CN114162169A - 惯性及激光扫描仪联合在线标定方法 - Google Patents

惯性及激光扫描仪联合在线标定方法 Download PDF

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CN114162169A CN202111262152.5A CN202111262152A CN114162169A CN 114162169 A CN114162169 A CN 114162169A CN 202111262152 A CN202111262152 A CN 202111262152A CN 114162169 A CN114162169 A CN 114162169A
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Abstract

本发明提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，该方法包括：制作并获取标准轨道模型的标准廓形；将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于两自由度摇摆台的台面上；对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息；基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调；标定粗调完成后，对惯性及激光扫描仪进行标定精调以完成对航向安装角及俯仰安装角的标定。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中多个激光器的坐标系不统一所导致的难以对惯导和激光器之间的安装关系进行标定的技术问题。

Description

惯性及激光扫描仪联合在线标定方法
技术领域
本发明涉及惯性轨道检测技术领域，尤其涉及一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法。
背景技术
非接触式轨道检测系统利用激光扫描仪对轨道廓形进行测量，从点云图像中提取轨道廓形，并计算廓形中包含的轨顶、扣件、磨耗等轨道质量参数。但激光图像本身不包含位姿信息，多个激光器的坐标系也不统一，因此难以实现对惯导和激光器之间的安装关系的标定。
发明内容
本发明提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，能够解决现有技术中多个激光器的坐标系不统一所导致的难以对惯导和激光器之间的安装关系进行标定的技术问题。
本发明提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，惯性及激光扫描仪联合在线标定方法包括：制作标准轨道模型，获取标准轨道模型的标准廓形；将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于两自由度摇摆台的台面上；对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息；基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调；标定粗调完成后，在激光测量点云上选取轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据；分别对轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据进行拟合；以拟合后的轨顶部1：20直线与标准廓形直线间的夹角为旋转角，轨腰处R20圆区域的圆心与标准廓形R20圆心之间的距离矢量为平移量，基于旋转角和平移量计算获取精调变换矩阵；根据标定粗调结果以及精调变换矩阵完成对横滚安装角的标定；将两自由度摇摆台沿轨检梁的X轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的航向角变化值即为激光扫描器的航向偏角，基于激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定；将两自由度摇摆台沿轨检梁的Z轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的俯仰角变化值即为激光扫描器的俯仰偏角，基于激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定。
进一步地，基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调具体包括：采用迭代最近邻算法，分别将各个激光扫描器的测量点云与标准廓形点云相匹配；根据相匹配的激光扫描器的测量点云以及标准廓形点云计算获取粗调变换矩阵；调整粗调变换矩阵以使粗调误差函数取得极小值，记录各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角，根据各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角计算获取标定粗调结果。
进一步地，粗调变换矩阵Tcoarse可根据
Figure BDA0003325824700000031
来获取，粗调误差函数J(T)可根据
Figure BDA0003325824700000032
来获取，其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，rij为旋转矩阵R中的各项元素，i＝1,2,3，j＝1,2,3；x、y、z为平移向量t中的各项元素，pi∈P，pi为标准廓形点云P中的点集，qi∈Q，qi为激光测量点云Q中与点集pi相对应的点集。
进一步地，精调变换矩阵可根据
Figure BDA0003325824700000033
来获取，其中，ΔR为由旋转角构成的旋转矩阵的增量，Δt为由平移量构成的平移向量的增量分别表示分别旋转矩阵和平移向量的增量，Tfine,k为k时刻的精调变换矩阵，Tfine,k+1为k+1时刻的精调变换矩阵，ΔTk为采样时间，Rk为激光扫描仪与惯导之间的姿态转换矩阵，tk为激光扫描仪与惯导之间的平移矩阵，Δt为平移矩阵的调整量。
进一步地，惯性及激光扫描仪联合在线标定方法根据
Figure BDA0003325824700000034
完成对横滚安装角的标定，其中，
Figure BDA0003325824700000035
