CN115290115A - 船载水陆一体化测量系统标定方法 - Google Patents

船载水陆一体化测量系统标定方法 Download PDF

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毛凌锋
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Abstract

船载水陆一体化测量系统标定方法，涉及标定方法技术领域，包括以下步骤：步骤S1：测量仪器检校；步骤S2：单体中心标定；步骤S3：单体中心点与靶标位置关系获取；步骤S4：外方位元素获取；步骤S5：精度检校；所述步骤S4包括：观测惯性导航系统单体靶标，获得惯性导航系统单体靶标的位置信息；观测三维激光扫描仪靶标，获得三维激光扫描仪靶标的位置信息；根据单体中心点与靶标位置关系与惯性导航系统单体靶标与三维激光扫描仪靶标的位置信息，建立三维激光扫描仪与惯性导航系统的坐标系，获取外方位元素。本发明解决了安装三维激光扫描仪与惯性导航系统时，两者坐标轴存在夹角和安装成本高的技术问题。

Description

船载水陆一体化测量系统标定方法
技术领域
本发明属于标定方法技术领域，尤其涉及船载水陆一体化测量系统标定方法。
背景技术
船载水陆一体化测量系统中每个传感器均具有其各自独立坐标系统，因此空间同步的精确直接决定了船载水陆一体化测量系统的最终测量精度。为了达到空间同步的效果，船载水陆一体化测量系统借助于惯性导航系统提供的直接地理参考信息，实现目标地物点从激光扫描仪坐标系最终到地心地固坐标系(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)的转换，从而将各个传感器同步采集的数据统一表达在同一坐标系下。这就要求获得激光扫描仪与惯性导航系统之间的空间位置关系，即激光扫描仪的外方位元素需要精确已知。但由于固有安装限制，二者往往无法按照图纸的设计参数精确安装，其产生的误差是影响船载水陆一体化测量系统定位精度的最为显著的因素。
三维激光扫描仪的外方位元素包括三个旋转参数与三个平移参数。当如果仅考虑外方位元素误差的存在，不考虑传感器自身与外界环境等影响，则认为船载水陆一体化测量系统获取的某一目标的点云与该目标的真实位置之间存在系统性偏差，且船载水陆一体化测量系统在不同方位对某一目标重复测量的同名点云之间也同样存在系统性偏差，三维激光扫描仪的外方位元素检校多是以此为依据进行的。
过去最传统的一种外方位元素检校方法就是利用专业的点云可视化软件，通过人工操作不断的调整外方位元素，直到船载水陆一体化测量系统在不同方位重复扫描的同名点云在视觉上重合。
传统的外方位元素检校方法在拥有专业的点云可视化软件且专业技术人员技术比较熟练的情况下可以实现，但是在缺乏专业的软件和熟练的技术人员的情况下难以实现，建设成本维护成本、操作成本高；另外由于传统的外方位元素检校方法检校效率低下且精度低，可以应用的场景比较局限，导致外业生产中实用性差；传统外方位元素检校方法主要是基于单特征的检校，检校场特征地物要求较为苛刻，且局限性较大。
发明内容
本发明目的在于提供船载水陆一体化测量系统标定方法，以解决安装三维激光扫描仪与惯性导航系统时，两者坐标轴存在夹角、成本高且局限性较大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
船载水陆一体化测量系统标定方法，包括以下步骤：
步骤S1：测量仪器检校；步骤S2：单体中心标定；步骤S3：单体中心点与靶标位置关系获取；步骤S4：外方位元素获取；步骤S5：精度检校；
所述步骤S4包括：
步骤S401：观测惯性导航系统单体靶标，获得惯性导航系统单体靶标的位置信息；
步骤S402：观测三维激光扫描仪靶标，获得三维激光扫描仪靶标的位置信息；
步骤S403：根据步骤S302获得的靶标与各单体中心点的位置关系与步骤S401和步骤S402中获得的惯性导航系统单体靶标与三维激光扫描仪靶标的位置信息，建立三维激光扫描仪与惯性导航系统的坐标系，获取外方位元素。
