CN114509769A - 激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及接触网高精度测量技术领域，尤其涉及激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置及其方法，该系统包括主体和智能控制组件，所述主体两端连接有行走组件，所述主体上设置有彼此电连接的激光雷达、激光测速仪、电机，所述智能控制组件包括彼此电连接的远程控制模块、定位模块、跟踪模块、触发模块、精调模块以及测量模块，本申请解决了现有技术中无法高精度且高效率的完成测量的问题。

Description

激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及接触网高精度测量技术领域，尤其涉及激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置及其方法。

背景技术

目前对接触网的测量工作中，单线或多线激光雷达能高速获取大量点云，每秒几万甚至上百万个点的坐标信息数据，但是这些点的坐标往往在长度或角度上存在着较大的误差，而即使是使用精度较高的激光雷达也会存在长度和角度误差较大的问题。另一方面，即使单使用误差稳定性较好的激光雷达也无法达到±2mm或±1mm的精度，但是用激光测距仪虽然能够达到，但是其仅限于人工单点测量导致效率较差。

本发明实现一套装置，通过激光雷达与激光测距仪交互，通过激光雷达目标识别，电机控制激光测距角度及目标跟踪，触发高精度测量，将测量结果与激光雷达结果进行比对算法，提升激光雷达算法精度。

发明内容

本发明的目的在于提供激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置及其方法，解决现有技术中无法高精度且高效率的完成测量的问题。

本发明的目的通过以下述技术方案来实现，激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，包括主体和智能控制组件，所述主体两端连接有行走组件，所述主体上设置有彼此电连接的激光雷达、激光测速仪、电机，所述智能控制组件包括彼此电连接的远程控制模块、定位模块、跟踪模块、触发模块、精调模块以及测量模块。

需要说明的是，通过激光测距仪和激光雷达之间交互且从双重测量，保证测量的准确性。

所述激光雷达与所述激光测速仪间隔设置，所述电机与所述激光雷达相连。

需要说明的是，根据激光雷达获取大量的点云进行接触线寻找，能够提高对不同环境下轨道线路适应性，使本装置不仅能适应隧道、站场等复杂路段，而且白天黑夜均能够作业。

所述定位模块设置于所述激光雷达内且与其电连接，所述定位模块能够实时获得、读取以及缓存所述激光雷达检测到的点云数据，并且计算分析得到接触线的局部方程。

需要说明的是，通过定位模块实现点的获得、读取以及缓存，保证数据的完整性。

所述定位模块对所缓存的点云数据进行高斯滤波去除噪点，通过RANSAC求出直线方程。

需要说明的是，通过去除噪点实现点的高效运用以及储存。

所述跟踪模块位于所述激光测距仪内且与其电连接，所述定位模块将所述点云数据和所述方程传送给所述跟踪模块，所述跟踪模块通过所述方程将接触线上点云坐标从所述激光雷达坐标系换算成所述激光测距仪的坐标系，所述远程控制模块发送信号控制所述激光测距仪测量并获得测量结果。

需要说明的是，通过激光雷达与激光测距仪模块的交互工作，实现自动寻找待测目标并进行测量的工作，提高整个装置的自动化和智能化。

所述远程控制模块通过控制所述电机转动，所述电机转动带动所述激光测距仪转动。

需要说明的是，通过电机带动激光测距仪转动，最大可能的减小测量过程中角度的误差，再通过跟踪模块实时调整电机的角度，使激光测距仪能够快速瞄准待测接触线并且进行测量，具有高效性与实时性。

所述激光测距仪内还设置有触发模块，所述触发模块能够通过第一触发信号或第二触发信号控制其启动，所述第一触发信号在检测识别到接触线上的指定点后发出，第二触发信号在主体行走指定距离后发出。

需要说明的是，多种选择方式启动测量工作，提高激光测距仪的适用性。

所述激光测距仪内还设置有测量模块，所述测量模块被设置用于测量所述主体在移动过程中里程信息并且将该信息进行储存。

需要说明的是，通过测量模块实现对点的精准测量以及数据的保存。

所述行走组件内设置有所述精调模块和自动行走构件，所述自动行走构件移动指定距离后触发所述激光测距仪进行测量并储存测量数据。

需要说明的是，通过自动行走构件使整个装置能够自动的行走，实现无人操作，节省劳动力。

本申请还提供一种激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量方法，其包括以下步骤：

S1,所述定位模块对每一帧点云数据f，点的x坐标对应拉出值，为偏离轨道左右位置；y坐标对应为导高，为离火车轨面的高度位置；z为里程计数据，表示沿轨道的行进距离；

S2，通过滤波得到符合接触线范围的所有点，并选取y坐标最低点做为接触线候选点；

S3,将连续多帧候选点组成点云缓存队列，记为f_k,f_k+1,...f_n，每帧存在一个或多个点，每帧点的里程即z坐标都一样，缓存帧序列的依据是z(f_n)-z(f_k)大于等于某个阈值L；

