CN113985420A - 一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法 - Google Patents

一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，包括：获取4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标；利用靶标Z轴坐标计算入射激光误差角度；利用入射激光误差角度计算入射误差，并利用入射误差计算反射误差角度；利用入射激光误差角度和反射误差角度计算纠偏后的斜45°激光雷达的扫描断面。通过算法弥补扫描设备在生产和安装环节上的误差，使得扫描到的数据更加的精准，便于后期各种应用。

Description

一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法
技术领域
本发明涉及一种补偿斜45°激光雷达扫描光路误差的方法。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号（激光束）,然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。
机械式扫描方法是远距离激光雷达的主要实现方式，相比于MEMS、OPA等新扫描方法，机械扫描具有光学口径大，视场范围大的特点，尤其适合于大口径光学扫描。机械扫描通常利用光学元器件对光线的反射和折射原理实现，折射原理需要光线多次穿透光学元器件，其光学利用率不高。反射扫描体制常见的反射镜面包括多面镜和椭圆镜（斜45°镜），多面镜扫描视场角小，不利于实现大范围扫描。光学扫描装置的设计，需要考虑系统视场角、扫描速度、通光口径、测角要求和回转动平衡等问题，现有的技术很难达到。
为了解决上述技术问题，申请人发明了一种用于激光雷达的斜45°镜光学扫描装置，包括用于激发激光的激光出射单元、用于接收反射激光的激光接收单元，还包括用于将出射激光进行偏转形成扫描断面的旋转扫描单元；所述旋转扫描单元包括与激光出射单元激发的出射激光呈45°角的扫描镜，以及用于驱动扫描镜自转的驱动装置。理想情况下，入射激光经激光准直器准直后垂直入射到斜45°反射镜并反射，反射后的出射激光光线随旋转扫描的角度变化形成一个垂直于主骨架的扫描断面。
在实际生产过程中，加工误差和装配误差将引起入射方向向量和反射镜面的法向量出现误差，导致扫描仪实际的扫描脚点出现与理论计算不一致，因此，需要从扫描仪成像原理上对入射方向向量误差和反射镜面误差进行补偿，进而得到准确的扫描点计算结果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，通过算法弥补设备在生产和装配过程中产生的误差。，
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，包括：获取4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标；利用靶标Z轴坐标计算入射激光误差角度；利用入射激光误差角度计算入射误差，并利用入射误差计算反射误差角度；利用入射激光误差角度和反射误差角度计算纠偏后的斜45°激光雷达的扫描断面。
作为一种改进，所述获取4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标包括：将斜45°激光雷达水平悬空架设；在斜45°激光雷达扫描视场范围内设置4组或者4组以上的靶标，并且靶标不在斜45°激光雷达的扫描断面上；调整靶标高度，当斜45°激光雷达的扫描数据中出现该靶标的扫描点时记录该靶标的对地高度；将靶标的坐标转移到斜45°激光雷达的坐标系中。
作为一种进一步的改进，所述靶标利用竖直设置的可伸缩的立杆进行支撑，通过调节立杆的长度调节靶标的高度。
作为另一种更进一步的改进，所述利用靶标Z轴坐标计算入射激光误差角度包括：入射激光的误差利用公式I进行计算
Figure 387125DEST_PATH_IMAGE002
I
其中δx为X轴的误差，δy为Y轴的误差，δz为Z轴的误差；α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；ω为反射镜旋转角度；
利用公式II表述Z轴的误差
Figure 147795DEST_PATH_IMAGE004
II
其中ω为反射镜旋转角度；利用4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标求解出常数a、b、c；利用a、b、c求解入射激光误差角度α、β。
作为一种改进，利用最小二乘法求解常数a、b、c。
作为一种改进，利用入射激光误差角度计算入射误差，并利用入射误差计算反射误差角度包括：将入射激光误差角度α、β带入公式I中计算入射误差；取X轴和Y轴的误差值带入公式III求解出反射误差角度θ、γ；
Figure 655000DEST_PATH_IMAGE006
III
其中，其中δx为X轴的误差，δy为Y轴的误差，δz为Z轴的误差；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角；ω为反射镜旋转角度。
作为一种改进，所述利用入射激光误差角度和反射误差角度计算纠偏后的斜45°激光雷达的扫描断面包括：
利用公式IV计算斜45°激光雷达的扫描断面
