CN113567963B - 一种对激光雷达测量误差进行精密检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，涉及测绘技术领域。主要包括检校场的设置、高精度检校场检校标的数据获取、利用激光雷达对三维码标进行扫描以获取扫描数据、安置误差解算、消除安置误差得到扫描校准数据以及根据所述扫描校准数据与检校标的数据进行比较分析，得到激光雷达的扫描误差。解决了测量过程中的安置误差解算困难的问题，消除了安置误差对激光雷达测量误差检测的影响，在一定程度上提高了激光雷达测量数据误差检测的准确性。本发明适用于雷达测绘应用场景中。

Description

一种对激光雷达测量误差进行精密检测的方法

技术领域

本发明涉及测绘技术领域，尤其涉及一种基于包括三维码标在内的多维码标对激光雷达测量误差进行精密检测的方法。

背景技术

激光雷达(LiDAR，Light Detection and Ranging)是一种基于激光进行探测与测距的仪器。移动激光雷达在测量过程中，存在定位误差、测角误差、测距误差、仪器加工误差、仪器安置位姿误差、目标差异造成的误差等。其中定位误差主要包括卫星轨道误差、卫星钟钟差、接收机钟钟差、多路径效应、相位中心不稳定，卫星星座、观测噪声、整周模糊度求解正确与否等。尽管定位误差较大，由于其受观测环境影响较大，不易模型化或消除。常用的提高定位准确度的做法是在测区建立多个分布较均匀的基准站，保证动态定位解算时离基准站不会太远，或者采用精密单点定位的方法。测角误差是由于扫描电机的非匀速旋转以及扫描转镜的震动引起的。激光雷达在扫描过程中，其测角误差不是直接量测的，而是根据扫描视场范围和每行的采样点计算出来的。而在实际应用中，扫描电机并不能完全保证匀速旋转，所以会造成测角误差。激光雷达测距原理是通过发射激光脉冲并接收反射信号，记录信号发射时间和信号接收时间差，计算目标与激光发射位置的距离。

在目前检测激光雷达测量误差的相关研究中，多利用检测目标的特殊几何特性结合激光扫描仪的运动轨迹，在航向、俯仰、侧滚方向分别利用相向航向的数据进行检测，这些方法要求在航线重叠区域存在明显几何特征的目标，如尖顶房，且两次扫描结果数据航向为相向航向。

现有方法存在以下不足：(1)依据的检测模型简单不严谨，只能对结果误差较大的情况进行检测；(2)检测方法停留在数据层面，未涉及仪器层面的检测方法。测角和测距误差是激光扫描仪测量过程中由内部系统引起的误差，对于不同形状的目标，测角误差对测距误差也造成一定的影响，为了较为准确地检测LiDAR在测量过程中的误差，需要对测量中的安置误差进行消除，而此过程复杂且需要花费较长时间，解算难度大。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，在一定程度上能够提高激光雷达测量数据误差检测的准确性。

本发明实施例提供一种对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，包括步骤：

S10、设置检校场，所述检校场中安设有模拟飞行平台及码标，所述模拟飞行平台用于装载安置激光雷达、所述码标对应所述激光雷达的发射端设置；

S20、利用站载相位激光扫描仪或全站仪对检校场进行精密量测，获得检校场中目标物在检校场中的点云数据，将该点云数据作为检校标的数据；

S30、利用所述激光雷达对所述码标进行扫描量测，获取所述码标的扫描数据；

S40、基于所述检校标的数据和扫描数据对激光雷达的安置误差进行解算，获取所述安置误差矩阵；

S50、基于所述安置误差矩阵对所述扫描数据进行安置误差校正，获取消除安置误差的码标的扫描校准数据；

S60、根据所述扫描校准数据与检校标的数据进行比较分析，得到激光雷达的扫描误差。

可选地，所述码标为三维码标，所述三维码标为多个几何体组合形成的结构体，所述三维码标配置为所述相位激光扫描仪对三维码标的扫描结果中，每条扫描线的形状各不相同；

所述三维码标的多个几何体不同表面的颜色或灰度值不同；

在步骤S30中，所述激光雷达在模拟飞行平台上移动，并对所述三维码标进行扫描量测。

可选地，所述位置点云数据包括模拟飞行平台位置、激光雷达装载位置和码标位置的点云数据。

可选地，所述激光雷达在模拟飞行平台上的初始位置为检校场原点；

在所述步骤S30中，所述激光雷达在模拟飞行平台上根据预定路线移动，并对所述码标进行扫描；根据所述激光雷达的初始位置点以及模拟飞行平台提供的姿态信息，在激光雷达移动过程中，获取激光雷达的瞬时位置和姿态角信息；根据激光雷达的瞬时位置和姿态角信息对码标的目标点坐标进行解算，得到所述码标的扫描数据。