S4,滑动窗口内的点，统计x,y的方差δ、均值，x或y值与均值距离超出max(2.5*δ,off)的点需要滤除掉；

S5,随机选取特定间隔的两帧，取两帧中最低点，做直线方程；滑动窗口内所有点与该直线方程进行距离判断，小于阈值D的点，为直线内点，内点与所有点的比例满足某个阈值就停止，否则持续随机取点若干次，取最多内点数的直线方程，对所有内点采用最小二乘法，精调直线方程，记计算出的直线方程为LE(line equal)；

S6,新的雷达帧数据，经过S2处理后，直接判断点到LE直线的距离，符合阈值则为内点，追加到缓存队列中，当累计新加入的帧的里程超过某个阈值S时，重复S4,S5两步，更新LE。LE为所述定位模块所求，指导所述追踪模块以及所述激光测距仪瞄准角度；

S7,所述追踪模块解算所述激光测距仪的方位，所述激光雷达与所述激光测距仪的安装位置固定，形成设备内参，所述激光雷达坐标系下，根据内参位置知道激光测距仪及旋转轴所在的平面(Laser Panel)方程，根据直线方程与平面方程，求出交点；

S8,将交点转换到所述激光测距仪坐标系下，换算成极坐标，得到控制所述激光测距仪的旋转角度，从而实现对接触线的追踪及瞄准；

S9,所述触发模块采用识别算法识别出吊弦及定位点，或离上次测距里程超出Dmm时，发出所述激光测距仪测量的命令，获取高精度测量数据，反转换到激光雷达坐标系下，记录测量的数据；

S10,对于增加所述自动行走构件的主体，当所述激光雷达实时测量出关键点，将Laser Panel平移至关键点，计算出所述激光测距仪沿轨道的平移距离，控制电机，使所述主体移动到制定的位置，触发所述激光测距仪进行测量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：通过激光雷达与激光测距仪之间交互的工作方式实现高精度的测量，并且将激光测速仪测量结果与激光雷达结果进行比对算法，最后实现对激光雷达算法精度的有效提升。

附图说明

图1是本发明的结构示意图之一；

图2是本发明的结构示意图之二。

图例说明：1-主体；2-激光雷达；3-激光测距仪；4-电机。

具体实施方式

请一并参考说明附图1-2，本实施例提供了激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，该激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置主要用于解决现有技术无法高精度且高效率的完成测量的问题，该激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置已经处于实际使用阶段。

本申请通过以下实施例进行，激光雷达2与测距仪交互的高精度自动测量装置，包括主体1和智能控制组件，所述主体1两端连接有行走组件，所述主体1上设置有彼此电连接的激光雷达2、激光测速仪、电机4，所述智能控制组件包括彼此电连接的远程控制模块、定位模块、跟踪模块、触发模块、精调模块以及测量模块。

需要说明的是，本申请通过激光雷达2与激光测距仪3之间交互的工作方式，通过设置的激光雷实现对目标的识别，再通过电机4控制激光测距仪3的角度实现对目标的跟踪，进而实现高精度的测量，并且将测量结果与激光雷达2结果进行比对算法，最后实现对激光雷达2算法精度的有效提升，解决现有技术中无法高精度且高效率的完成测量的问题。

所述激光雷达2与所述激光测速仪间隔设置，所述电机4与所述激光雷达2相连。

需要说明的是，通过电机4实现对激光雷达2角度的控制，保证其测量数据角度的准确性。

所述定位模块设置于所述激光雷达2内且与其电连接，所述定位模块能够实时获得、读取以及缓存所述激光雷达2检测到的点云数据，并且计算分析得到接触线的局部方程。

需要说明的是，本申请通过激光雷达2实时获取接触线的每帧点云数据，并且查找拉出值±400内符合高度范围的一个或多个连续的点云数据，并以特定大小的缓存队列缓存这些数据，再通过对这些数据进行分析与计算，最后得到接触线的局部方程。

所述定位模块对所缓存的点云数据进行高斯滤波去除噪点，通过RANSAC求出直线方程。

需要说明的是，在通过收集到的点云数据进行方程的分析前，要对缓存数据进行高斯滤波去除噪点，并以RANSAC求出直线方程，保证所得到的方程的准确性。详细的，持续上述分析得到方程的过程，但基于局部方程可以更快对新的点进行判断，判断该新的点是否属于接触线上点，进而实时的更新缓存队列，当检测收集到的新的点累计达到制定量之后，则更新直线方程，相当于一定步长的滑动窗口，对窗口中的点云进行直线方程求解；同时可以对接触线走势进行预判。

