CN116203547A - 一种激光扫描角系统误差校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光扫描角系统误差校正方法，属于激光雷达测量技术领域，用于校正激光扫描角系统误差，包括：选择检校场地，准备激光雷达挂载航车，在检校场地上选择台阶棱作为检校物，选择与检校物垂直的方向作为航线方向；将机载测深系统置于激光雷达挂载航车上，控制激光雷达挂载航车沿航线方向前进；将激光测距数据、组合导航数据和扫描角数据融合解算获得点云，在点云中标记航线矢量和台阶棱矢量；通过迭代编码器记录扫描镜转角，使点云提取的台阶棱线与航线垂直，求解结束得到扫描角系统误差；本发明在迭代过程只有扫描镜旋转的角度一个自变量，相比于背景技术中介绍的算法中有三个误差变量，减少了计算复杂度和迭代求解的时间。

Description

一种激光扫描角系统误差校正方法
技术领域
本发明公开一种激光扫描角系统误差校正方法，属于激光雷达测量技术领域。
背景技术
现有技术中，帕尔默扫描镜的视场范围不是太大，约为30° ~ 40°，如果转镜转速为Ω转/s，电机编码器记录为θ rad，转镜每转一圈激光测距模块发射激光脉冲N个，即采样点数为 N，则在以扫描圈为单位的一个周期 T=1/D 中，每个激光脉冲对应的扫描角不是实际量测的，而是根据电机编码器记录θ和每个扫描圈内的采样点数计算出来的。
编码器记录的扫描镜转角和激光脉冲对应实际的扫描角之间存在的误差，称为扫描角误差。扫描角误差主要分为系统误差和随机误差两种，一般扫描角系统误差由同步脉冲上升沿记录的时间差和触发线长度引起时间延时两部分组成引起产生的，通常是一个常数偏移量，现有技术进行扫描角系统误差的校正包括以下步骤：
（1）选择合适地物面作为检校场做机载试验，记录帕尔默扫描镜编码器记录的扫描镜转角；
（2）由扫描镜转角推导求得扫描镜出射的激光束在激光扫描参考坐标系OXYZ内的单位矢量方向；
（3）由激光束单位矢量求解不考虑激光脚点在激光扫描参考坐标系中的位置向量；
（4）发现解算点云数据与实际地物有偏差，分别假设绕激光扫描参考坐标系x轴偏转的误差角度；绕y轴偏转的误差角度；绕z轴偏转的误差角度；由这三个偏转误差角可得到一个新的坐标变换旋转矩阵；
（5）三个偏转误差角误差迭代，使计算点云与实物对比满足最小误差要求，得到考虑去除误差影响后的激光脚点在激光扫描参考坐标系中的位置向量。
上述过程中，扫描镜旋转的角度实际是受一个变量（编码器记录的扫描镜转角）控制，但是在第（4）步计算过程中将其分解为三个误差变量，必然增加了计算复杂度和第（5）步迭代求解的时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光扫描角系统误差校正方法，以解决现有技术中，激光扫描角系统误差迭代次数多的问题。
一种激光扫描角系统误差校正方法，包括：
S1.选择检校场地，准备激光雷达挂载航车，在检校场地上选择台阶棱作为检校物，选择与检校物垂直的方向作为航线方向；
S2.将机载测深系统置于激光雷达挂载航车上，控制激光雷达挂载航车沿航线方向前进；
S3.将激光测距数据、组合导航数据和扫描角数据融合解算获得点云，在点云中标记航线矢量和台阶棱矢量；
S4.通过迭代编码器记录扫描镜转角，使点云提取的台阶棱线与航线垂直，求解结束得到扫描角系统误差；
S4.1.通过高程差提取扫描水下台阶棱规整平面数据，剔除平面中孤立点，求解仅以扫描镜转角
Figure SMS_1
为变量的台阶棱矢量/>
Figure SMS_2
，/>
Figure SMS_3
，其中/>
Figure SMS_4
表示台阶棱矢量以扫描镜转角为变量；
S4.2.根据航线投影坐标序列求解航线矢量
Figure SMS_5
；
S4.3.以变化的误差角
Figure SMS_6
迭代/>
Figure SMS_7
，即/>
Figure SMS_8
，求解/>
Figure SMS_9
与/>
Figure SMS_10
在空间上夹角
Figure SMS_11
：
Figure SMS_12
；
其中
Figure SMS_13
表示台阶棱矢量以扫描镜转角和变化的误差角为变量；
S4.4.扫描角系统常数为1°，若求得的
Figure SMS_14
达到误差条件，即/>
Figure SMS_15
时，迭代停止，迭代次数为200次，此时在允许误差范围内台阶棱线与航线垂直，求解结束得到扫描角系统误差/>
Figure SMS_16
；
S4.5.扫描角系统误差代入实验观测的所有点云求解。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的算法在迭代过程只有扫描镜旋转的角度一个自变量，相比于背景技术中介绍的算法中有三个误差变量，减少了计算复杂度和迭代求解的时间。
附图说明
图1是激光测距模块与扫描镜记录存在角度偏差的情况下，点云与目标物的关系图；
图2是激光测距模块与扫描镜记录角度偏差校正完成，点云与目标物的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
一种激光扫描角系统误差校正方法，包括：
S1.选择检校场地，准备激光雷达挂载航车，在检校场地上选择台阶棱作为检校物，选择与检校物垂直的方向作为航线方向；
