本发明专利技术公开了一种基于平面控制和约束结合的移动测量系统外参数标定方法。该方法基于Gauss‑Helmert平差模型，利用已知平面参数的平面方程作为控制条件，以未知平面参数的平面作为约束条件，在不断增加已知控制平面和未知约束平面的过程中，构建并推导所需法方程，求解最终的未知参数。整个检校过程不仅具备了自检校技术的高效率特性，还限制了自检校过程中参数之间的相关性，提高了检校质量，具有广阔的使用前景。
Calibration method of external parameters of mobile measurement system based on plane control and constraint combination
The invention discloses a method for calibrating external parameters of a mobile measurement system based on plane control and constraint combination. The method is based on Gauss Helmert adjustment model, plane equation using known plane parameters as control condition, taking the plane unknown plane parameters as constraint conditions, increasing the known control plane and unknown constraint plane in the process of construction and derivation of the required equation, the unknown parameters for the final. The calibration process has not only high efficiency self calibration technology, also limited the correlation between the parameters of self calibration process, improve the quality of calibration, with broad prospects.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于平面控制和约束结合的移动测量系统外参数标定方法。
技术介绍
移动测量系统集成有POS系统、激光扫描仪等多种传感器，系统工作时通过POS系统来获取载体平台的位置和姿态信息，并通过一系列的坐标转换来获得扫描点WGS-84坐标系下的三维坐标。然而，由于激光扫描仪中心和POS系统的中心不重合，需要解算出相应的偏移量，同时因为激光扫描仪与POS系统自身的轴向不可能完全重合，所以也需要解算视准轴误差，这个过程称之为移动测量系统的外参数标定。移动车载测量系统的高密度和高精度使点云技术应用到各个领域中，在获取目标的三维点云，需借助POS系统实现激光点坐标到WGS-84坐标系的转换，这个过程中影响系统精度的因素很多，需要相应的检校方法进行标定以获取高精度的激光脚点坐标。目前移动测量系统的检校技术主要有以下三种：基于控制点的检校技术、基于平面控制的检校方法以及基于平面约束的自检校方法。(1)基于控制点的检校方法就是首先在实验场布设大量控制点，然后利用全站仪等手段测一组控制点的真实坐标，再将激光扫描仪的测量结果与之相比较，用解方程组的方法得到误差参数的具体数值，对测量结果进行补偿，使测量结果与真实值相一致。基于控制点的检校方法的求解思路是首先建立含有激光扫描仪误差参数的数学模型，依据此模型求解关于激光扫描仪系统误差参数的线性化误差方程，然后根据最小二乘间接平差原理即可列出相应的误差参数解的表达式，此时将实验获取的相关数据代入表达式中即可求解出误差参数。该方法需要布设一定数量的控制点，利用全站仪测得实验所需所有控制点的全部真实坐标，再与激光扫描仪所获数据进行比较，整个过程繁琐，所需工作量庞大，同时，最重要的一点是上述校验方法很难准确的将同名控制点提取出来，并且这一部分主要依靠人工操作进行，就精度本身而言就已经增添了许多不确定因素。(2)基于平面控制的检校方法是在控制点检校方法的基础延伸发展而来，通过利用全站仪测量一组位于同一平面上的控制点的真实坐标以此确定平面方程，再将激光测量得到的此平面上的激光点云坐标代入平面方程中，此时点云数据中包含了激光的三个姿态角旋转分量误差参数角度以及三个平移分量误差参数，根据带有这些误差参数的平面方程对每个误差参数求导建立误差方程，然后依据各个误差变量的初始值求解出误差改正数并对误差变量进行修正，通过设定阈值不断迭代最终求解出误差参数。