可选地，所述步骤S40包括：至少分别选取码标上3个不共线的点的检校标的数据A(X,Y,Z)和对应的扫描数据B(x_l,y_l,z_l,)；

基于至少所述3个不共线的点的检校标的数据A(X,Y,Z)和对应的扫描数据B(x_l,y_l,z_l,)，根据安置位置误差方程：

对安置误差矩阵进行解算；

当为最小值时，获得/>ω，κ，Δx，Δy，Δz的值。

其中，所述安置误差矩阵包括：激光雷达分别在模拟飞行平台的X方向上的安置旋转旋转角误差Y方向上的安置旋转旋转角误差ω及Z方向上的安置旋转旋转角误差κ，以及激光雷达在模拟飞行平台的X、方向上的安置平移误差Δx、Y方向上的安置平移误差Δy及Z方向上的安置平移误差Δz。

可选地，所述步骤S50包括：根据扫描数据B(x_l,y_l,z_l,)和步骤S40中得到的安置矩阵中的参数ω，κ，Δx，Δy，Δz，获取安置误差校准后的码标点扫描校准数据A′(X′,Y′,Z′)：

为旋转矩阵，/>

可选地，所述步骤S60包括：基于检校标的数据A(X,Y,Z)及扫描校准数据A′(X′,Y′,Z′)，根据误差测量公式：解算得到激光雷达的扫描误差。

本发明实施例提供的对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，通过设置检校场，在检校场中设置码标以及模拟飞行平台，利用站载相位激光扫描仪对检校场进行精密量测，获得目标物在检校场中的高精度位置点云数据，作为检校标的数据；在模拟飞行平台上装载激光雷达，使激光雷达在移动过程中对码标扫描量测，获得码标的扫描数据，基于所述检校标的数据和扫描数据对激光雷达的安置误差进行解算，获取安置误差矩阵，并根据所述安置误差矩阵校准所述扫描数据得到扫描校准数据，最后根据所述扫描校准数据与检校标的数据进行比较分析，可以得到激光雷达的扫描误差。解决了测量过程中的安置误差解算困难的问题，消除了安置误差对激光雷达测量误差检测的影响，在一定程度上提高了激光雷达测量数据误差检测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明对激光雷达测量误差进行精密检测的方法一实施例流程示意图；

图2为本发明对激光雷达测量误差进行精密检测的方法又一实施例流程示意图；

图3为本发明中检校场数学模型示意图；

图4为本发明中一些实施例中三维码标的几何体组成单元示意图；

需要说明的是，图4中是为了示意组成三维码标的几何体，其中的着色是实现本发明的一些实施例必须的技术特征，为了表达全面，故在该图中保留了灰度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例提供的方案进行详细描述。

应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，适用于雷达测绘应用场景中；该方法主要包括检校场的设置、高精度检校场检校标的数据获取、利用激光雷达对三维码标进行扫描获取以扫描数据、安置误差解算、消除安置误差和雷达扫描误差分析等步骤。

具体的，参看图2及图3所示，本发明实施例提供的对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，可以包括：

步骤S10、设置检校场，所述检校场中安设有模拟飞行平台及码标，所述模拟飞行平台用于装载安置激光雷达、所述码标对应所述激光雷达的发射端设置。

其中，检校场在本文中是用于检校航测激光雷达的测量误差而布设的具有标志点的场地；检校场数学模型示意图如图3所示，模拟飞行平台在检校场坐标系中在X、Y和Z方向可自由移动，模拟飞行平台初始位置设置为检校场原点，后续获取的高精度检校场数据，即检校场中目标物在检校场中的位置点云数据，和雷达扫描数据都统一该坐标系中进行解算，在一些实施例中，所述码标为三维码标。

如图3所示，Y轴上位置点数字1、2和3分别表示激光雷达沿Y轴方向移动的三个位置，其对三维码标进行扫描测量的扫描线分别为L1、L2和L3，由于激光雷达安置在模拟飞行平台过程中有安置误差，所以其实际获取的扫描线与理论扫描线会有所不同，例如实际获取的扫描线是图中L1＇、L2＇和L3＇，这会造成仪器测量误差检测错误。其中，安置误差包括安置位置误差和安置姿态角误差。

参看图4所示，为了消除这一影响，需要对安置误差进行解算并消除。为了对获取的扫描线进行精确定位，所述三维码标为多个几何体组合形成的结构体，所述三维码标配置为所述相位激光扫描仪对三维码标的扫描结果中，每条扫描线的形状各不相同；所述三维码标的多个几何体不同表面的颜色或灰度值不同。例如，包括三棱锥、四棱锥、四棱台、台阶及不同灰度值的混合设计单元，通过采用足够复杂的多个几何体配以不同表面的不同颜色或灰度值，使三维码标表面的三维信息需足够复杂，从而使三维码标具有线性扫描可区分性，便于扫描的精确定位。

