含方位测角模块、俯仰测角模块、激光测距模块和测量光反射镜模块，这些部件都必须保证严格的几何位置关系。然而在制造、安装、搬用和使用过程中，上述部件之间的严格几何位置关系难以保证，从而影响三维扫描激光雷达最终的坐标测量精度；因此需要对上述部件的空间几何误差进行补偿修正。对三维扫描激光雷达的误差模型进行研究并实现坐标修正对提高该类测量仪的测量精度具有十分重要意义。

现有的三维扫描激光雷达误差修正方法中缺乏对三维扫描激光雷达几何结构坐标的误差修正。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种三维扫描激光雷达坐标误差修正方法，通过建立误差模型确定影响其三维坐标测量精度的误差来源，然后对误差进行修正，从而提高三维扫描激光雷达的测量精度。

所述的三维扫描激光雷达坐标误差修正方法，具体步骤为：

S1:建立被测点的三维坐标与三维扫描激光雷达采集的被测点的方位角度、俯仰角度和距离之间的理论计算模型；

S2:分析测量误差来源：

所述三维扫描激光雷的组成模块包括：激光测距模块、方位角测量模块、俯仰角测量模块和反射镜模块；误差来源包括上述各组成模块的安装误差，令所确定的误差因子包括N项；

S3：建立误差模型：

分析步骤S2中得到的每项误差与被测点三维坐标的关系，建立包含N项误差因子、方位角、俯仰角、距离的三维直角坐标的计算表达式，即误差模型；

S4：求解误差模型：

在所述三维扫描激光雷达的测量距离、方位角、俯仰角的全量程范围内设置标定点组，所述标定点组中标定点的个数不小于N；通过所述三维扫描激光雷达获取每个标定点的距离值、方位角度值、俯仰角度值；同时利用高精度坐标测量设备对标定点组中每个标定点进行测量，获取每个标定点的三维坐标；

然后将高精度测量仪器得到的每个标定点的三维坐标和三维扫描激光雷达测量的每个标定点距离、方位角、俯仰角的代入到步骤S3建立的误差模型中，求解误差模型中的各项误差因子，进而得到修正后的三维坐标计算公式；

S5：坐标修正：将被测点的距离、方位角度、俯仰角度代入步骤S4中得到的修正后的三维坐标计算公式中实现对三维扫描激光雷达三维测量坐标的修正。

作为本发明的一种优选方式：所述步骤S1中：

设被测点的三维坐标为(x，y，z)，三维扫描激光雷达获取的被测点的方位角度、俯仰角度、距离分别为α、β、L；则理论计算模型为：

记理论计算模型为P(x，y，z)＝f(α,β,L)。

作为本发明的一种优选方式：所述步骤S2中：令所述三维扫描激光雷的每个组成模块在安装时均引入六项安装误差，分别为实际安装位置与理论位置在三轴坐标系中三个方向的偏差和三个方向的偏角；由此确定的误差因子包括24项。

作为本发明的一种优选方式：所述误差因子还包括：方位角自身测量误差，俯仰角自身测量误差；则误差因子包括26项。

作为本发明的一种优选方式：所述步骤S3中：建立的误差模型为：

其中δχ表示所有引入的误差因子，f’(δχ)是跟误差因子有关的解析表达式，¹δx、¹δy、¹δz、¹δα、¹δβ、¹δγ分别表示方位角测量模块的六项安装误差；²δx、²δy、²δz、²δα、²δβ、²δγ分别表示俯仰角测量模块的六项安装误差；³δx、³δy、³δz、³δα、³δβ、³δγ分别表示反射镜模块的六项安装误差；⁴δx、⁴δy、⁴δz、⁴δα、⁴δβ、⁴δγ分别表示激光测距模块的六项安装误差；δ_θ1表示方位角自身测量误差为，δ_θ2表示俯仰角自身测量误差。

作为本发明的一种优选方式：所述步骤S4中采用的高精度坐标测量为激光跟踪仪。有益效果：

(1)本发明首先建立三维扫描激光雷达的误差模型，由此能够确定影响三维坐标测量精度的误差来源，从而为误差修正提供基础。

(2)在确定误差来源后，对三维扫描激光雷达各结构的空间几何误差进行补偿修正，能够有效提高三维扫描激光雷达的测量精度。

附图说明

图1为本发明的误差修正方法的流程图；

图2为三维扫描激光雷达的理论计算模型示意图；

图3为三维扫描激光雷达误差分析模型示意图；

图4为三维扫描激光雷达理论模型坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

本实施例提供一种大尺寸三维扫描激光雷达的三维测量坐标误差修正方法，首先建立三维扫描激光雷达的误差模型，然后通过标定点组及第三方设备求解误差模型，最终使用坐标修正解析表达式实现坐标修正。