基于平面控制的检校方法是对基于控制点技术的扩展延伸，解决了提取同名控制点难的缺陷，但是为了确定平面方程，便需要利用全站仪测量该平面上的不共线控制点，对所有的待测平面都要一一进行测量，对于较多的检校平面，同样具有较大的工作量。(3)基于平面约束的自检校方法以视准轴角误差会导致多方位扫描同一平面特征时所获得的点云不共面为依据，根据点云生成模型、平面特征的几何模型以及观测值精度，建立起严格的数学模型，再对函数模型线性化得到平差模型，并根据最小二乘原理推导出计算视准轴角误差的法方程，求解得到视准轴误差改正量。该方法是以视准轴误差导致多方位扫描同一平面特征点云不共面为原理，基于Gauss-Helmert平差模型实现视准轴误差自标定的过程，但是缺少相应的控制平面条件对检校结果产生影响，例如参数之间的相关性等误差影响因素，其中，像平面参数与视准轴误差参数之间的相关性较强，需要很多不同朝向的平面限制其影响，但是要获取众多不同朝向的平面在实际中有时很困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于平面控制和约束结合的移动测量系统外参数标定方法，以解决现有技术中自检校参数相关性引起的误差因素，提高检校精度。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于平面控制和约束结合的移动测量系统外参数标定方法，包括如下步骤：a在移动测量系统中进行坐标转换激光点经过一系列坐标转换后在WGS-84坐标系下的最终形式为：其中，为激光扫描仪坐标系到惯性平台坐标系的旋转矩阵，为惯性平台坐标系到当地水平坐标系的旋转矩阵，为当地水平坐标系到WGS-84坐标系的旋转矩阵；X、Y、Z为坐标系的三个坐标轴；lx、ly、lz为偏心量在三个坐标轴上的分量；为扫描点在WGS-84坐标系下的坐标；为当地水平坐标系原点在WGS84下的空间直角坐标；为扫描点在激光扫描仪坐标系下的坐标；为激光扫描仪坐标系与载体坐标系之间的偏心量；b建立数学函数模型b.1基础平差模型对于t个点，定义向量xc∈Ru为标定参数，xp∈Rs为平面参数，l∈Rn为观测向量；u、s、n分别表示标定参数xc、平面参数xp和观测向量l的个数；观测向量值：l＝[XoeYoeZoerpyρθφ]；其中，Xoe、Yoe、Zoe表示当地水平坐标系原点在WGS84下的空间直角坐标系中的三个坐标；r、p、y分别表示惯导记录姿态角测量值侧滚角、俯仰角和偏航角；ρ表示测量点到激光扫描仪原点的距离，θ表示激光束扫描竖直角，φ表示激光束扫描水平角；对于Gauss-Helmert平差模型，其一般线性化形式为：其中，为未知待估计参数，A为对未知参数求一阶偏导后的设计矩阵，v表示观测值的改正数，B为对观测量求一阶偏导后的设计矩阵，w为闭合差向量；b.2基于控制平面的函数模型以Gauss-Helmert平差模型为基础，即公式(2)，基于控制平面的函数模型有：其中，其中，Xe、Ye、Ze为扫描点在WGS-84ECEF坐标系下坐标；fc表示控制平面的函数模型，为观测值平差值，表示为标定参数初始值，为构建模型标定参数；ap、bp、cp、dp表示平面参数；I表示单位矩阵，表示误差补偿矩阵，为旋转矩阵的近似值；Δκ、Δω、Δlx、Δly、Δlz为待标定参数；对式(3)进行线性化得Gauss-Helmert模型：其中，Ac表示为对标定参数求偏导的设计矩阵；Bc表示对观测量求偏导后的设计矩阵；即为标定参数改正平差值，为观测值的改正数，wc为该方程的闭合差向量；b.3基于约束平面的函数模型移动测量系统获取的具有平面特征的点云数据所满足的共面方程为：ax+by+cz-d＝0(5)其中，a、b、c为平面的法线向量，d为原点到平面的距离；平面参数满足的约束条件如下：其中，为待估计平面参数，为平面参数满足的约束条件方程，表示平面法线向量参数；其中，fp表示所列约束平面函数模型；表示对标定参数求偏导的设计矩阵，表示对平面参数求偏导的设计矩阵；表示对观测量求偏导的设计矩阵；为闭合差向量，为标定参数初始值，为平面参数初始值；表示平面参数改正平差值，表示约束平面观测值改正数；并有约束条件，对式(6)线性化有：其中，表示为约束函数关于平面参数的偏导矩阵，g表示为约束函数模型，为平面参数，表示改正数；c建立综合函数模型定义m为平面参数已知的控制平面个数，1≤j≤m，其中，j表示为第j个控制平面；k为平面参数未知的约束平面个数，1≤q≤k，其中，q表示为第q个约束平面；c.1控制平面累加基于基础模型，控制平面不断累加，对于m个不断添加的已知的控制平面，函数模型变化为：对第j个控制平面，有：其中，表示对第j个控制平面标定参数求偏导的设计矩阵；表示对第j个控制平面观测量求偏导后的设计矩阵；为第j个控制平面观测值的改正数；为第j个控制平面闭合差向量；对标定参数，求偏导的设计矩阵：其中，表示标定参数偏本