CN113945204B - 空间点云测量系统及标定、重建方法 - Google Patents

空间点云测量系统及标定、重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间点云测量系统及标定、重建方法，所述空间点云测量系统包括：激光测距仪，所述激光测距仪用于获取待测目标至所述激光测距仪之间的空间距离信息；转台，所述激光测距仪固设于所述转台上，并且所述转台包括俯仰转轴和偏航转轴，所述俯仰转轴与所述偏航转轴的轴线于空间内相交，以用于提供空间点云测量过程中的角度信息；处理器，所述处理器用于获取所述空间距离信息和所述空间点云测量过程中的角度信息；控制所述激光测距仪和所述转台切换于工作状态和闲置状态；以及对所述空间点云进行标定和重建。

Description

空间点云测量系统及标定、重建方法
技术领域
本发明涉及点云测量技术领域，具体涉及一种空间点云测量系统及标定、重建方法。
背景技术
点云是描述物体结构几何信息的重要形式，获取目标物体表面点云信息后可以继续分析物体位置、类别、运动及变形。基于点云的目标检测与分析在桥梁、大坝、隧道等结构变形监测、地质滑坡预警、自动驾驶等领域应用广泛。
现有的获取空间点云的手段包括双目相机、双目结构光、激光雷达和全站扫描仪等。双目结构光和双目相机获取点云依赖于三角测量原理，点云获取精度受限于相机标定精度，且实验场景要求有良好的光照条件，难以完成大视场高精度测量。激光雷达目前存在激光管寿命短、可靠性低、生产成本高，工艺难度复杂等问题。全站扫描仪采用高精度码盘记录角度信息，设备十分昂贵，标定和重建过程较为复杂且目前尚缺乏统一的标准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间点云测量系统及标定、重建方法，以简化空间点云的测量系统和标定过程。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种空间点云测量系统，所述空间点云测量系统包括：
激光测距仪，所述激光测距仪用于获取待测目标至所述激光测距仪之间的空间距离信息；
转台，所述激光测距仪固设于所述转台上，并且所述转台包括俯仰转轴和偏航转轴，所述俯仰转轴与所述偏航转轴的轴线于空间内相交，以用于提供空间点云测量过程中的角度信息；
处理器，所述处理器用于获取所述空间距离信息和所述空间点云测量过程中的角度信息；控制所述激光测距仪和所述转台切换于工作状态和闲置状态；以及对所述空间点云进行标定和重建。
可选择地，所述转台和所述激光测距仪之间通过螺栓连接方式和/或胶粘方式固定连接。
基于上述技术方案，本发明还提供一种空间点云的标定方法，所述空间点云的标定方法包括上述的空间点云测量系统，还包括：
S1：搭建空间点云测量系统；
S2：设置合作标志并利用坐标生成设备生成坐标系；
S3：获取所述初始转台转角下合作标志在所述坐标系中的坐标值；
这里，初始转台转角是指俯仰角和偏航角均为0。
S4：沿所述激光测距仪的激光方向移动所述合作标志以获取多个坐标值；
S5：利用多个所述坐标值拟合所述激光测距仪的激光方向；
S6：根据空间距离信息，得到所述激光测距仪的激光出射点坐标；
S7：分别沿所述转台的俯仰转轴和偏航转轴转动所述转台，重复步骤S2-S6，得到不同转角下的多个所述激光出射点坐标；
S8：根据多个所述激光出射点坐标，得到转台中心坐标以及所述转台中心到所述激光出射点的距离；
S9：根据所述转台中心坐标以及所述转台中心到所述激光出射点的距离，得到所述转台中心到激光出射点的方向向量；
S10：根据所述方向向量和所述激光方向，得到所述激光出射方向的夹角，完成标定。
可选择地，所述步骤S2中，所述坐标生成设备构造为全站仪和合作靶标，其中，所述合作靶标构造为十字靶标和/或对角标志和/或棱镜。
可选择地，所述步骤S9中，所述转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角余弦值为：
Figure BDA0003321094530000031
其中，α表示所述转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角，系统固定好后，该值为一定值；l0表示初始转台转角下激光出射方向；R1表示转台中心到初始转台转角下激光出射点的方向向量。
基于上述技术方案，本发明还提供一种空间点云重建方法，所述空间点云重建方法包括上述的空间点云的标定方法，还包括：
利用修正方法对所述激光测距仪所测量的空间距离信息进行修正，得到修正后的空间距离信息；
根据所述修正后的空间距离信息，以及转台提供的俯仰角和偏航角信息，利用空间点云重建模型，得到重建后的空间点云。
可选择地，所述空间点云重建模型包括：
Figure BDA0003321094530000032
Figure BDA0003321094530000033
Z＝d1sinθ
其中，d1为修正后的空间距离信息，θ为俯仰角，