为k+1时刻的横滚安装角，
Figure BDA0003325824700000036
为，
Figure BDA0003325824700000037
为粗调后的k时刻的横滚安装角。
进一步地，Hausdorff距离可根据H(A,B)＝max[h(A,B),h(B,A)]来获取，其中，
Figure BDA0003325824700000038
A为测量点云，B为标准点云，a为点云A中的点，b为点云B中的点。
进一步地，基于激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定具体包括：基于激光扫描器的航向偏角以及惯性导航系统输出的航向角计算获取航向角误差；对航向角误差进行补偿以完成对航向安装角的标定。
进一步地，基于激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定具体包括：基于激光扫描器的俯仰偏角以及惯性导航系统输出的俯仰角计算获取俯仰角误差；对俯仰角误差进行补偿以完成对俯仰安装角的标定。
进一步地，航向角误差和俯仰角误差可根据
Figure BDA0003325824700000041
计算获取，其中，θk为俯仰角误差，αθ为激光扫描器的俯仰偏角，θ为惯性导航系统输出的俯仰角，ψk为航向角误差，αψ为激光扫描器的航向偏角，ψ为惯性导航系统输出的航向角。
进一步地，航向角误差和俯仰角误差可根据
Figure BDA0003325824700000042
进行误差标定，其中，
Figure BDA0003325824700000043
为补偿后的第i个点云的侧向坐标，
Figure BDA0003325824700000044
为补偿后的第i个点云的侧向坐标测量值，
Figure BDA0003325824700000045
为补偿后的第i个点云的垂向坐标，
Figure BDA0003325824700000046
为第i个点云的垂向坐标测量值。
应用本发明的技术方案，提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，该方法在惯导系统对准完成后，首先进行标定粗调以将各个激光扫描器输出廓形大致调整至与标准廓形重合，由于粗调后轨检梁存在俯仰角以及轨检梁航向角与轨道方向不重合，因此粗调后各激光器与惯导之间仍存在误差；基于此，对惯性及激光扫描仪进行精调；基于精调变化矩阵，由于轨道廓形点云可以使用参数进行准确描述，基于此可以避开优化过程中的极值陷阱，获得更准确的匹配结果，由此实现对横滚安装角、航向安装角以及俯仰安装角的标定。本发明所提供的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法与现有技术相比，其通过惯导系统提供同步的位置和姿态数据，将激光点云数据转换到统一的测量坐标系下，利用两自由度摇摆台和标准轨道模型实现惯性及激光扫描仪出厂前标定，利用该方法能够实现多激光器与惯导系统之间安装误差的精确标定。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的激光标定装置的结构示意图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的曲线参数拟合配准示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、轨检梁；20、两自由度摇摆台；30、标准轨道模型。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，该惯性及激光扫描仪联合在线标定方法包括：制作标准轨道模型，获取标准轨道模型的标准廓形；将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于两自由度摇摆台的台面上；对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息；基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调；标定粗调完成后，在激光测量点云上选取轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据；分别对轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据进行拟合；以拟合后的轨顶部1：20直线与标准廓形直线间的夹角为旋转角，轨腰处R20圆区域的圆心与标准廓形R20圆心之间的距离矢量为平移量，基于旋转角和平移量计算获取精调变换矩阵；根据标定粗调结果以及精调变换矩阵完成对横滚安装角的标定；将两自由度摇摆台沿轨检梁的X轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的航向角变化值即为激光扫描器的航向偏角，基于激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定；将两自由度摇摆台沿轨检梁的Z轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的俯仰角变化值即为激光扫描器的俯仰偏角，基于激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定。
应用此种配置方式，提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，该方法在惯导系统对准完成后，首先进行标定粗调以将各个激光扫描器输出廓形大致调整至与标准廓形重合，由于粗调后轨检梁存在俯仰角以及轨检梁航向角与轨道方向不重合，因此粗调后各激光器与惯导之间仍存在误差；基于此，对惯性及激光扫描仪进行精调；基于精调变化矩阵，由于轨道廓形点云可以使用参数进行准确描述，基于此可以避开优化过程中的极值陷阱，获得更准确的匹配结果，由此实现对横滚安装角、航向安装角以及俯仰安装角的标定。本发明所提供的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法与现有技术相比，其通过惯导系统提供同步的位置和姿态数据，将激光点云数据转换到统一的测量坐标系下，利用两自由度摇摆台和标准轨道模型实现惯性及激光扫描仪出厂前标定，利用该方法能够实现多激光器与惯导系统之间安装误差的精确标定。