S2.将机载测深系统置于激光雷达挂载航车上，控制激光雷达挂载航车沿航线方向前进；
S3.将激光测距数据、组合导航数据和扫描角数据融合解算获得点云，在点云中标记航线矢量和台阶棱矢量；
S4.通过迭代编码器记录扫描镜转角，使点云提取的台阶棱线与航线垂直，求解结束得到扫描角系统误差；
S4.1.通过高程差提取扫描水下台阶棱规整平面数据，剔除平面中孤立点，求解仅以扫描镜转角
Figure SMS_17
为变量的台阶棱矢量/>
Figure SMS_18
，/>
Figure SMS_19
，其中/>
Figure SMS_20
表示台阶棱矢量以扫描镜转角为变量；
S4.2.根据航线投影坐标序列求解航线矢量
Figure SMS_21
；
S4.3.以变化的误差角
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迭代/>
Figure SMS_23
，即/>
Figure SMS_24
，求解/>
Figure SMS_25
与/>
Figure SMS_26
在空间上夹角
Figure SMS_27
：
Figure SMS_28
；
其中
Figure SMS_29
表示台阶棱矢量以扫描镜转角和变化的误差角为变量；
S4.4.扫描角系统常数为1°，若求得的
Figure SMS_30
达到误差条件，即/>
Figure SMS_31
时，迭代停止，迭代次数为200次，此时在允许误差范围内台阶棱线与航线垂直，求解结束得到扫描角系统误差/>
Figure SMS_32
；
S4.5.扫描角系统误差代入实验观测的所有点云求解。
实施例在自建的海洋测量综合实验场，场内设有长40米，宽11米，深5~8米的海洋综合实验池，利用对水下台阶棱的规整立面作为检校场实物。如图1中，黑色虚线为航迹线，激光扫描轨迹为类椭圆形，随着航行推进形成一条航带。从点云高程图上可见，水槽中的台阶与航线不垂直存在倾角，则表明存在扫描角系统误差。
实施例选取了99个点云数据，表1和表2为校正前的点云数据，表3和表4为校正后的点云数据。
表1 校正前的点云数据（1-82）
Figure SMS_33
。
表2 校正前的点云数据（83-99）
Figure SMS_34
。
表3 校正后前的点云数据（1-78）
Figure SMS_35
。
表4 校正后前的点云数据（79-99）
Figure SMS_36
。
由表1和表2可知，经过扫描角系统误差校正后，各点的坐标和回波强度都发生了变化。
本发明
Figure SMS_37
时，迭代停止，迭代次数为200次，对比使用背景技术中的方法，则为三变量迭代，每个变量从0迭代到1°，间隔0.005°，则迭代次数为/>
Figure SMS_38
；
迭代完成后，如图2所示，激光测距模块与扫描镜记录角度偏差校正完成，水槽中的台阶与航线垂直，不存在倾角。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种激光扫描角系统误差校正方法，其特征在于，包括：
S1.选择检校场地，准备激光雷达挂载航车，在检校场地上选择台阶棱作为检校物，选择与检校物垂直的方向作为航线方向；
S2.将机载测深系统置于激光雷达挂载航车上，控制激光雷达挂载航车沿航线方向前进；
S3.将激光测距数据、组合导航数据和扫描角数据融合解算获得点云，在点云中标记航线矢量和台阶棱矢量；
S4.通过迭代编码器记录扫描镜转角，使点云提取的台阶棱线与航线垂直，求解结束得到扫描角系统误差；
S4.1.通过高程差提取扫描水下台阶棱规整平面数据，剔除平面中孤立点，求解仅以扫描镜转角
Figure QLYQS_1
为变量的台阶棱矢量/>
Figure QLYQS_2
，/>
Figure QLYQS_3
，其中/>
Figure QLYQS_4
表示台阶棱矢量以扫描镜转角为变量；
S4.2.根据航线投影坐标序列求解航线矢量
Figure QLYQS_5
；
S4.3.以变化的误差角
Figure QLYQS_6
迭代/>
Figure QLYQS_7
，即/>
Figure QLYQS_8
，求解/>
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与/>
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在空间上夹角/>
Figure QLYQS_11
：
Figure QLYQS_12
；
其中
Figure QLYQS_13
表示台阶棱矢量以扫描镜转角和变化的误差角为变量；
S4.4.扫描角系统常数为1°，若求得的
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达到误差条件，即/>
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时，迭代停止，迭代次数为200次，此时在允许误差范围内台阶棱线与航线垂直，求解结束得到扫描角系统误差/>
Figure QLYQS_16
；
S4.5.扫描角系统误差代入实验观测的所有点云求解。
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