Figure BDA0003321094530000034
为偏航角。
可选择地，所述利用修正方法对所述激光测距仪所测量的空间距离信息进行修正，得到修正后的空间距离信息包括：
获取所述激光测距仪所测量的空间距离信息以及所述标定过程中得到的转台中心到激光出射点向量；
根据所述激光测距仪所测量的空间距离信息以及转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角，利用余弦定理，得到修正后的空间距离信息。
可选择地，所述利用余弦定理，得到修正后的空间距离信息包括：
Figure BDA0003321094530000041
其中，d表示所述激光测距仪所测量的空间距离信息；d1表示修正后的空间距离信息；r表示所述转台中心到所述激光出射点的距离，α表示转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角。
本发明具有以下有益效果：
通过以上发明，即通过上述的空间点云测量系统及其标定、重建方法。一方面，测量系统由转台和激光测距仪固连形成，因此本发明系统结构简单，可根据实际测量需求选择不同性能的转台和测距仪，易于控制成本；另一方面，本发明只需要标定两个参数即可实现空间物体表面点云重建，待标定参数数量少、标定简单；另外设备固连稳定，只需要标定一次，便可在后续的多种场景中布置使用。
附图说明
图1为本发明所提供的空间点云标定方法的流程图；
图2为本发明所提供的空间点云测量系统的部分结构示意图；
图3为本发明所提供的空间坐标点重建原理图。
附图标记说明
1-激光测距仪；2-转台；21-偏航转轴；22-俯仰转轴。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种空间点云测量系统，参考图2所示，所述空间点云测量系统包括：
激光测距仪1，所述激光测距仪1用于获取待测目标至所述激光测距仪1之间的空间距离信息；
转台2，所述激光测距仪1固设于所述转台2上，并且所述转台2包括俯仰转轴22和偏航转轴21，所述俯仰转轴22与所述偏航转轴21的轴线于空间内相交，以用于提供空间点云测量过程中的角度信息；
处理器，所述处理器用于获取所述空间距离信息和所述空间点云测量过程中的角度信息；控制所述激光测距仪1和所述转台2切换于工作状态和闲置状态；以及对所述空间点云进行标定和重建。
可选择地，所述转台2和所述激光测距仪1之间通过螺栓连接方式和/或胶粘方式固定连接。
基于上述技术方案，本发明还提供一种空间点云的标定方法，所述空间点云的标定方法包括上述的空间点云测量系统，参考图1所示，还包括：
S1：搭建空间点云测量系统；
S2：设置合作标志并利用坐标生成设备生成坐标系；
S3：获取所述初始转台转角下合作标志在所述坐标系中的坐标值；
S4：沿所述激光测距仪1的激光方向移动所述合作标志以获取多个坐标值；
S5：利用多个所述坐标值拟合所述激光测距仪1的激光方向；
S6：根据空间距离信息，得到所述激光测距仪1的激光出射点坐标；
S7：分别沿所述转台2的俯仰转轴22和偏航转轴21转动所述转台2，重复步骤S2-S6，得到不同转角下的多个所述激光出射点坐标；
S8：根据多个所述激光出射点坐标，得到转台中心坐标以及所述转台中心到所述激光出射点的距离；
S9：根据所述转台中心坐标以及所述转台中心到所述激光出射点的距离，得到所述转台中心到激光出射点的方向向量；
S10：根据所述方向向量和所述激光方向，得到所述激光出射方向的夹角，完成标定。
在对空间点云进行标定之后，可以利用点云数据实现目标的定位/目标物体的分类/目标运动测量和变形估计等。
可选择地，所述步骤S2中，所述坐标生成设备构造为全站仪和合作靶标，其中，所述合作靶标构造为十字靶标和/或对角标志和/或棱镜。
可选择地，所述步骤S9中，所述转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角余弦值为：
Figure BDA0003321094530000061
其中，α表示所述转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角；l0表示初始转台转角下激光出射方向；R1表示转台中心到初始转台转角下激光出射点的方向向量。
基于上述技术方案，本发明还提供一种空间点云重建方法，所述空间点云重建方法包括上述的空间点云的标定方法，还包括：
利用修正方法对所述激光测距仪1所测量的空间距离信息进行修正，得到修正后的空间距离信息；
可选择地，所述利用修正方法对所述激光测距仪1所测量的空间距离信息进行修正，得到修正后的空间距离信息包括：
获取所述激光测距仪1所测量的空间距离信息以及所述标定过程中得到的转台中心到激光出射点向量；
根据所述激光测距仪1所测量的空间距离信息以及转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角，利用余弦定理，得到修正后的空间距离信息。
可选择地，所述利用余弦定理，得到修正后的空间距离信息包括：