具体地，在本发明中，激光标定装置组成如图1所示。两自由度摇摆台分别可以沿轨检梁10的X轴和Z轴旋转，角度精度不低于30″。标准轨道模型30位于两自由度摇摆台20的两侧，平行铺设，轨道超高为0。轨检梁坐标系(m系)定义为：Y轴指向轨检梁运行前进方向，Z轴垂直于Y轴指向轨检梁上方，X轴与Y、Z轴构成右手坐标系。
为了实现对惯性及激光扫描仪联合在线标定，首先需要制作标准轨道模型，获取标准轨道模型的标准廓形。具体地，标准轨道模型按照GB2858-2007标准制作，模型精度需要优于激光扫描仪测量精度一个数量级以上。
标准轨道模型制作完成后，即可将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于两自由度摇摆台的台面上，摆放位置与两轨道尽量垂直。
进一步地，在完成了轨检梁在两自由度摇摆台上的放置之后，即可对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息。
惯性导航系统对准完成后，首先进行标定粗调。基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调。在本发明中，基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调具体包括：采用迭代最近邻算法，分别将各个激光扫描器的测量点云与标准廓形点云相匹配；根据相匹配的激光扫描器的测量点云以及标准廓形点云计算获取粗调变换矩阵；调整粗调变换矩阵以使粗调误差函数取得极小值，记录各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角，根据各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角计算获取标定粗调结果。
作为本发明的一个具体实施例，采用基于ICP(迭代最近邻)算法，分别将各个激光扫描器的测量点云与标准廓形点云进行匹配。在标准廓形点云P中取点集pi∈P，找出激光测量点云Q中的对应点集qi∈Q；计算粗调变化矩阵Tcoarse，粗调变换矩阵Tcoarse可根据
Figure BDA0003325824700000091
来获取，粗调误差函数J(T)可根据
Figure BDA0003325824700000092
来获取，其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，rij为旋转矩阵R中的各项元素，i＝1,2,3，j＝1,2,3；x、y、z为平移向量t中的各项元素，pi∈P，pi为标准廓形点云P中的点集，qi∈Q，qi为激光测量点云Q中与点集pi相对应的点集。调整粗调变换矩阵以使粗调误差函数取得极小值，此时记录各个激光扫描器点云的旋转角度
Figure BDA0003325824700000093
和惯导系统输出的横滚角γ，激光器安装横滚角
Figure BDA0003325824700000094
从粗调变换矩阵Tcoarse中提取，
Figure BDA0003325824700000095
Figure BDA0003325824700000096
为则各个激光扫描器与惯导之间横滚角安装误差粗调结果为
Figure BDA0003325824700000097
标定粗调完成之后，接下来进行标定精调。粗调后各激光器与惯导之间仍存在误差，产生误差的主要因素有：1)轨检梁存在俯仰角，造成激光扫描器XOY平面与水平面不平行，在轨道廓形上产生垂直方向的仿射变换失真；2)轨检梁航向角与轨道方向不重合，在轨道廓形上产生水平方向的仿射变换失真。轨检梁俯仰角和航向角误差会偶合在一起，但在一般情况下这两个角度都属于小角度，因此可以近似线性化解耦。ICP(迭代最近邻)配准方法以全局误差最小为优化目标，当存在仿射变换失真时，由于损失函数的非凸性，可能会无法收敛到真值的情况。轨道廓形点云可以使用参数进行准确描述，利用这一点，可以避开优化过程中的极值陷阱，获得更准确的匹配结果，计算方法如下。
在经过初步旋转后的激光测量点云上选取轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据；分别对轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据进行拟合，如图2所示。以拟合后的轨顶部1：20直线与标准廓形直线间的夹角为旋转角，轨腰处R20圆区域的圆心与标准廓形R20圆心之间的距离矢量为平移量，基于旋转角和平移量计算获取精调变换矩阵Tfine。在本发明中，精调变换矩阵Tfine可根据
Figure BDA0003325824700000101
来获取，其中，ΔR为由旋转角构成的旋转矩阵的增量，Δt为由平移量构成的平移向量的增量分别表示分别旋转矩阵和平移向量的增量，Tfine,k为k时刻的精调变换矩阵，Tfine,k+1为k+1时刻的精调变换矩阵，ΔTk为采样时间，Rk为激光扫描仪与惯导之间的姿态转换矩阵，tk为激光扫描仪与惯导之间的平移矩阵，Δt为平移矩阵的调整量。，从ΔTk中提取
Figure BDA0003325824700000102
为激光器安装横滚角调整量。根据
Figure BDA0003325824700000103
完成对横滚安装角的标定，其中，
Figure BDA0003325824700000104
为k+1时刻的横滚安装角，
Figure BDA0003325824700000105
为，
Figure BDA0003325824700000106
为粗调后的k时刻的横滚安装角。
记着，将两自由度摇摆台沿轨检梁的X轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的航向角变化值即为激光扫描器的航向偏角
Figure BDA0003325824700000111
基于激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定；将两自由度摇摆台沿轨检梁的Z轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的俯仰角变化值即为激光扫描器的俯仰偏角
Figure BDA0003325824700000112
基于激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定。其中，Hausdorff距离可根据H(A,B)＝max[h(A,B),h(B,A)]来获取，其中，
Figure BDA0003325824700000113