进一步，所述步骤S1包括：
步骤S101：确定P1和P2两点；
步骤S102：获取P1和P2两点之间的距离L；
步骤S103：使用全站仪测量P1和P2两点之间的距离；
步骤S104：对比分析结果是否超限。
进一步，所述步骤S104中是否超限的精度要求为亚毫米级。
进一步，所述步骤S2包括以下步骤：步骤S201：获取各单体的底面；步骤S202：确定各单体的特征点；步骤S203：测量特征点；步骤S204：投影各特征点；步骤S205：单体中心标定；步骤S206：对比分析结果是否超限。
进一步，所述步骤S206中是否超限的精度要求为亚毫米级。
进一步，所述步骤S3包括以下步骤：步骤S301：粘贴靶标纸；步骤S302：获取靶标纸与单体中心点的位置关系；步骤S303：确定三维激光扫描仪与惯性导航系统的中心点位置。
进一步，所述步骤S403包括以下步骤：步骤S4031：获取横摇角；步骤S4032：获取纵摇角；步骤S4033：获取艏摇角。
进一步，所述步骤S4还包括：步骤S404：纠正三维激光扫描仪与惯性导航系统之间误差。
进一步，所述步骤S5包括以下步骤：步骤S501：接收器真实半径获取；步骤S502：测量接收器半径；步骤S503：精度检校。
进一步，所述步骤S501包括：阅读仪器说明材料，获得接收器的半径。
本发明具有以下优点：本发明通过步骤S403：建立坐标系，以获取外方位元素，解决了安装三维激光扫描仪时与惯性导航系统时会产生偏移，以及水路一体化测量系统中各单体中心点难以观测的难题；避免安装三维激光扫描仪与惯性导航系统时，两者坐标轴存在夹角的问题，降低了技术人员的工作量与仪器操作难度，可以更加高效地采集河底地形与堤岸数据，并且测量设备简单易维护，操作过程简便，实用性高，操作成本低，且本方法对环境的要求低，适用性好。
本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。
附图说明
图1为本发明的技术路线流程示意图；
图2为三维激光扫描仪仪器说明书中特征点位置示意图；
图3为三维激光扫描仪仪器说明书中特征点轴系关系表；
图4为横摇误差示意图；
图5为横摇对测量点影响示意图；
图6为纵摇误差示意图；
图7为纵摇对测量点影响的示意图；
图8为艏摇误差示意图；
图9为艏摇对测量点影响的示意图；
图10为坐标计算示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
船载水陆一体化测量系统标定方法，如图1至图3所示，包括以下步骤：步骤S1：测量仪器检校；步骤S2：单体中心标定；步骤S3：单体中心点与靶标位置关系获取；步骤S4：外方位元素获取；步骤S5：精度检校；
所述步骤S4包括：步骤S401：观测惯性导航系统单体靶标，获得惯性导航系统单体靶标的位置信息；步骤S402：观测三维激光扫描仪靶标，获得三维激光扫描仪靶标的位置信息；步骤S403：根据步骤S302获得的靶标与各单体中心点的位置关系与步骤S401和步骤S402中获得的惯性导航系统单体靶标与三维激光扫描仪靶标的位置信息，建立三维激光扫描仪与惯性导航系统的坐标系，获取外方位元素。
所述步骤S1包括以下步骤：
步骤S101：确定P1和P2两点，将全站仪架设在对于两点都可通视的位置，且将全站仪进行对中整平并设置测站等测量前的操作。
步骤S102：获取P1和P2两点之间的距离L。使用钢尺量取P1、P2两点之间的距离，先从P1量取至P2，然后从P2量取至P1，取两段距离的平均值为L。
步骤S103：使用全站仪测量P1和P2两点之间的距离。使用全站仪对P1、P2两点进行观测，获取P1、P2两点的各个参数；根据获得的各个参数进行平差计算，消除各观测值之间的矛盾，获得更加可靠的结果；通过平差后的各个参数，求取P1、P2两点的坐标，通过P1、P2两点的坐标，反算出P1、P2两点之间的距离L0。
步骤S104：对比分析结果是否超限。通过步骤S102得到的两段距离的平均值L与步骤S103通过P1、P2两点的坐标反算出P1、P2两点之间的距离L0，将L与L0进行相减，若获得的差值为亚毫米级，即符合精度要求。可选的，若不符合精度要求，重新进行步骤S102至步骤S106或更换全站仪。