Figure 258019DEST_PATH_IMAGE008
IV
其中
Figure 432649DEST_PATH_IMAGE010
为激光测距所得到的距离，
Figure 33394DEST_PATH_IMAGE012
为出射激光的方向向量。
作为一种改进，利用公式V和VI计算出射激光的方向向量
Figure 293474DEST_PATH_IMAGE014
V
Figure 903447DEST_PATH_IMAGE016
VI
其中，α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角；ω为反射镜旋转角度。
本发明的有益之处在于：具有上述步骤的斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，通过算法弥补扫描设备在生产和安装环节上的误差，使得扫描到的数据更加的精准，便于后期各种应用。
附图说明
图1为本发明中斜45°激光雷达的光路示意图，α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角；ω为反射镜旋转角度。
图2为斜45°激光雷达和靶标的布置示意图。
图3为入射误差条件下扫描脚点误差；（A）点云误差三维视图，（B）点云误差顶视图，（C）点云误差正视图，（D）点云误差侧视图，（E）x轴误差，（F）y轴误差，（G）z轴误差。
图4为反射误差条件下扫描脚点误差；（A）点云误差三维视图，（B）点云误差顶视图，（C）点云误差正视图，（D）点云误差侧视图，（E）x轴误差，（F）y轴误差，（G）z轴误差。
图5为本发明的流程图。
图中标记：1斜45°激光雷达、2靶标、3立杆。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
理想状态下，入射激光经激光准直器准直后垂直入射到斜45°反射镜并反射，反射后的出射激光光线随旋转扫描的角度变化形成一个垂直于主骨架的扫描断面。入射激光应该与Y轴平行，而反射镜应与Y轴呈45°角。然而由于生产和安装环节中的误差，如图1所示，入射激光和发射镜均有一定的偏差，包括α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角。
图3和图4展示了入射误差条件下扫描点误差和反射误差条件下扫描点误差。
如图5所示，为了弥补这种误差，本发明提供一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，包括：
S1获取4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标；
S2利用靶标Z轴坐标计算入射激光误差角度；
S3利用入射激光误差角度计算入射误差，并利用入射误差计算反射误差角度；
S4利用入射激光误差角度和反射误差角度计算纠偏后的斜45°激光雷达的扫描断面。
如图2所示，步骤S1具体又包括：
S11将斜45°激光雷达水平悬空架设；选取开阔场景，将斜45°激光雷达利用支架悬空架设，采用倾角传感器将其调整为水平安放（扫描仪的理想扫描断面是水平的）。
S12在斜45°激光雷达扫描视场范围内设置4组或者4组以上的靶标，并且靶标不在斜45°激光雷达的扫描断面上；雷达扫描视场范围是指激光能够到达的距离范围（一个截面为扇形的柱状），而扫描断面是指激光能够到达的距离范围内与斜45°激光雷达等高的平面。布置4组或者4组以上的靶标是为了获取足够的坐标进行误差角度的计算。
S13调整靶标高度，当斜45°激光雷达的扫描数据中出现该靶标的扫描点时记录该靶标的对地高度；靶标利用竖直设置的可伸缩的立杆进行支撑，通过调节立杆的长度调节靶标的高度。将每一个立杆的高度从低往高调整，当扫描数据中出现该靶标的扫描点时，利用全站仪测量其对地高度，依次循环将所有的靶标高度调整到刚好进入扫描仪的扫描平面。
S14将靶标的坐标转移到斜45°激光雷达的坐标系中。
步骤S2具体包括：
S21入射激光的误差利用公式I进行计算
Figure 729321DEST_PATH_IMAGE018
I
其中δx为X轴的误差，δy为Y轴的误差，δz为Z轴的误差；α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；ω为反射镜旋转角度；
S22利用公式II表述Z轴的误差
Figure 32126DEST_PATH_IMAGE020
II
其中ω为反射镜旋转角度；
S23利用4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标求解出常数a、b、c；
S24利用a、b、c求解入射激光误差角度α、β。本实施例中，利用最小二乘法求解常数a、b、c。
步骤S3具体包括：
S31将入射激光误差角度α、β带入公式I中计算入射误差；
S32取X轴和Y轴的误差值带入公式III求解出反射误差角度θ、γ；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
III
其中，其中δx为X轴的误差，δy为Y轴的误差，δz为Z轴的误差；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角；ω为反射镜旋转角度。
步骤S4具体包括：
S41利用公式IV计算斜45°激光雷达的扫描断面
Figure 576240DEST_PATH_IMAGE024
