[發明專利]一種二維激光掃描儀標定方法、系統及裝置

有效

• 申請號: 201710889539.0
• 申請日: 2017-09-27
• 公開（公告）號: CN107782240B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 孫海麗;姚連璧;王子軒;張邵華
• 申請（專利權）人: 首都師范大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01C25/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王戈

1.一種二維激光掃描儀標定方法，其特征在于，包括：

獲取布置在測量現場的多個標靶反射片的中心點在全站儀坐標系下的坐標；

獲取掃描儀在小車移動時多個標靶反射片表面的點云數據，并依據慣性測量單元和里程計測量得到的參數數據，將每個掃描時刻的點云數據的坐標轉換到基準坐標系下，所述掃描儀設置在所述小車上，所述參數數據包括小車的加速度、角速度和里程值，所述基準坐標系為小車靜止時的初始掃描儀坐標系；

獲取所述點云數據中反射強度大于預設閾值的點的坐標，并依據反射強度大于預設閾值的點云數據與鄰居點云數據的距離，形成點集聚類；

獲取所述點集聚類的重心坐標，將所述點集聚類的重心坐標確定為標靶反射片中心在初始掃描儀坐標系下的坐標；

利用標靶反射片中心在全站儀坐標系下的坐標和標靶反射片中心在初始掃描儀坐標系下的坐標，獲取掃描儀坐標系與全站儀坐標系的轉換參數；具體為：利用掃描儀坐標系與全站儀坐標系的轉換公式，計算得到掃描儀坐標系與全站儀坐標系的轉換參數，所述掃描儀坐標系與全站儀坐標系的轉換公式為

P_l＝K_TLR_TLP_t+T_TL+ε_TL

其中，P_l為掃描儀坐標系下的點，P_t為全站儀坐標系下的點，K_TL為全站儀坐標系到掃描儀坐標系的尺度參數，R_TL為全站儀坐標系到掃描儀坐標系的旋轉參數，T_TL為全站儀坐標系到掃描儀坐標系的平移參數，ε_TL為全站儀坐標系到掃描儀坐標系的轉換誤差；

利用標志反射片中心在車體坐標系下的坐標和標志反射片中心在全站儀坐標系下的坐標，獲取車體坐標系與全站儀坐標系的轉換參數；

利用所述車體坐標系與全站儀坐標系的轉換參數和所述掃描儀坐標系與全站儀坐標系的轉換參數，獲取車體坐標系與掃描儀坐標系的轉換參數；

其中，所述獲取所述點集聚類的重心坐標，將所述點集聚類的重心坐標確定為標靶反射片中心在初始掃描儀坐標系下的坐標這一步驟中采用了標靶反射片中心坐標自動提取算法，具體提取過程為：讀取點云數據，建立第一個點集聚類cluster[1]，將讀取的第一個反射強度大于80的點point[1]加入第一個聚類中；讀取第二個反射強度大于80的點point[2]，計算point[1]和point[2]兩點之間的歐式距離S，因為標靶反射片的最長邊為20cm，所以當S20cm時，將點point[2]加入到聚類cluster[1]中，并計算第一個聚類cluster[1]中所有點的重心坐標barycen[1]；若S≥20cm，則建立第二個點集聚類cluster[2]，將點point[2]加入到cluster[2]中，同樣計算第二個聚類cluster[2]中所有點的重心坐標barycen[2]；繼續讀取第三個反射強度大于80的點point[3]，計算point[3]與第一個聚類的重心barycen[1]的距離S1，若S120cm，則將point[3]加入到第一個聚類cluster[1]中，并重新計算和更新第一個聚類的重心坐標barycen[1]；若S1≥20cm，則計算point[3]與第二個聚類的重心barycen[2]的距離，若距離值S220cm，則將point[3]加入到第二個聚類cluster[2]中，并重新計算和更新第二個聚類的重心坐標barycen[2]；若S2≥20cm，則說明point[3]離第一、第二點集聚類較遠，此時，建立第三個點集聚類cluster[3]，將點point[3]加入cluster[3]中，計算第三個點集聚類中所有點的重心坐標barycen[3]；以此類推，連續讀取反射強度大于80的點point[n]，并逐一判斷點point[n]與點集聚類的重心barycen[i]的距離(i＝1,2,3……)，若point[n]滿足到重心的距離小于20cm的要求，則將點point[n]加入到點集聚類cluster[i]中，并重新計算更新聚類cluster[i]的重心坐標barycen[i]，若循環結束，point[n]都不在前面所有聚類范圍內，則新建一個聚類，將點point[n]加入，求重心坐標，一直循環，直到遍歷所有點云；

其中，依據慣性測量單元獲取的小車的姿態數據以及里程計測量的里程值，設置的各個斷面的點云數據轉換到基準坐標系下的算法具體為：

1)時間同步：按照掃描儀各掃描面的時間為基準，對慣性測量單元與里程計獲取的參數數據進行拉格朗日插值，使時間同步；

2)平移與旋轉參數計算：以小車初始A面Sick掃描儀坐標系為基準，在小車向前進方向推動后，分別計算之后的斷面B的平移參數與旋轉參數；

平移參數的計算如下：

所述平移參數使用當前B面與初始A面的慣性測量單元記錄的姿態角差與里程計記錄的里程差進行推算，設平移參數為T，

掃描儀的掃描線為螺旋形，當小車速度較低時，掃描儀在每個時刻掃描得到的點云數據為一個圓周，通過高程計算方法，可得

SPlane＝ΔS·Cos(ΔFY)

SHeight＝ΔS·Sin(ΔFY)

Z_B＝Z_A+SHeight；

ΔS表示AB面的里程差，SPlane表示B面在平面的投影，SHeight表示A面與B面的高程差，ΔFY表示俯仰角差，A、B分別表示掃描儀在斷面A、斷面B的掃描中心；

對于平面計算，A面到B面在短時間內為一段弧線，其中AB弧對應的圓心角為ΔHX，ΔHX為慣性測量單元測得的航向角差，對應線段AB的方位角α＝ΔHX/2，則

X_B＝X_A+SPlane·Cos(α)

Y_B＝Y_A+SPlane·Sin(α)；

通過上述計算，可得平移參數為T；

旋轉參數的計算如下：

所述旋轉參數的三個旋轉角分別為B面相對于A面的三個姿態角差，根據掃描儀坐標系的定義，其中繞x軸旋轉為俯仰角為pitch，繞y軸旋轉為航向角為yaw，繞z軸旋轉為橫滾角為roll，利用適用小角度的旋轉矩陣加以處理，可得旋轉參數R，

3)計算初始掃描儀坐標系下的點云數據：

利用獲得的各個斷面B到初始斷面A的平移參數T和旋轉參數R，將B面的點云數據的坐標經過坐標轉換，得到以初始斷面A為基準坐標系下的點云數據，具體為

得到在初始掃描儀坐標系下的點云數據。