[發明專利]一種基于自制地基激光雷達垂直度誤差的點云誤差校正方法

有效

• 申請號: 201710724089.X
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN107290734B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 李小路;徐立軍;李昀曄;謝鑫浩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S7/497
• 分類號: G01S7/497
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于自制地基激光雷達垂直度誤差的點云誤差校正方法，其特征在于，該方法針對自制激光雷達三維成像系統中45°轉鏡配合云臺轉動的掃描方式，其中所述自制激光雷達三維成像系統包括光學系統、由電機與45°轉鏡組成的掃描機構、云臺；入射光經所述光學系統出射到所述45°轉鏡中心O點，伴隨所述掃描機構垂直旋轉、所述云臺水平旋轉從所述自制激光雷達三維成像系統中出射；所述自制激光雷達三維成像系統的理想坐標系O-XYZ包括理想俯仰軸X軸、初始出射光線方向Y軸和方位軸Z軸；所述自制激光雷達三維成像系統的實際坐標系O-X’YZ’在所述理想坐標系O-XYZ基礎上，實際俯仰軸X’軸與X軸之間存在夾角γ，Y軸不變，根據右手坐標法則建立Z’軸；所述垂直度誤差定義為所述實際俯仰軸X’軸與所述理想俯仰軸X軸之間的夾角γ；目標上一點P在所述理想坐標系O-XYZ中一維距離L定義為的長度，方位角定義為在XOY平面的投影與X軸的夾角，從X軸正半軸起算，逆時針方向為正，范圍為0°至360°，俯仰角定義為90°與和Z軸之間夾角的差，所述一維距離L、所述方位角和所述俯仰角的測量誤差分別為測距誤差ΔL、方位角誤差和俯仰角誤差通過理論分析所述垂直度誤差γ對所述自制激光雷達三維成像系統測角誤差的影響，所述自制激光雷達三維成像系統測角誤差包含所述方位角誤差所述俯仰角誤差建立所述自制激光雷達三維成像系統的測角誤差模型；所述目標的點云定義為目標上一點的直角坐標(x,y,z)^T，目標的點云誤差定義為所述目標點云的坐標測量值與真實值的偏差(Δx,Δy,Δz)^T，根據所述目標的點云誤差(Δx,Δy,Δz)^T與所述目標測角誤差之間的誤差傳遞原則，所述目標測角誤差包含所述方位角誤差所述俯仰角誤差建立所述自制激光雷達三維成像系統的點云誤差模型如下：

得到所述自制激光雷達三維成像系統對所述垂直度誤差γ校正后的所述目標點云坐標為：

(x+Δx,y+Δy,z+Δz)^T

從而實現對所述自制激光雷達三維成像系統垂直度誤差γ的點云誤差校正；

所述方法主要包括以下七步：

1)建立所述自制激光雷達三維成像系統理想坐標系O-XYZ，由于實際俯仰軸X’軸與方位軸Z軸之間存在所述垂直度誤差，即實際俯仰軸X’軸與理想俯仰軸X軸之間夾角γ，因此實際俯仰軸變為X’軸，Y軸不變，根據右手坐標法則建立Z’軸，為所述自制激光雷達三維成像系統實際坐標系O-X’YZ’；所述目標上任意一點P在所述理想坐標系O-XYZ中的測量值為方位角俯仰角所述目標上任意一點P在所述理想坐標系O-XYZ中的真實值為方位角俯仰角所述和差值為方位角誤差所述和差值為俯仰角誤差

2)建立由所述垂直度誤差γ引起的所述自制激光雷達三維成像系統測角誤差模型；該模型分別描述了所述方位角誤差所述俯仰角誤差和所述垂直度誤差γ以及所述目標的方位角俯仰角之間的數學關系，如下所示：

3)基于對所述垂直度誤差γ的三角函數值進行近似變換，化簡所述自制激光雷達三維成像系統測角誤差模型，如下所示：

4)根據誤差傳遞原則，建立所述自制激光雷達三維成像系統的點云誤差(Δx,Δy,Δz)^T與所述測距誤差ΔL、所述方位角誤差所述俯仰角誤差之間的映射關系，如下所示：

其中，L為所述目標上任意一點在所述自制激光雷達三維成像系統理想坐標系O-XYZ中的一維距離，ΔL為所述目標上任意一點一維距離L的測量誤差；

5)將所述自制激光雷達三維成像系統測角誤差模型轉化到直角坐標系下，得到所述自制激光雷達三維成像系統的點云誤差模型如下：

6)利用所述自制激光雷達三維成像系統對N個所述目標進行掃描，得到所述目標在所述自制激光雷達三維成像系統中的坐標(x_i,y_i,z_i)^T，其中i＝1,2,…,N，作為測量值；利用高精度三維掃描儀對所述目標進行二次掃描，得到所述目標在所述高精度三維掃描儀中的坐標(x′_i,y′_i,z′_i)^T，其中i＝1,2,…,N，將其轉化到所述自制激光雷達三維成像系統下，作為真實值；所述測量值與所述真實值之差為所述自制激光雷達三維成像系統的點云誤差(Δx_i,Δy_i,Δz_i)^T，其中i＝1,2,…,N；根據球坐標系與直角坐標系之間的映射關系，由所述測量值得到所述目標的一維距離L_i、方位角和俯仰角所述目標的測距誤差ΔL_i在所述一維距離L_i處于一定范圍內時視為一個已知常數；

7)求解所述自制激光雷達三維成像系統點云誤差模型中的模型參數，即所述垂直度誤差γ，對所述自制激光雷達三維成像系統垂直度誤差γ的點云誤差進行校正；將所述自制激光雷達三維成像系統的點云誤差(Δx_i,Δy_i,Δz_i)^T，其中i＝1,2,…,N、所述目標的一維距離L_i、方位角俯仰角和測距誤差ΔL_i代入式(4)中，得到3*N個非線性方程，通過求解所述非線性方程確定所述自制激光雷達三維成像系統點云誤差模型中的所述垂直度誤差γ；將所述垂直度誤差γ代入式(4)，在所述自制激光雷達三維成像系統的所述目標點云坐標(x,y,z)^T基礎上，得到所述自制激光雷達三維成像系統校正后的所述目標點云坐標(x+Δx,y+Δy,z+Δz)^T。