Figure BDA0003321094530000062
其中，d表示所述激光测距仪1所测量的空间距离信息；d1表示修正后的空间距离信息；r表示所述转台中心到所述激光出射点的距离，α表示转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角。
根据所述修正后的空间距离信息，以及转台提供的俯仰角和偏航角信息，利用空间点云重建模型，得到重建后的空间点云。
可选择地，参考图3所示，所述空间点云重建模型包括：
Figure BDA0003321094530000071
Figure BDA0003321094530000072
Z＝d1sinθ
其中，d1为修正后的空间距离信息，θ为俯仰角，
Figure BDA0003321094530000073
为偏航角。
本发明通过转台2和激光测距仪1固连成新的点云测量系统，利用合作标志点和全站仪标定系统中转动中心到激光出射点的距离和转动中心到激光出射点向量与激光出射光轴方向的夹角两个参数，然后利用参数标定结果和余弦定理将测距值修正为转台中心到待测目标点的距离，最后利用转台2提供的角度信息完成空间坐标点重建。通过转动转台2，并对不同转角下的激光测距值进行处理就可以完成空间物体的表面点云信息的测量。本发明可根据实际测量精度和成本需求选型激光测距仪1和转台2，实现空间物体几何量、变形量的快速测量。
本发明具有以下有益效果：
通过以上发明，即通过上述的空间点云测量系统及其标定、重建方法。一方面，测量系统由转台2和激光测距仪1固连形成，因此本发明系统结构简单，可根据实际测量需求选择不同性能的转台2和测距仪，易于控制成本；另一方面，本发明只需要标定两个参数即可实现空间物体表面点云重建，待标定参数数量少、标定简单；另外设备固连稳定，只需要标定一次，便可在后续的多种场景中布置使用。
实施例2
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种空间点云测量系统，包括转台2，用于获取待测物体表面点云重建的角度信息；激光测距仪1，固定于转台2之上，可随转台2转动，用于获取待测物体表面点云重建的距离信息；处理器，根据激光测距仪1测距值、转台2输出转角值和标定得到的参数，获取待测物体表面点云信息，进而实现物体测量。
本发明提供了一种空间点云测量系统标定方法，其中标定参数为转台2转动中心到激光出射点的距离和转台2转动中心到激光出射点的方向向量与激光夹角；标定方法为，1.将激光测距仪1固连在转台2上，并控制全站仪设站；2.设置合作标志，使得激光测距仪1对准合作标志，通过全站仪测量合作标志的空间坐标；3.多次移动合作标志，重复步骤2；4.利用合作标志多个空间坐标拟合激光方向并根据距离值反求激光出射点坐标；5.转动转台2到多个不同角度，重复步骤2-4；6.利用多个反求的激光出射点坐标拟合球心，即为转台中心坐标，其中球半径，即为求取转台中心到激光出射点的距离；7.根据转台中心坐标计算出转台2转动中心到激光出射点的方向向量，进而计算其与激光出射方向夹角；其中，可选择的，合作标志点空间点测量手段为全站仪，也可选择其他手段和方式。可选择的，合作标志点为对角标志，也可选择其他合作标志。
本发明提供了一种空间点云测量系统中测距值修正方法，将激光测距仪1直接获得的测距值结合标定参数结果，经过余弦定理修正为转台中心到待测表面的距离；包括：1.输入标定参数和当前转角下的测距值；2.根据余弦定理求取修正后的测距值；3.利用不同转角下的测距值，重复步骤1-2，计算修正后的距离值。
本发明提供了一种空间点云测量系统中空间点重建方法，包括：1.在某一转角下，利用修正后的空间距离信息和转台2提供的转角信息，结合笛卡尔坐标系实现空间点的重建；2.转台2转动，获得不同转角下的距离值和转角值，并重复步骤1，重建出物体表面的点云。
本发明提供了一种空间点云测量系统，其中处理器，用于：1.根据标定参数结果和不同转角下的测距值获取修正后的转台中心到待测点的距离信息；2.根据转台2得到的转角信息和修正后的距离信息重建出待测物体表面的点云信息；3.根据重建出的物体表面点云信息，分析待测物体的待测量(位置、类别、运动、变形等)。
通过以上发明，即通过一种三维空间点云测量系统及其标定、重建方法。一方面，系统设备由转台2和激光测距仪1固连形成，因此本发明系统结构简单，可根据实际测量需求选择不同性能的转台2和激光测距仪1，易于控制成本；另一方面，本发明只需要标定两个参数即可实现空间物体表面点云重建，待标定参数数量少、标定简单，另外设备固连稳定，只需要标定一次，便可在后续在多种场景中布置使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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)

1.一种空间点云的标定方法，其特征在于，所述空间点云的标定方法采用空间点云测量系统，所述空间点云测量系统包括：
