CN116576882A - 一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法，该标定方法具体步骤如下：第一步、确定系统坐标系：第二步、标定工装头部：获得各自的点云数据集{C}；a、根据{C}确定出激光扫描仪坐标系中的直线模型；b、重复步骤a，形成新的内点子集{C₁}，获得直线拟合参数{k_m1,b_m1}；c、在{C}中，去除{C₁}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m2,b_m2}和点云子集{C₂}；d、在{C}中，去除{C₁}和{C₂}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m3,b_m3}和点云子集{C₃}；第三步、从{C_f}＝{C₁,C₂,C₃}中选取属于标定工装头部的部分；第四步、计算激光扫描仪测量结果转换矩阵的初值；第五步、以R₀、t₀为匹配初值，获得最终精确的第六步、计算惯导系统与激光扫描仪之间的转换矩阵本发明实现了系统误差小量的自动辨识。

Description

一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法

技术领域

本发明属于激光图像处理技术领域，具体涉及一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法。

背景技术

惯性/激光扫描仪是一种常用的测量设备组合，通过惯性导航系统获取载体在惯性空间中的位姿，通过激光扫描测量被测目标的结构外型，从扫描结果中识别被测目标的结构特征，计算被测目标与惯性导航系统之间的相对位姿，从而获取结构病害问题类型，并计算病害所在位置。

高精度激光扫描仪一般扫描范围较小，因此在系统集成时，经常采用一台惯性导航系统搭配多台激光扫描仪的配置，扫描仪靠近被测目标安装，与惯导系统相距较远，因此惯导和多个激光器之间的测量坐标系存在几何转换关系，为了正确计算被测目标之间的空间位置关系，需要对惯导和多个激光器之间的几何转换关系进行标定。

几何转换关系的近似值可以通过机械测量获得，但残余的小量误差仍会对系统整体测量精度产生较大影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法，实现了系统误差小量的自动辨识。

本发明的技术方案是，一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法的具体步骤如下：

第一步、确定系统坐标系：系统坐标系位于标定工装3的横截面内，

o_r——标定工装左侧坐标系原点，o_rr——标定工装右侧坐标系原点，o_b——惯导体坐标系原点，o_n——激光扫描仪测量坐标系原点，n＝1，3；分别表示右左两个激光扫描仪，——激光扫描仪基准面坐标系原点，/>——激光扫描仪n的基准面原点在惯导体坐标系下的位置；

第二步、查找激光测量点云中标定工装头部：在标定工装3的横截面内，2个激光扫描仪分别从左侧和右侧扫描标定工装，分别获得各自的点云数据集{C}；分别对2个点云数据集{C}进行步骤a至步骤d；

a、从激光扫描仪采集到的点云数据集{C}中随机选取两点；使用这两个点确定出激光扫描仪坐标系中的直线模型；设定内点验证误差ε_r，ε_r＝1～2mm，内点即距离直线距离小于ε_r的点；将{C}中所有点云数据带入直线模型，计算内点数目；使用内点重新拟合直线，记录拟合参数{k_i,b_i}；k_i,b_i分别表示直线模型斜率和截距；i为拟合次数，i＝1，2，……，

b、重复步骤a，直至k_i,b_i小于验证误差{ε_k,ε_b}，并选择内点数量最多的一组参数{k_m,b_m}；验证误差{ε_k,ε_b}为万分之一，其中，ε_k,ε_b分别表示斜率和截距的验证误差，将小于误差阈值的参数{k_i,b_i}所属内点子集与{k_m,b_m}所属内点子集合并，形成新的内点子集{C₁}，其中k_i∈[k_m-ε_k,k_m+ε_k]，b_i∈[b_m-ε_b,b_m+ε_b]；采用合并后的新的内点子集重新拟合，获得直线拟合参数{k_m1,b_m1}；完成一条直线的拟合；

c、在原始点云子集{C}中，去除{C₁}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m2,b_m2}和点云子集{C₂}；完成第二条直线的拟合；

d、在原始点云子集{C}中，去除{C₁}和{C₂}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m3,b_m3}和点云子集{C₃}；完成第三条直线的拟合；

第三步、从点云子集{C_f}＝{C₁,C₂,C₃}中选取属于标定工装头部的部分，排除{C_f}中属于的S₃线段的点云，即排除三条拟合直线中属于S₃线段的直线；排除S₃线段的点云后的集合称为{C_fh}；