A为测量点云，B为标准点云，a为测量点云A中的点，b为标准点云B中的点。
具体地，在本发明中，基于激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定具体包括：基于激光扫描器的航向偏角以及惯性导航系统输出的航向角计算获取航向角误差；对航向角误差进行补偿以完成对航向安装角的标定。基于激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定具体包括：基于激光扫描器的俯仰偏角以及惯性导航系统输出的俯仰角计算获取俯仰角误差；对俯仰角误差进行补偿以完成对俯仰安装角的标定。
其中，航向角误差和俯仰角误差可根据
Figure BDA0003325824700000114
计算获取，其中，θk为俯仰角误差，αθ为激光扫描器的俯仰偏角，θ为惯性导航系统输出的俯仰角，ψk为航向角误差，αψ为激光扫描器的航向偏角，ψ为惯性导航系统输出的航向角。航向角误差和俯仰角误差可根据
Figure BDA0003325824700000115
进行误差标定，其中，
Figure BDA0003325824700000116
为补偿后的第i个点云的侧向坐标，
Figure BDA0003325824700000117
为补偿后的第i个点云的侧向坐标测量值，
Figure BDA0003325824700000118
为补偿后的第i个点云的垂向坐标，
Figure BDA0003325824700000121
为第i个点云的垂向坐标测量值。其中，测量值是转换前的值，直接从激光测距机中读取的。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1和图2对本发明所提供的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法进行详细说明。
如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，该方法具体包括如下步骤。
制作标准轨道模型，获取标准轨道模型的标准廓形。标准轨道模型按照GB2858-2007标准制作，模型精度需要优于激光扫描仪测量精度一个数量级以上。
将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于两自由度摇摆台的台面上，摆放位置与两轨道尽量垂直。
对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息。
基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调。采用迭代最近邻算法，分别将各个激光扫描器的测量点云与标准廓形点云相匹配；根据相匹配的激光扫描器的测量点云以及标准廓形点云计算获取粗调变换矩阵；调整粗调变换矩阵以使粗调误差函数取得极小值，记录各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角，根据各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角计算获取标定粗调结果。
标定粗调完成后，在激光测量点云上选取轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据；分别对轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据进行拟合。
以拟合后的轨顶部1：20直线与标准廓形直线间的夹角为旋转角，轨腰处R20圆区域的圆心与标准廓形R20圆心之间的距离矢量为平移量，基于旋转角和平移量计算获取精调变换矩阵。
根据标定粗调结果以及精调变换矩阵完成对横滚安装角的标定。在本实施例中，各个激光扫描器与惯导之间横滚角安装误差粗调结果为
Figure BDA0003325824700000131
将两自由度摇摆台沿轨检梁的X轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的航向角变化值即为激光扫描器的航向偏角，基于激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定。
将两自由度摇摆台沿轨检梁的Z轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的俯仰角变化值即为激光扫描器的俯仰偏角，基于激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定。由此，即完成了惯性及激光扫描仪联合在线标定方法。
综上所述，本发明提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，该方法在惯导系统对准完成后，首先进行标定粗调以将各个激光扫描器输出廓形大致调整至与标准廓形重合，由于粗调后轨检梁存在俯仰角以及轨检梁航向角与轨道方向不重合，因此粗调后各激光器与惯导之间仍存在误差；基于此，对惯性及激光扫描仪进行精调；基于精调变化矩阵，由于轨道廓形点云可以使用参数进行准确描述，基于此可以避开优化过程中的极值陷阱，获得更准确的匹配结果，由此实现对横滚安装角、航向安装角以及俯仰安装角的标定。本发明所提供的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法与现有技术相比，其通过惯导系统提供同步的位置和姿态数据，将激光点云数据转换到统一的测量坐标系下，利用两自由度摇摆台和标准轨道模型实现惯性及激光扫描仪出厂前标定，利用该方法能够实现多激光器与惯导系统之间安装误差的精确标定。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，所述惯性及激光扫描仪联合在线标定方法包括：
制作标准轨道模型，获取标准轨道模型的标准廓形；
将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于所述两自由度摇摆台的台面上；
对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息；
基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调；
标定粗调完成后，在激光测量点云上选取轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据；
分别对所述轨腰处R20圆区域数据和所述轨顶部1：20直线区域数据进行拟合；