所述步骤S1用于验证仪器的精度是否达到测量标准。
步骤S2：单体中心标定。
所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S201：对各单体进行测量，获取各单体的底面。
步骤S202：确定各单体的特征点，如三维激光扫描仪与惯性导航系统底部的螺栓安装孔都可以作为特征点。
步骤S203：测量特征点。通过全站仪测量单体特征点，获取各特征点的位置信息。
步骤S204：投影各特征点。由于各特征点并未处在同一平面，所以要将各特征点投影到步骤S201中获取的底面中，使测出的各特征点处于同一平面。
步骤S205：单体中心标定；根据步骤S203和步骤S204，通过获得的各特征点的位置信息以及仪器说明书中对单体中心的描述，获得各单体中心的位置信息。
步骤S206：对比分析结果是否超限；将各单体所测的特征点进行拟合，将拟合后特征点的半径与仪器说明书中提供的特征点半径进行对比，确定误差是否符合亚毫米级的精度要求。
优选的，测单体时候应该将仪器安装在框架上，且在框架上可以看到单体的面，而后在可以看到的面上尽可能多的、均匀的贴靶标纸，观测的时候点越多，其结果越可靠。
所述步骤S2可以得到各仪器中心点在各单体坐标系下的位置，即各单体中心的位置信息。但三维激光扫描仪与惯性导航系统组合后各个单体的中心点无法进行直接测量，所以要使用间接的方法获得各单体的中心点的位置信息。
步骤S3：单体中心点与靶标位置关系获取。
所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S301：粘贴靶标纸；在各个单体未组合前，在各单体的可观测部分均匀地贴上靶标纸，优选的，所述靶标纸至少设置有四个。靶标纸可以尽可能的多，联测的靶标纸越多结果越准确。
步骤S302：获取靶标纸与单体中心点的位置关系；通过全站仪测量靶标纸以及各单体中心点，获取靶标纸以及各单体中心点的位置信息；通过测量的靶标纸以及各单体中心点在底面的投影，获得靶标与单体的中心点位置关系。
步骤S303：通过步骤S302获得的靶标纸与各单体中心点的位置关系，确定三维激光扫描仪与惯性导航系统中心点位置。将各单体组合，通过步骤S302获得的靶标与各单体中心点的位置关系，在各单体组合后通过对各单体可观测面上的靶标纸进行测量，然后根据靶标与各单体中心点的位置关系，获得三维激光扫描仪与惯性导航系统中心点的位置。
所述靶标纸上设置有靶标。
所述步骤S4包括：
步骤S401：观测惯性导航系统单体靶标，获得惯性导航系统单体靶标的位置信息；
步骤S402：观测三维激光扫描仪靶标，获得三维激光扫描仪靶标的位置信息；
步骤S403：根据步骤S302获得的靶标与各单体中心点的位置关系与步骤S401和步骤S402中获得的惯性导航系统单体靶标与三维激光扫描仪靶标的位置信息，建立三维激光扫描仪与惯性导航系统的坐标系，获取外方位元素。
所述步骤S401与所述步骤S402通过全站仪进行观测。
所述获取外方位元素包括以下步骤：获取横摇角；获取纵摇角；获取艏摇角。
如图4至图9所示，横摇角是指仪器跟随船在水中行进时绕最长延伸方向或波浪入射方向的水平轴的旋转振荡运动。在本方法中指三维激光扫描仪与惯性导航系统之间的横向倾角误差，其误差值等于三维激光扫描仪坐标系与惯性导航系统坐标系在YOZ平面上的投影的角度误差值。
船载水陆一体化测量系统的姿态信息是通过惯性导航系统来获取的，所以三维激光扫描仪与惯性导航系统之间的安装角度误差自然就传递到了三维激光扫描仪与系统，从而导致系统得到的激光束与实际的三维激光扫描仪激光束之间存在误差角，横摇角的产生使采集到的点云数据与实际地物的数据存在一个Y轴和Z轴上的偏差。
纵摇是指仪器跟随船在水中行进时绕横轴的回转振荡运动。在方法中指三维激光扫描仪与惯性导航系统的纵向倾角误差，其误差值等于三维激光扫描仪坐标系与惯性导航系统坐标系在XOZ平面上的投影的角度误差值。