第四步、计算激光扫描仪测量坐标系下，激光扫描仪测量结果转换矩阵的初值：/>为激光扫描仪坐标系与标定工装坐标系之间的转换矩阵；

选取{C_fh}中的最高点h_f；最高点是指o_n在标定工装坐标系中y轴坐标最大值的点；

选取标定工装标准点云中的o_r点；

计算t的初值t₀＝h_f-o_r；

计算R的初值，

第五步、以R₀、t₀为匹配初值，带入ICP算法中，获得最终精确的

第六步、计算惯导系统与激光扫描仪之间的转换矩阵

α为惯导系统输出的横滚角，r_ob为o_b在o_r坐标系中的坐标。

本发明的有益效果，本发明能够有效识别存在噪声干扰情况下的标定工装特征，实现系统安装误差的高精度辨识。

附图说明

图1为本发明一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法的过程示意图；

图2标定工装头部，s₁称为顶端线，s₂称为侧边线，s₃称为连接线

图3为采用本发明进行系统误差辨识的效果示意图；上方为标定前的激光测量图像，下图为标定后的激光测量图像。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。

如图1所示，本发明一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法，具体步骤如下：

第一步、确定系统坐标系：

如图1所示，标定工装3为“凹”形结构，标定工装3中心凹陷部分构成工装的特征结构直线S₃，L为特征结构直线S₃的长度，称为特征尺寸。特征尺寸需要预先测量，该尺寸精度决定系统安装误差辨识精度。

系统坐标系定义为：系统坐标系位于标定工装3的横截面内。

o_r——标定工装左侧坐标系原点，为标定工装3的顶面和左侧侧面的交点；x轴为水平方向。

o_rr——标定工装右侧坐标系原点，为标定工装3的顶面与右侧侧面的交点；x轴为水平方向。

o_b——惯导体坐标系原点，位于惯导系统1的几何中心；x轴与惯导体基准面平行。

o_n——激光扫描仪测量坐标系原点，指激光扫描仪2进行测量时，输出数据所规定的原点；n＝1，3；分别表示右左两个激光扫描仪。

——激光扫描仪基准面坐标系原点，指激光扫描仪的测量机械基准面所规定的原点，通过查询激光扫描仪说明书获得；

——激光扫描仪n的基准面原点在惯导体坐标系下的位置；

第二步、查找激光测量点云中标定工装头部：在标定工装3的横截面内标定。

如图2所示，标定工装头部为顶面直线段S₁和侧面直线段S₂。但实际存在三条直线，即特征结构直线S₃。某些情况下，S₃可能会被误识别S₁，因此对常规RANSAC方法进行改进。

具体计算过程为：在标定工装3的横截面内，2个激光扫描仪分别从左侧和右侧扫描标定工装，分别获得各自的点云数据集{C}；分别对2个点云数据集{C}进行步骤a至步骤d。

a、从激光扫描仪采集到的点云数据集{C}中随机选取两点；使用这两个点确定出激光扫描仪坐标系中的直线模型；

设定内点验证误差ε_r，ε_r＝1～2mm，内点即距离直线距离小于ε_r的点；

将{C}中所有点云数据带入直线模型，计算内点数目；

使用内点重新拟合直线，记录拟合参数{k_i,b_i}；k_i,b_i分别表示直线模型斜率和截距；i为拟合次数，i＝1，2，……，

b、重复步骤a，直至k_i,b_i小于验证误差{ε_k,ε_b}，并选择内点数量最多的一组参数{k_m,b_m}；

验证误差{ε_k,ε_b}为万分之一，其中，ε_k,ε_b分别表示斜率和截距的验证误差，将小于误差阈值的参数{k_i,b_i}所属内点子集与{k_m,b_m}所属内点子集合并，形成新的内点子集{C₁}，其中k_i∈[k_m-ε_k,k_m+ε_k]，b_i∈[b_m-ε_b,b_m+ε_b]；采用合并后的新的内点子集重新拟合，获得直线拟合参数{k_m1,b_m1}；完成一条直线的拟合；

c、在原始点云子集{C}中，去除{C₁}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m2,b_m2}和点云子集{C₂}；完成第二条直线的拟合；

d、在原始点云子集{C}中，去除{C₁}和{C₂}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m3,b_m3}和点云子集{C₃}；完成第三条直线的拟合；

第三步、从点云子集{C_f}＝{C₁,C₂,C₃}中选取属于标定工装头部的部分，即根据结构中激光扫描仪位姿的先验信息，排除{C_f}中属于的S₃线段的点云，即排除三条拟合直线中属于S₃线段的直线：