激光测距仪，所述激光测距仪用于获取待测目标至所述激光测距仪之间的空间距离信息；
转台，所述激光测距仪固设于所述转台上，并且所述转台包括俯仰转轴和偏航转轴，所述俯仰转轴与所述偏航转轴的轴线于空间内相交，以用于提供空间点云测量过程中的角度信息；
处理器，所述处理器用于获取所述空间距离信息和所述空间点云测量过程中的角度信息；控制所述激光测距仪和所述转台切换于工作状态和闲置状态；以及对所述空间点云进行标定和重建；
所述空间点云的标定方法包括：
S1：搭建空间点云测量系统；
S2：设置合作标志并利用坐标生成设备生成坐标系；
S3：获取初始转台转角下合作标志在所述坐标系中的坐标值；
S4：沿所述激光测距仪的激光方向移动所述合作标志以获取多个坐标值；
S5：利用多个所述坐标值拟合所述激光测距仪的激光方向；
S6：根据空间距离信息，得到所述激光测距仪的激光出射点坐标；
S7：分别沿所述转台的俯仰转轴和偏航转轴转动所述转台，重复步骤S2-S6，得到不同转角下的多个所述激光出射点坐标；
S8：根据多个所述激光出射点坐标，得到转台中心坐标以及所述转台中心到所述激光出射点的距离；
S9：根据所述转台中心坐标以及所述转台中心到所述激光出射点的距离，得到所述转台中心到激光出射点的方向向量；
S10：根据所述方向向量和所述激光方向，得到所述激光出射方向的夹角，完成标定。
2.根据权利要求1所述的空间点云的标定方法，其特征在于，所述转台和所述激光测距仪之间通过螺栓连接方式或胶粘方式固定连接。
3.根据权利要求1所述的空间点云的标定方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述坐标生成设备构造为全站仪和合作靶标，其中，所述合作靶标构造为十字靶标或对角标志或棱镜。
4.根据权利要求1所述的空间点云的标定方法，其特征在于，所述步骤S10中，所述转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角余弦值为：
Figure 932791DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 988472DEST_PATH_IMAGE002
表示所述转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角；
Figure 290272DEST_PATH_IMAGE003
表示初始转台转角下激光出射方向；
Figure 761704DEST_PATH_IMAGE004
表示转台中心到初始转台转角下激光出射点的方向向量。
5.一种空间点云重建方法，其特征在于，所述空间点云重建方法包括根据权利要求1至4中任意一项所述的空间点云的标定方法，还包括：
利用修正方法对所述激光测距仪所测量的空间距离信息进行修正，得到修正后的空间距离信息；
根据所述修正后的空间距离信息，以及转台提供的俯仰角和偏航角信息，利用空间点云重建模型，得到重建后的空间点云。
6.根据权利要求5所述的空间点云重建方法，其特征在于，所述空间点云重建模型包括：
Figure 81827DEST_PATH_IMAGE005
Figure 324721DEST_PATH_IMAGE006
Figure 628663DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 716836DEST_PATH_IMAGE008
为修正后的空间距离信息，
Figure 688203DEST_PATH_IMAGE009
为俯仰角，
Figure 856927DEST_PATH_IMAGE010
为偏航角。
7.根据权利要求5所述的空间点云重建方法，其特征在于，所述利用修正方法对所述激光测距仪所测量的空间距离信息进行修正，得到修正后的空间距离信息包括：
获取所述激光测距仪所测量的空间距离信息以及所述标定过程中得到的转台中心到激光出射点向量；
根据所述激光测距仪所测量的空间距离信息以及转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角，利用余弦定理，得到修正后的空间距离信息。
8.根据权利要求7所述的空间点云重建方法，其特征在于，所述利用余弦定理，得到修正后的空间距离信息包括：
Figure 648165DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 540029DEST_PATH_IMAGE012
表示所述激光测距仪所测量的空间距离信息；
Figure 100323DEST_PATH_IMAGE008
表示修正后的空间距离信息；
Figure 685019DEST_PATH_IMAGE013
表示所述转台中心到所述激光出射点的距离，
Figure 697975DEST_PATH_IMAGE014
表示转台中心到激光出射点向量与所述激光出射方向的夹角。
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