以拟合后的所述轨顶部1：20直线与标准廓形直线间的夹角为旋转角，所述轨腰处R20圆区域的圆心与标准廓形R20圆心之间的距离矢量为平移量，基于所述旋转角和所述平移量计算获取精调变换矩阵；
根据标定粗调结果以及所述精调变换矩阵完成对横滚安装角的标定；
将所述两自由度摇摆台沿所述轨检梁的X轴转动，持续计算所述精调变换矩阵，基于所述精调变化矩阵记录所述轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当所述轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的航向角变化值即为所述激光扫描器的航向偏角，基于所述激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定；将所述两自由度摇摆台沿所述轨检梁的Z轴转动，持续计算所述精调变换矩阵，基于所述精调变化矩阵记录所述轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当所述轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的俯仰角变化值即为所述激光扫描器的俯仰偏角，基于所述激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定。
2.根据权利要求1所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调具体包括：采用迭代最近邻算法，分别将各个激光扫描器的测量点云与标准廓形点云相匹配；根据相匹配的激光扫描器的测量点云以及标准廓形点云计算获取粗调变换矩阵；调整所述粗调变换矩阵以使粗调误差函数取得极小值，记录各个所述激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角，根据各个所述激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角计算获取标定粗调结果。
3.根据权利要求2所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，所述粗调变换矩阵Tcoarse可根据
Figure FDA0003325824690000021
来获取，所述粗调误差函数J(T)可根据
Figure FDA0003325824690000022
来获取，其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，rij为旋转矩阵R中的各项元素，i＝1,2,3，j＝1,2,3；x、y、z为平移向量t中的各项元素，pi∈P，pi为标准廓形点云P中的点集，qi∈Q，qi为激光测量点云Q中与点集pi相对应的点集。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，所述精调变换矩阵可根据
Figure FDA0003325824690000031
来获取，其中，ΔR为由旋转角构成的旋转矩阵的增量，Δt为由平移量构成的平移向量的增量分别表示分别旋转矩阵和平移向量的增量，Tfine,k为k时刻的精调变换矩阵，Tfine,k+1为k+1时刻的精调变换矩阵，ΔTk为采样时间，Rk为激光扫描仪与惯导之间的姿态转换矩阵，tk为激光扫描仪与惯导之间的平移矩阵，Δt为平移矩阵的调整量。
5.根据权利要求4所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，所述惯性及激光扫描仪联合在线标定方法根据γk+1＝Δαγ+γk，完成对横滚安装角的标定，其中，γk+1为k+1时刻的横滚安装角，Δαγ为，γk为粗调后的k时刻的横滚安装角。
6.根据权利要求5所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，所述Hausdorff距离可根据H(A,B)＝max[h(A,B),h(B,A)]来获取，其中，
Figure FDA0003325824690000032
A为测量点云，B为标准点云，a为测量点云A中的点，b为标准点云B中的点。
7.根据权利要求6所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，基于所述激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定具体包括：基于所述激光扫描器的航向偏角以及所述惯性导航系统输出的航向角计算获取航向角误差；对所述航向角误差进行补偿以完成对航向安装角的标定。
8.根据权利要求7所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，基于所述激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定具体包括：基于所述激光扫描器的俯仰偏角以及所述惯性导航系统输出的俯仰角计算获取俯仰角误差；对所述俯仰角误差进行补偿以完成对俯仰安装角的标定。
9.根据权利要求8所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，所述航向角误差和所述俯仰角误差可根据
Figure FDA0003325824690000041
计算获取，其中，θk为俯仰角误差，αθ为所述激光扫描器的俯仰偏角，θ为所述惯性导航系统输出的俯仰角，ψk为航向角误差，αψ为所述激光扫描器的航向偏角，ψ为所述惯性导航系统输出的航向角。
10.根据权利要求9所述的惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，其特征在于，所述航向角误差和所述俯仰角误差可根据
Figure FDA0003325824690000042
进行误差标定，其中，
Figure FDA0003325824690000043
为补偿后的第i个点云的侧向坐标，
Figure FDA0003325824690000044
为补偿后的第i个点云的侧向坐标测量值，
Figure FDA0003325824690000045
为补偿后的第i个点云的垂向坐标，
Figure FDA0003325824690000046
为第i个点云的垂向坐标测量值。
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