若激光扫描仪位于右侧，则最左侧的线段为S₃；

如果激光扫描仪位于左侧，则最右侧的线段为S₃。

排除S₃线段的点云后的集合称为{C_fh}；

第四步、计算激光扫描仪测量坐标系下，激光扫描仪测量结果转换矩阵的初值：/>为激光扫描仪坐标系与标定工装坐标系之间的转换矩阵；

选取{C_fh}中的最高点h_f；最高点是指o_n在标定工装坐标系中y轴坐标最大值的点；

选取标定工装标准点云中的o_r点；

计算t的初值t₀＝h_f-o_r；

计算R的初值，

第五步、以R₀、t₀为匹配初值，带入ICP算法中，计算精确匹配结果，获得最终精确的

第六步、计算惯导系统与激光扫描仪之间的转换矩阵

其中为惯导体坐标系与激光扫描仪测量坐标系之间的转换矩阵，其中

α为惯导系统输出的横滚角，r_ob为o_b在o_r坐标系中的坐标。

如图3所示，采用本发明进行标定，标定工装特征宽度1399mm，标定结果1399mm，标定结果正确。

Claims (1)

1.一种惯性激光扫描仪系统误差辨识及标定方法，其特征是：该标定方法具体步骤如下：

第一步、确定系统坐标系：系统坐标系位于标定工装3的横截面内，

o_r——标定工装左侧坐标系原点，o_rr——标定工装右侧坐标系原点，o_b——惯导体坐标系原点，o_n——激光扫描仪测量坐标系原点，n＝1，3；分别表示右左两个激光扫描仪，——激光扫描仪基准面坐标系原点，/>——激光扫描仪n的基准面原点在惯导体坐标系下的位置；

第二步、查找激光测量点云中标定工装头部：在标定工装3的横截面内，2个激光扫描仪分别从左侧和右侧扫描标定工装，分别获得各自的点云数据集{C}；分别对2个点云数据集{C}进行步骤a至步骤d；

a、从激光扫描仪采集到的点云数据集{C}中随机选取两点；使用这两个点确定出激光扫描仪坐标系中的直线模型；设定内点验证误差ε_r，ε_r＝1～2mm，内点即距离直线距离小于ε_r的点；将{C}中所有点云数据带入直线模型，计算内点数目；使用内点重新拟合直线，记录拟合参数{k_i,b_i}；k_i,b_i分别表示直线模型斜率和截距；i为拟合次数，i＝1，2，……，

b、重复步骤a，直至k_i,b_i小于验证误差{ε_k,ε_b}，并选择内点数量最多的一组参数{k_m,b_m}；验证误差{ε_k,ε_b}为万分之一，其中，ε_k,ε_b分别表示斜率和截距的验证误差，将小于误差阈值的参数{k_i,b_i}所属内点子集与{k_m,b_m}所属内点子集合并，形成新的内点子集{C₁}，其中k_i∈[k_m-ε_k,k_m+ε_k]，b_i∈[b_m-ε_b,b_m+ε_b]；采用合并后的新的内点子集重新拟合，获得直线拟合参数{k_m1,b_m1}；完成一条直线的拟合；

c、在原始点云子集{C}中，去除{C₁}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m2,b_m2}和点云子集{C₂}；完成第二条直线的拟合；

d、在原始点云子集{C}中，去除{C₁}和{C₂}，重复步骤a和b，获得直线拟合参数{k_m3,b_m3}和点云子集{C₃}；完成第三条直线的拟合；

第三步、从点云子集{C_f}＝{C₁,C₂,C₃}中选取属于标定工装头部的部分，排除{C_f}中属于的S₃线段的点云，即排除三条拟合直线中属于S₃线段的直线；排除S₃线段的点云后的集合称为{C_fh}；

第四步、计算激光扫描仪测量坐标系下，激光扫描仪测量结果转换矩阵的初值：/>为激光扫描仪坐标系与标定工装坐标系之间的转换矩阵；

选取{C_fh}中的最高点hf；最高点是指o_n在标定工装坐标系中y轴坐标最大值的点；

选取标定工装标准点云中的o_r点；

计算t的初值t₀＝h_f-o_r；

计算R的初值，

第五步、以R₀、t₀为匹配初值，带入ICP算法中，获得最终精确的

第六步、计算惯导系统与激光扫描仪之间的转换矩阵

α为惯导系统输出的横滚角，r_ob为o_b在o_r坐标系中的坐标。