在一些实施例中，模拟飞行平台，由三根空间垂直杆构成，装载激光雷达可在三个方向自由移动，通过控制器控制激光雷达在模拟飞行台上的移动路径并记录其瞬时位置坐标。

S20、利用站载相位激光扫描仪或全站仪对检校场进行精密量测，获得检校场中目标物在检校场中的点云数据，将该点云数据作为检校标的数据。

示例性地，在检校场设置完成后，利用全站仪或相位激光扫描仪对检校场进行精密量测，获取目标物在检校场中的点云数据，将该点云数据在检校场坐标系下表示，转换成检校场坐标系下的数据A(X,Y,Z)，作为检校标的数据。

S30、利用所述激光雷达对所述码标进行扫描量测，获取所述码标的扫描数据。

在本实施例中，根据激光雷达的线扫描方向，将激光雷达装载到模拟飞行平台上，使激光雷达扫描坐标系与模拟飞行平台扫描坐标系尽量保持一致，若不能保持一致，将获取数据根据安置位姿关系进行坐标转换，该处坐标转换不涉及旋转和平移，通常只需要将获取数据的坐标(x，y，z)中某两列进行互换即可，该转换方式为现有技术，为了凸显本发明创新主旨所在，在此就不再赘述。

在该步骤中，所述激光雷达在模拟飞行平台上移动，并对所述码标进行扫描量测。

本实施例中，作为一可选实施例，所述激光雷达在模拟飞行平台上的初始位置为检校场原点；在步骤S30中，所述激光雷达在模拟飞行平台上根据预定路线移动，并对所述码标进行扫描；根据所述激光雷达的初始位置点，以及模拟飞行平台提供的姿态信息，在激光雷达移动过程中，获取激光雷达的瞬时位置和姿态角信息；根据激光雷达的瞬时位置和姿态角信息对码标的目标点坐标进行解算，得到所述码标的扫描数据。

其中，在获取到激光雷达的瞬时位置和姿态角信息之后，本领域技术人员可以利用解算软件进行解算得到码标的目标点坐标，具体的解算方式为航测技术领域中的现有技术，为突出本发明创新主旨所在，对该具体解算过程就不再赘述。

S40、基于所述检校标的数据和扫描数据对激光雷达的安置误差进行解算，获取所述安置误差矩阵。

其中，安置误差矩阵包括的参数有：激光雷达分别在模拟飞行平台的X方向上的安置旋转旋转角误差Y方向上的安置旋转旋转角误差ω及Z方向上的安置旋转旋转角误差κ，以及激光雷达在模拟飞行平台的X方向上的安置平移误差Δx、Y方向上的安置平移误差Δy及Z方向上的安置平移误差Δz。

在一些实施例中，所述步骤S40中，获取安置误差矩阵的具体步骤包括：至少分别选取码标上3个不共线的点的检校标的数据A(X,Y,Z)和对应的扫描数据B(x_l,y_l,z_l,)；

基于至少所述3个不共线的点的检校标的数据A(X,Y,Z)和对应的扫描数据B(x_l,y_l,z_l,)，根据安置误差方程：

对安置误差矩阵进行解算；

当为最小值时，获得/>ω，κ，Δx，Δy，Δz的值。

其中，安置误差方程的推导或获取过程包括：将三维激光扫描仪获取的检校标的数据与激光雷达获得的扫描数据在同一坐标系中描述，根据坐标转换关系得到矩阵方程一：

设为旋转矩阵，则有

令

矩阵方程一可转化为：

其中，

根据所述旋转矩阵，求解安置旋转角误差分别为：

sinω＝-a₃₁；/> ω＝sin^-1(-r₃₁)，/>

由于ω，κ为小角度，小角度的正弦值很小，约等于角度的弧度值，余弦值接近1，因此，/>可以简化为如下形式的公式，则也可以利用如下公式对安置旋转角误差进行解算；

进一步地，/>

由此，可得到矩阵方程一进一步变形为：

该方程进一步地变形为：

再进一步地变形为：

再进一步地变形为：

再进一步地，得到解算方程：

为了根据该解算方程得到安置误差矩阵的最优解，引入高斯-马尔科夫模型(GMM)，基于该矩阵解算方程得到所述安置误差方程：

S50、基于所述安置误差矩阵对所述扫描数据进行安置误差校正，获取消除安置误差的码标的扫描校准数据。

示例性地，所述步骤S50包括：根据扫描数据B(x_l,y_l,z_l,)和步骤S40中得到的安置误差矩阵中的参数，ω，κ，Δx，Δy，Δz，获取安置误差校准后的码标点扫描校准数据A′(X′,Y′,Z′)：