所述跟踪模块位于所述激光测距仪3内且与其电连接，所述定位模块将所述点云数据和所述方程传送给所述跟踪模块，所述跟踪模块通过所述方程将接触线上点云坐标从所述激光雷达2坐标系换算成所述激光测距仪3的坐标系，所述远程控制模块发送信号控制所述激光测距仪3测量并获得测量结果。

需要说明的是，基于上述预判得到的方程，将接触线上的点云坐标从激光雷达2坐标系换算成激光测距仪3的坐标系，然后控制激光测距仪3，使其对接触网上的点进行二次测量，得到又一组数据，通过多组数据的对比分析，核对、确定并提高测量的精度。

所述远程控制模块通过控制所述电机4转动，所述电机4转动带动所述激光测距仪3转动。

需要说明的是，为保证激光测距仪3测量过程中角度的准确性，通过远程控制模块控制电机4带动激光测距仪3旋转到制定的位置，并且发出命令使触发激光测距仪3进行接触网的测量。

所述激光测距仪3内还设置有触发模块，所述触发模块能够通过第一触发信号或第二触发信号控制其启动，所述第一触发信号在检测识别到接触线上的指定点后发出，第二触发信号在主体1行走指定距离后发出。

需要说明的是，激光测距仪3的测量操作可以通过两种不同的方式被启动，第一触发信号属于特征点或者目标点，是基于整个装置进行接触线上关键点进行判断，具体是吊弦及定位点识别算法得出关键位置信息后立即触发激光测距仪3开始测距；第二触发信号属于距离信号，是当整个装置行走制定的间隔距离后即触发激光测距仪3开始测距。

所述激光测距仪3内还设置有测量模块，所述测量模块被设置用于测量所述主体1在移动过程中里程信息并且将该信息进行储存。

需要说明的是，测量模块主要用于测量以及测量过程中所有数据的分析与保存。

所述行走组件内设置有所述精调模块和自动行走构件，所述自动行走构件移动指定距离后触发所述激光测距仪3进行测量并储存测量数据。

需要说明的是，通过设置的自动行走构件，实现整个装置的自动前行，减少人力资源的投入，实现智能、自动化以及节约人力物力财力的高效作业。

请参考图2，本申请还提供一种激光雷达2与测距仪交互的高精度自动测量方法，包括以下步骤，

S1,定位模块对每一帧点云数据f，点的x坐标对应拉出值，即偏离轨道左右位置；y坐标对应为导高，为离火车轨面的高度位置；z为里程计数据，表示沿轨道的行进距离。

S2，通过滤波得到符合接触线范围的所有点，由于可能存在多组，故选取y坐标最低点做为接触线候选点。

S3,将连续多帧候选点组成点云缓存队列，记为fk,fk+1,...fn，每帧存在一个或多个点，每帧点的里程即z坐标都一样；缓存帧序列的依据是z(fn)-z(fk)大于等于某个阈值L,L近似为接触线局部的直线长度，L也决定了滑动窗口大小。

S4,滑动窗口内的点，统计x,y的方差δ、均值，x或y值超出均值，取max(2.5*δ,off)的点，需要滤除掉,这里的off参数是防止当x、y统一性很好时，方差太小而对点云过度滤除。

S5,随机选取一定间隔的两帧，取两帧中最低点，做直线方程；滑动窗口内所有点与该直线方程进行距离判断，小于阈值D的点，为直线内点。内点与所有点的比例满足某个阈值，就停止。否则持续随机取点若干次，取最多内点数的直线方程。对所有内点，采用最小二乘法，精调直线方程，记计算出的直线方程为LE(line equal)。

S6,新的雷达帧数据，经过上述S2处理后，直接判断点到LE直线的距离，符合阈值则为内点，追加到缓存队列中。当累计新加入的帧的里程超过某个阈值S时，重复S4,S5两步，更新LE。LE为定位模块所求，指导追踪模块中的激光测距仪3瞄准角度。

S7,追踪模块解算激光测距仪3的方位，激光雷达2与激光测距仪3的安装位置固定，形成设备内参。激光雷达2坐标系下，根据内参位置知道激光测距仪3及旋转轴所在的平面(Laser Panel)方程。根据直线方程与平面方程，求出交点，如图2示意，为B点。后面该平面简称Laser Panel

S8,将交点转换到激光测距仪3坐标系下，换算成极坐标，如图2所示，为B点在ECG平面内的极坐标，得到控制激光测距仪3的旋转角度，从而实现对接触线的追踪及瞄准。

S9,触发模块采用识别算法识别出吊弦及定位点，或离上次测距里程超出Dmm时，发出激光测距测量命令，获取高精度测量数据，反转换到激光雷达2坐标系下，记录测量的数据。