由于纵摇误差的存在，系统认为的三维激光扫描仪激光束的测量线与实际激光束的测量线存在一个夹角，这就导致系统所测得的地物数据会在系统的X轴方向上有一个前后方向的偏移。
艏摇是指仪器跟随船在水中行进绕船体垂直轴的旋转振荡运动。在本方法中指三维激光扫描仪与惯性导航系统的坐标系在XOY平面上投影的角度误差值。
由于艏摇误差的存在，三维激光扫描仪与惯性导航系统之间在XOY平面上有个旋转角度，这个角度经惯性导航系统传递给了系统，就导致系统所得到三维激光扫描激光束与实际的扫描激光束之间在XOY平面上有个角度误差，从而影响最终的成果数据。艏摇误差对Z坐标没有影响，它对坐标产生的影响主要集中在X坐标误差上，对Y坐标产生的影响较小。
所述步骤S4还包括：步骤S404：纠正三维激光扫描仪与惯性导航系统之间误差。
船载水陆一体化测量系统受仪器安装以及载体在移动过程中震动等因素的影响，三维激光扫描仪与惯性导航系统两者坐标系的三条轴线会存在误差，通过这三条线的角误差，可以得到三维激光扫描仪与惯性导航系统之间误差的旋转矩阵，通过旋转矩阵可以对三维激光扫描仪与惯性导航系统之间误差进行纠正。
外方位元素是指将三维激光扫描仪中心点归算到惯性导航系统中心点过程中产生的平移与旋转参数，所以这些元素可以通过计算惯性导航系统与三维激光扫描仪两者坐标轴之间存在夹角来获得。在安装三维激光扫描仪时，实际位置与理想位置并不会一模一样，并且船在行进过程中会产生晃动等一系列影响三维激光扫描仪实际位置的因素，所以三维激光扫描仪自身坐标系的坐标轴与惯性导航系统自身坐标系的坐标轴并不重合或平行，存在一定的角度误差。但是系统中的三维激光扫描仪姿态数据是由惯性导航系统提供的，所以坐标轴的不重合或不平行会使得三维激光扫描仪的姿态数据与实际的姿态存在一定的角度误差，因此要求取这些角度来进行误差改正。
所述步骤S5包括以下步骤：
步骤S501：接收器真实半径获取。阅读仪器说明材料获取接收器的半径记为R。
步骤S502：测量接收器半径。通过全站仪对接收器进行测量，根据测量的点进行平面拟合获得接收器的半径为R0。可选的，在三维激光扫描仪与惯性导航系统测量设备上标注出全站仪测量点，如在接收器上标注8个测量点，通过这些测量点进行拟合，获得测量点所在圆面，进而获得该圆面的半径R0。
步骤S503：精度检校。对步骤S501与步骤S502中所获得的接收器半径进行比较，若使用R减去R0获得结果误差为亚毫米级，则符合精度要求。
可选的，坐标点的计算包括如下步骤：
在A、B两点安置两台全站仪，以P1、P2为端点的基准尺长度为L。假设A作为原点，其Z轴是天顶方向，以B点的投影点B＇与A点的连线AB＇为X轴，建立右手独立坐标系A-XYZ。首先在测站A、B点分别观测基准尺两端P1、P2点水平角αi，βi(i＝1,2)与天顶距Zi(A)，Zi(B)(i＝1,2)，以及AB间的天顶距(AB的高差h未知时)，计算基线AB的长度b，然后由A、B两点对各空间目标进行交会定点。
步骤11：基线尺端点的三维坐标计算
若A、B两点基线的近似长度为b0，则根据图10的几何关系，可推导出由A点计算Pi点三维坐标的公式为：
Figure BDA0003722854490000071
Figure BDA0003722854490000072
Figure BDA0003722854490000073
由A点计算Pi点三维坐标的公式为：
Figure BDA0003722854490000074
从A、B点测定Pi点的z坐标的平均值为：
Figure BDA0003722854490000075
步骤12：两台全站仪间的高差计算
两台全站仪横轴之间的高差h可以用瞄准大致在水平方向的同一个目标，分别用三角高程测量的方法测定其高差，按两台仪器测得的高差之差计算h。
步骤13：测站中心点间的基线长度计算
由基准尺的两个端点P1、P2的坐标可求得计算基准尺的计算长度为：
Figure BDA0003722854490000076
如果基准尺水平安置，则可用下式计算：
Figure BDA0003722854490000077
因基准尺精确长度L已知，可按下式计算基线精确长度