如图1所示，该误差修正方法的具体步骤如下：

S1建立理论计算模型：三维扫描激光雷达由激光测距模块、方位角测量模块、俯仰角测量模块、反射镜模块组成；如图1所示，其中O点为三维扫描激光雷达坐标系原点，E点为被测点；三维扫描激光雷达通过采集光轴方向OE的距离L及光轴OE与两个扫描轴(X轴和Y轴)的夹角α(方位角)、β(俯仰角)；然后利用几何关系计算出被测点E的三维坐标(x，y，z)；建立方位角、俯仰角、距离与三维直角坐标的理论计算模型；

理论计算模型是球坐标对直角坐标系的转换，设被测点E的三维坐标为(x，y，z)，被测点E相对于三维扫描激光雷达坐标系原点O的距离为L，对应的方位角度为α，俯仰角度为β，则理论计算模型为：

记理论计算模型为P(x，y，z)＝f(α,β,L)。

S2分析测量误差来源：激光雷达由激光测距模块、方位角测量模块、俯仰角测量模块、反正镜模块四个部件组成，这些部件在安装时不可避免会产生安装误差；具体的：

四个部件在安装时均不可避免地会各自引入六项安装误差，分别为实际安装位置与理论位置在x轴方向的偏差δx，在y轴方向的偏差δy，在z轴方向的偏差δz，与x轴的偏角δα，与y轴的偏角δβ以及与z轴的偏角δγ。

此外同时考虑方位角自身测量误差为δ_θ1，俯仰角自身测量误差为δ_θ2；而激光测距测量误差已在激光测距模块中完成补偿，因此本模型不考虑激光测距模块的自身测量误差。综上所述，建立误差模型需综合考虑26项误差因子。

令考虑误差因子后的计算模型为P’(x，y，z)＝f’(α,β,L)。

其中f’(α，β，L)是一个综合考虑26项误差因子的解析表达式。

S3建立误差模型：分析步骤S2中得到的每项误差与被测点三维坐标的关系，得到包含误差量、方位角度、俯仰角度、距离的三维直角坐标的计算表达式，即误差模型；具体的：

如图2和图3所示，该误差模型建立了五个坐标系，分别标识为坐标系0、1、2、3和4。其中，坐标系0是三维扫描激光雷达的基准坐标系，坐标系1是方位角测量模块坐标系，坐标系2是俯仰角测量模块坐标系，坐标系3是反射镜模块坐标系，坐标系4是激光测距模块坐标系；每个坐标系为对应模块的安装基准，因此，每个坐标系的安装误差即为整个误差模型的组成部分；L₁、L₂、L₃以及l₂体现了各模块理论安装位置之间的相对位置关系，其中L₁为激光测距模块与方位角度测量模块竖直方向上的之间的理论安装距离(即各自坐标系坐标原点之间的距离)，L₂为方位测量模块与俯仰角度测量模块在水平方向上的理论安装距离，L₃为方位测量模块与俯仰角度测量模块在竖直方向上的理论安装距离，l₂为俯仰角度测量模块与反射镜模块在水平方向之间的理论安装距离。考虑误差后的三维坐标表达为(即误差模型为)：

其中δχ表示所有引入的误差量，f’(δχ)是跟误差量有关的解析表达式(该解析表达式中各模块的安装误差为未知量，各模块间的相对位置关系为已知量)，¹δx、¹δy、¹δz、¹δα、¹δβ、¹δγ分别表示方位角测量模块的六项安装误差；²δx、²δy、²δz、²δα、²δβ、²δγ分别表示俯仰角测量模块的六项安装误差；³δx、³δy、³δz、³δα、³δβ、³δγ分别表示反射镜的六项安装误差；⁴δx、⁴δy、⁴δz、⁴δα、⁴δβ、⁴δγ分别表示激光测距模块的六项安装误差；上述安装误差均为各模块在自身坐标系下的安装误差(即与自身理论安装位置的偏差)。

S4求解误差模型：在三维扫描激光雷达的测量距离、方位角、俯仰角的全量程范围内设置包括多个标定点的标定点组，用三维扫描激光雷达获取每个标定点的距离值、方位角度值和俯仰角度值；同时利用同类型坐标测量设备如激光跟踪仪测量对标定点组中每个标定点进行测量，获取每个标定点的三维坐标(x，y，z)；利用三维扫描激光雷达的测量数据和激光跟踪仪的测量数据求解出模型里的各项误差值；具体的：

S41：在三维扫描激光雷达的测量距离、方位角、俯仰角的全量程范围内设置一组包括多个标定点的标定点组，每个标定点组的标定点的数量不少于26个(即不小于步骤S2所确定的误差因子的项数)，标定点采用直径为38.1mm的钢球。