S10,对于增加自动行走构件的主体1，当下激光雷达2实时测量出吊弦或定位点等关键点，将Laser Panel平移至关键点，计算出激光测距仪3沿轨道的平移距离，从而根据里程计控制测量设备电机4，移动到对应的位置，触发测距仪测量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，包括：主体(1)和智能控制组件，所述主体(1)两端连接有行走组件，所述主体(1)上设置有彼此电连接的激光雷达(2)、激光测速仪、电机(4)，所述智能控制组件包括彼此电连接的远程控制模块、定位模块、跟踪模块、触发模块、精调模块以及测量模块；所述激光雷达(2)与所述激光测速仪间隔设置，所述电机(4)与所述激光雷达(2)相连。。

2.根据权利要求1所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，所述定位模块设置于所述激光雷达(2)内且与其电连接，所述定位模块能够实时获得、读取以及缓存所述激光雷达(2)检测到的点云数据，并且计算分析得到接触线的局部方程。

3.根据权利要求2所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，所述定位模块对所缓存的点云数据进行高斯滤波去除噪点，通过RANSAC求出直线方程。

4.根据权利要求3所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，所述跟踪模块位于所述激光测距仪(3)内且与其电连接，所述定位模块将所述点云数据和所述方程传送给所述跟踪模块，所述跟踪模块通过所述方程将接触线上点云坐标从所述激光雷达(2)坐标系换算成所述激光测距仪(3)的坐标系，所述远程控制模块发送信号控制所述激光测距仪(3)测量并获得测量结果。

5.根据权利要求4所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，所述远程控制模块通过控制所述电机(4)转动，所述电机(4)转动带动所述激光测距仪(3)转动。

6.根据权利要求4所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，所述激光测距仪(3)内还设置有触发模块，所述触发模块能够通过第一触发信号或第二触发信号控制其启动，所述第一触发信号在检测识别到接触线上的指定点后发出，第二触发信号在主体(1)行走指定距离后发出。

7.根据权利要求4所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，所述激光测距仪(3)内还设置有测量模块，所述测量模块被设置用于测量所述主体(1)在移动过程中里程信息并且将该信息进行储存。

8.根据权利要求4所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量装置，其特征在于，所述行走组件内设置有所述精调模块和自动行走构件，所述自动行走构件移动指定距离后触发所述激光测距仪(3)进行测量并储存测量数据。

9.根据权利要求1-8中任一所述的激光雷达与测距仪交互的高精度自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1,所述定位模块对每一帧点云数据f，点的x坐标对应拉出值，为偏离轨道左右位置；y坐标对应为导高，为离火车轨面的高度位置；z为里程计数据，表示沿轨道的行进距离；

S2，通过滤波得到符合接触线范围的所有点，并选取y坐标最低点做为接触线候选点；

S3,将连续多帧候选点组成点云缓存队列，记为fk,fk+1,...fn，每帧存在一个或多个点，每帧点的里程即z坐标都一样，缓存帧序列的依据是z(fn)-z(fk)大于等于某个阈值L；

S4,滑动窗口内的点，统计x,y的方差δ、均值，x或y值与均值距离超出max(2.5*δ,off)的点需要滤除掉；

S5,随机选取特定间隔的两帧，取两帧中最低点，做直线方程；滑动窗口内所有点与该直线方程进行距离判断，小于阈值D的点，为直线内点，内点与所有点的比例满足某个阈值就停止，否则持续随机取点若干次，取最多内点数的直线方程，对所有内点采用最小二乘法，精调直线方程，记计算出的直线方程为LE(line equal)；

S6,新的雷达帧数据，经过S2处理后，直接判断点到LE直线的距离，符合阈值则为内点，追加到缓存队列中，当累计新加入的帧的里程超过某个阈值S时，重复S4,S5两步，更新LE。LE为所述定位模块所求，指导所述追踪模块以及所述激光测距仪(3)瞄准角度；

S7,所述追踪模块解算所述激光测距仪(3)的方位，所述激光雷达(2)与所述激光测距仪(3)的安装位置固定，形成设备内参，所述激光雷达(2)坐标系下，根据内参位置知道激光测距仪(3)及旋转轴所在的平面(Laser Panel)方程，根据直线方程与平面方程，求出交点；

S8,将交点转换到所述激光测距仪(3)坐标系下，换算成极坐标，得到控制所述激光测距仪(3)的旋转角度，从而实现对接触线的追踪及瞄准；

S9,所述触发模块采用识别算法识别出吊弦及定位点，或离上次测距里程超出D mm时，发出所述激光测距仪(3)测量的命令，获取高精度测量数据，反转换到激光雷达(2)坐标系下，记录测量的数据；

S10,对于增加所述自动行走构件的主体(1)，当所述激光雷达(2)实时测量出关键点，将Laser Panel平移至关键点，计算出所述激光测距仪(3)沿轨道的平移距离，控制电机(4)，使所述主体(1)移动到制定的位置，触发所述激光测距仪(3)进行测量。

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