Figure BDA0003722854490000078
步骤14：目标点三维坐标计算
求得了基线的精确长度b，可交会计算任何目标点的三维坐标，为了便于计算器的程序编制，计算公式可改写如下：
Figure BDA0003722854490000079
Figure BDA00037228544900000710
xi＝Di cosαi
yi＝Di sinαi
zA＝DA cot Zi(A)
zB＝DB cot Zi(B)+h
可选的，通过全站仪测量位置信息包括如下步骤：
步骤21：确定待测点，将全站仪架设在对于待测点可通视的位置，且将全站仪进行对中整平并设置测站等测量前的操作。
步骤22：使用全站仪对待测点进行观测，获取待测点的各个参数；根据获得的各个参数进行平差计算，消除各观测值之间的矛盾，获得更加可靠的结果；通过平差后的各个参数，求取待测点的坐标。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：测量仪器检校；步骤S2：单体中心标定；步骤S3：单体中心点与靶标位置关系获取；步骤S4：外方位元素获取；步骤S5：精度检校；
所述步骤S4包括：步骤S401：观测惯性导航系统单体靶标，获得惯性导航系统单体靶标的位置信息；步骤S402：观测三维激光扫描仪靶标，获得三维激光扫描仪靶标的位置信息；步骤S403：根据步骤S302获得的靶标与各单体中心点的位置关系与步骤S401和步骤S402中获得的惯性导航系统单体靶标与三维激光扫描仪靶标的位置信息，建立三维激光扫描仪与惯性导航系统的坐标系，获取外方位元素。
2.根据权利要求1所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S101：确定P1和P2两点；
步骤S102：获取P1和P2两点之间的距离L；
步骤S103：使用全站仪测量P1和P2两点之间的距离；
步骤S104：对比分析结果是否超限。
3.根据权利要求2所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S104中是否超限的精度要求为亚毫米级。
4.根据权利要求1所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S201：获取各单体的底面；步骤S202：确定各单体的特征点；步骤S203：测量特征点；步骤S204：投影各特征点；步骤S205：单体中心标定；步骤S206：对比分析结果是否超限。
5.根据权利要求4所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S206中是否超限的精度要求为亚毫米级。
6.根据权利要求4所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S301：粘贴靶标纸；步骤S302：获取靶标纸与单体中心点的位置关系；步骤S303：确定三维激光扫描仪与惯性导航系统的中心点位置。
7.根据权利要求6所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S403包括以下步骤：步骤S4031：获取横摇角；步骤S4032：获取纵摇角；步骤S4033：获取艏摇角。
8.根据权利要求7所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：步骤S404：纠正三维激光扫描仪与惯性导航系统之间误差。
9.根据权利要求8所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
步骤S501：接收器真实半径获取；步骤S502：测量接收器半径；步骤S503：精度检校。
10.根据权利要求9所述的船载水陆一体化测量系统标定方法，其特征在于，所述步骤S501包括：阅读仪器说明材料获取接收器的半径。
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