IV
其中
Figure 989904DEST_PATH_IMAGE010
为激光测距所得到的距离，
Figure 873546DEST_PATH_IMAGE012
为出射激光的方向向量。
在理想状态下，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
在实际生产过程中，加工误差和装配误差将引起入射方向向量和反射镜面的法向量出现误差，导致实际的扫描脚点出现与理论计算不一致，因此，需要从激光雷达成像原理上对入射方向向量误差和反射镜面误差进行补偿，进而得到准确的扫描点计算结果。因此需要将上述计算得到的入射误差角以及反射误差角带入上述公式中。
S42利用公式V和VI计算出射激光的方向向量
Figure DEST_PATH_IMAGE027
V
Figure 141061DEST_PATH_IMAGE016
VI
其中，α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角；ω为反射镜旋转角度。
通过上述补偿后，使得实际扫描与理论计算结果一致。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于包括：
获取4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标；
利用靶标Z轴坐标计算入射激光误差角度；
利用入射激光误差角度计算入射误差，并利用入射误差计算反射误差角度；
利用入射激光误差角度和反射误差角度计算纠偏后的斜45°激光雷达的扫描断面。
2.根据权利要求1所述的一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于所述获取4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标包括：
将斜45°激光雷达水平悬空架设；
在斜45°激光雷达扫描视场范围内设置4组或者4组以上的靶标，并且靶标不在斜45°激光雷达的扫描断面上；
调整靶标高度，当斜45°激光雷达的扫描数据中出现该靶标的扫描点时记录该靶标的对地高度；
将靶标的坐标转移到斜45°激光雷达的坐标系中。
3.根据权利要求2所述的一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于：所述靶标利用竖直设置的可伸缩的立杆进行支撑，通过调节立杆的长度调节靶标的高度。
4.根据权利要求1所述的一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于所述利用靶标Z轴坐标计算入射激光误差角度包括：
入射激光的误差利用公式I进行计算
Figure 885330DEST_PATH_IMAGE002
I
其中δx为X轴的误差，δy为Y轴的误差，δz为Z轴的误差；α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；ω为反射镜旋转角度；
利用公式II表述Z轴的误差
Figure 975645DEST_PATH_IMAGE004
II
其中ω为反射镜旋转角度；
利用4组或者4组以上靶标在斜45°激光雷达的坐标系中的坐标求解出常数a、b、c；
利用a、b、c求解入射激光误差角度α、β。
5.根据权利要求4所述的一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于利用最小二乘法求解常数a、b、c。
6.根据权利要求1所述的一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于利用入射激光误差角度计算入射误差，并利用入射误差计算反射误差角度包括：
将入射激光误差角度α、β带入公式I中计算入射误差；
取X轴和Y轴的误差值带入公式III求解出反射误差角度θ、γ；
Figure 219545DEST_PATH_IMAGE006
III
其中，其中δx为X轴的误差，δy为Y轴的误差，δz为Z轴的误差；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角；ω为反射镜旋转角度。
7.根据权利要求1所述的一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于所述利用入射激光误差角度和反射误差角度计算纠偏后的斜45°激光雷达的扫描断面包括：
利用公式IV计算斜45°激光雷达的扫描断面
Figure 268272DEST_PATH_IMAGE008
IV
其中
Figure 964833DEST_PATH_IMAGE010
为激光测距所得到的距离，
Figure 858840DEST_PATH_IMAGE012
为出射激光的方向向量。
8.根据权利要求7所述的一种斜45°激光雷达扫描光路误差补偿方法，其特征在于
利用公式V和VI计算出射激光的方向向量
Figure 426087DEST_PATH_IMAGE014
V
Figure 317820DEST_PATH_IMAGE016
VI
其中，α为入射激光与Z轴的夹角，β为入射激光与X轴的夹角；θ为反射平面与X轴的夹角，γ为反射平面与Y轴的夹角；ω为反射镜旋转角度。
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