为旋转矩阵，/>

S60、根据所述扫描校准数据与检校标的数据进行比较分析，得到激光雷达的扫描误差。

示例性地，所述步骤S60包括：基于检校标的数据A(X,Y,Z)及扫描校准数据A′(X′,Y′,Z′)，根据误差测量公式：解算得到激光雷达的扫描误差。

综上，本发明实施例提供的对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，通过设置检校场，在检校场中设置码标以及模拟飞行平台，利用站载相位激光扫描仪对检校场进行精密量测，获得目标物在检校场中的高精度点云数据，作为检校标的数据；在模拟飞行平台上装载激光雷达，使激光雷达在移动过程中对码标扫描量测，获得码标的扫描数据，基于所述检校标的数据和扫描数据对激光雷达的安置误差进行解算，获取安置误差矩阵，并根据所述安置误差矩阵校准所述扫描数据得到扫描校准数据，最后根据所述扫描校准数据与检校标的数据进行比较分析，可以得到激光雷达的扫描误差。解决了测量过程中的安置误差解算困难的问题，消除了安置误差对激光雷达测量误差检测的影响，在一定程度上提高了激光雷达测量数据误差检测的准确性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一组实体或者操作与另一组实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一组……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各组实施例均采用相关的方式描述，各组实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每组实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一组或多组布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。

在上述实施方式中，多组步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元/模块的功能在同一组或多组软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是组人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各组实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种对激光雷达测量误差进行精密检测的方法，其特征在于，包括步骤：

S10、设置检校场，所述检校场中安设有模拟飞行平台及码标，所述模拟飞行平台用于装载安置激光雷达、所述码标对应所述激光雷达的发射端设置；

S20、利用站载相位激光扫描仪或全站仪对检校场进行精密量测，获得检校场中目标物在检校场中的点云数据，将该点云数据作为检校标的数据；

S30、利用所述激光雷达对所述码标进行扫描量测，获取所述码标的扫描数据；

S40、基于所述检校标的数据和扫描数据对激光雷达的安置误差进行解算，获取安置误差矩阵；

S50、基于所述安置误差矩阵对所述扫描数据进行安置误差校正，获取消除安置误差的码标的扫描校准数据；

S60、根据所述扫描校准数据与检校标的数据进行比较分析，得到激光雷达的扫描误差;

所述激光雷达在模拟飞行平台上的初始位置为检校场原点；

在所述步骤S30中，所述激光雷达在模拟飞行平台上根据预定路线移动，并对所述码标进行扫描；

根据所述激光雷达的初始位置点以及模拟飞行平台提供的姿态信息，在激光雷达移动过程中，获取激光雷达的瞬时位置和姿态角信息；

根据激光雷达的瞬时位置和姿态角信息对码标的目标点坐标进行解算，得到所述码标的扫描数据;

所述步骤S40包括：

至少分别选取码标上3个不共线的点的检校标的数据A(X,Y,Z)和对应的扫描数据B()；

基于至少所述3个不共线的点的检校标的数据A(X,Y,Z)和对应的扫描数据B()，根据安置误差方程：

对安置误差矩阵进行解算；

当为最小值时，获得/>，/>，κ，/>，/>，/>的值；

其中，所述安置误差矩阵包括：激光雷达分别在模拟飞行平台的X方向上的安置旋转旋转角误差、Y方向上的安置旋转角误差/>及Z方向上的安置旋转旋转角误差κ，以及激光雷达在模拟飞行平台的X方向上的安置平移误差/>、Y方向上的安置平移误差/>及Z方向上的安置平移误差/>。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述码标为三维码标，所述三维码标为多个几何体组合形成的结构体，所述三维码标配置为所述激光扫描仪对三维码标的扫描结果中，每条扫描线的形状各不相同；

所述三维码标的多个几何体不同表面的颜色或灰度值不同；

在步骤S30中，所述激光雷达在模拟飞行平台上移动，并对所述三维码标进行扫描量测。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述点云数据包括模拟飞行平台位置、激光雷达装载位置和码标位置的点云数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S50包括：

根据扫描数据B()和步骤S40中得到的安置误差矩阵中的参数/>，/>，κ，/>，/>，/>，获取安置误差校准后的码标点扫描校准数据/>；其中，，/>为旋转矩阵，/>。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S60包括：基于检校标的数据A(X, Y,Z)及扫描校准数据，根据误差测量公式：/>解算得到激光雷达的扫描误差。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S20和步骤S30的顺序可调换或同时执行。