S42：使用三维扫描激光雷达获取每个标定点的方位角度值、俯仰角度值和距离值。

S43：选用徕卡激光跟踪仪作为高精度测量仪器，获取每个标定点的三维直角坐标(x、y、z)；本步骤中的激光跟踪仪也可由其他同级别的测量仪器代替。

S44：将高精度测量仪器得到的每个标定点的三维坐标(x、y、z)和三维扫描激光雷达测量的每个标定点(α，β，L)带入到步骤S3建立的误差模型中，可以得到一组含有26项未知误差的联立方程组，求解方程组即可得到对应的误差值，并由此可以得到坐标修正的解析表达式f’(δχ)，进而得到坐标修正计算公式：

P’(x，y，z)＝f’(δχ)(α，β，L)

S5实施坐标修正：利用步骤S4求解出的误差值得到的坐标修正计算公式，将被测点的距离、方位角度、俯仰角度代入该坐标修正计公式中便可实现对三维扫描激光雷达三维坐标的修正。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.三维扫描激光雷达坐标误差修正方法，其特征在于：

S1:建立被测点的三维坐标与三维扫描激光雷达采集的被测点的方位角度、俯仰角度和距离之间的理论计算模型；设被测点的三维坐标为(x，y，z)，三维扫描激光雷达获取的被测点的方位角度、俯仰角度、距离分别为α、β、L；

S2:分析测量误差来源：

所述三维扫描激光雷达的组成模块包括：激光测距模块、方位角测量模块、俯仰角测量模块和反射镜模块；误差来源包括上述各组成模块的安装误差；令所述三维扫描激光雷的每个组成模块在安装时均引入六项安装误差，分别为实际安装位置与理论位置在三轴坐标系中三个方向的偏差和三个方向的偏角；所述误差因子还包括：方位角自身测量误差，俯仰角自身测量误差；则误差因子包括26项；

S3：建立误差模型：

分析步骤S2中得到的每项误差与被测点三维坐标的关系，建立包含N项误差因子、方位角、俯仰角、距离的三维直角坐标的计算表达式，即误差模型；

该误差模型建立了五个坐标系，分别标识为坐标系0、1、2、3和4；其中，坐标系0是三维扫描激光雷达的基准坐标系，坐标系1是方位角测量模块坐标系，坐标系2是俯仰角测量模块坐标系，坐标系3是反射镜模块坐标系，坐标系4是激光测距模块坐标系；每个坐标系为对应模块的安装基准，因此，每个坐标系的安装误差即为整个误差模型的组成部分；L₁、L₂、L₃以及l₂体现了各模块理论安装位置之间的相对位置关系，其中L₁为激光测距模块与方位角度测量模块竖直方向上的之间的理论安装距离，L₂为方位测量模块与俯仰角度测量模块在水平方向上的理论安装距离，L₃为方位测量模块与俯仰角度测量模块在竖直方向上的理论安装距离，l₂为俯仰角度测量模块与反射镜模块在水平方向之间的理论安装距离；考虑误差后的三维坐标表达，即误差模型为：

其中δχ表示所有引入的误差因子，f’(δχ)是跟误差因子有关的解析表达式，¹δx、¹δy、¹δz、¹δα、¹δβ、¹δγ分别表示方位角测量模块的六项安装误差；²δx、²δy、²δz、²δα、²δβ、²δγ分别表示俯仰角测量模块的六项安装误差；³δx、³δy、³δz、³δα、³δβ、³δγ分别表示反射镜模块的六项安装误差；⁴δx、⁴δy、⁴δz、⁴δα、⁴δβ、⁴δγ分别表示激光测距模块的六项安装误差；δ_θ1表示方位角自身测量误差为，δ_θ2表示俯仰角自身测量误差；

S4：求解误差模型：

在所述三维扫描激光雷达的测量距离、方位角、俯仰角的全量程范围内设置标定点组，所述标定点组中标定点的个数不小于N；通过所述三维扫描激光雷达获取每个标定点的距离值、方位角度值、俯仰角度值；同时利用高精度坐标测量设备对标定点组中每个标定点进行测量，获取每个标定点的三维坐标；

然后将高精度测量仪器得到的每个标定点的三维坐标和三维扫描激光雷达测量的每个标定点距离、方位角、俯仰角的代入到步骤S3建立的误差模型中，求解误差模型中的各项误差因子，进而得到修正后的三维坐标计算公式；

S5：坐标修正：将被测点的距离、方位角度、俯仰角度代入步骤S4中得到的修正后的三维坐标计算公式中实现对三维扫描激光雷达三维测量坐标的修正。

2.如权利要求1所述的三维扫描激光雷达坐标误差修正方法，其特征在于：所述步骤S1中：

理论计算模型为：

记理论计算模型为P(x，y，z)＝f(α,β,L)。

3.如权利要求1所述的三维扫描激光雷达坐标误差修正方法，其特征在于：所述步骤S4中采用的高精度坐标测量为激光跟踪仪。

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