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于平面控制和约束结合的移动测量系统外参数标定方法，包括如下步骤：a在移动测量系统中进行坐标转换激光点经过一系列坐标转换后在WGS‑84坐标系下的最终形式为：XYZe=XYZoe+RleRbl(RsbXYZs+lxlylzb)---(1)]]>其中，为激光扫描仪坐标系到惯性平台坐标系的旋转矩阵，为惯性平台坐标系到当地水平坐标系的旋转矩阵，为当地水平坐标系到WGS‑84坐标系的旋转矩阵；X、Y、Z为坐标系的三个坐标轴；lx、ly、lz为偏心量在三个坐标轴上的分量；为扫描点在WGS‑84坐标系下的坐标；为当地水平坐标系原点在WGS84下的空间直角坐标；为扫描点在激光扫描仪坐标系下的坐标；为激光扫描仪坐标系与载体坐标系之间的偏心量；b建立数学函数模型b.1基础平差模型对于t个点，定义向量xc∈Ru为标定参数，xp∈Rs为平面参数，l∈Rn为观测向量；u、s、n分别表示标定参数xc、平面参数xp和观测向量l的个数；观测向量值：l＝[Xoe Yoe Zoe r p y ρ θ φ]；其中，Xoe、Yoe、Zoe表示当地水平坐标系原点在WGS84下的空间直角坐标系中的三个坐标；r、p、y分别表示惯导记录姿态角测量值侧滚角、俯仰角和偏航角；ρ表示测量点到激光扫描仪原点的距离，θ表示激光束扫描竖直角，φ表示激光束扫描水平角；对于Gauss‑Helmert平差模型，其一般线性化形式为：其中，为未知待估计参数，A为对未知参数求一阶偏导后的设计矩阵，v表示观测值的改正数，B为对观测量求一阶偏导后的设计矩阵，w为闭合差向量；b.2基于控制平面的函数模型以Gauss‑Helmert平差模型为基础，即公式(2)，基于控制平面的函数模型有：fc(l^,x^c)=fc(l+v,xc0+δ^c)=apXe+bpYe+cpZe-dp=0---(3)]]>其中，其中，Xe、Ye、Ze为扫描点在WGS‑84ECEF坐标系下坐标；fc表示控制平面的函数模型，为观测值平差值，表示为标定参数初始值，为构建模型标定参数；ap、bp、cp、dp表示平面参数；I表示单位矩阵，表示误差补偿矩阵，为旋转矩阵的近似值；Δκ、Δω、Δlx、Δly、Δlz为待标定参数；对式(3)进行线性化得Gauss‑Helmert模型：其中，Ac表示为对标定参数求偏导的设计矩阵；Bc表示对观测量求偏导后的设计矩阵；即为标定参数改正平差值，为观测值的改正数，wc为该方程的闭合差向量；b.3基于约束平面的函数模型移动测量系统获取的具有平面特征的点云数据所满足的共面方程为：ax+by+cz‑d＝0 (5)其中，a、b、c为平面的法线向量，d为原点到平面的距离；平面参数满足的约束条件如下：g(x^p)=a^2+b^2+c^2-1=0---(6)]]>其中，为待估计平面参数，为平面参数满足的约束条件方程，表示平面法线向量参数；fp(l^,x^c,x^p)=fp(l+v,xc0+δ^c,xp0+δ^p)=0,Acpδ^c+Apδ^p+Bpv^p+wp=0---(7)]]>其中，fp表示所列约束平面函数模型；表示对标定参数求偏导的设计矩阵，表示对平面参数求偏导的设计矩阵；表示对观测量求偏导的设计矩阵；为闭合差向量，为标定参数初始值，为平面参数初始值；表示平面参数改正平差值，表示约束平面观测值改正数；并有约束条件，对式(6)线性化有：其中，表示为约束函数关于平面参数的偏导矩阵，g表示为约束函数模型，为平面参数，表示改正数；c建立综合函数模型定义m为平面参数已知的控制平面个数，1≤j≤m，其中，j表示为第j个控制平面；k为平面参数未知的约束平面个数，1≤q≤k，其中，q表示为第q个约束平面；c.1控制平面累加基于基础模型，控制平面不断累加，对于m个不断添加的已知的控制平面，函数模型变化为：对第j个控制平面，有：其中，表示对第j个控制平面标定参数求偏导的设计矩阵；表示对第j个控制平面观测量求偏导后的设计矩阵；为第j个控制平面观测值的改正数；为第j个控制平面闭合差向量；对标定参数，求偏导的设计矩阵：其中，表示标定参数偏导向量，1≤i≤t；对观测量求偏导后的设计矩阵：其中，表示观测值偏导向量，vi表示观测值改正向量，1≤i≤t；c.2约束平面累加在基于控制平面函数模型基础上，不断添加未知平面参数的约束平面，函数模型变化为：Ac1δ^c+Bc1v^c1+wc1=0Ac2δ^c+Bc2v^c2+wc2=0...Acmδ^c+Bcmv^cm+wcm=0Acp1δ^c+Ap1δ^p1+Bp1v^p1+wp1=0Gp1δ^p1+wG1=v^G1...Acpkδ^c+Apkδ^p...
【技术特征摘要】
1.基于平面控制和约束结合的移动测量系统外参数标定方法，包括如下步骤：a在移动测量系统中进行坐标转换激光点经过一系列坐标转换后在WGS-84坐标系下的最终形式为：XYZe=XYZoe+RleRbl(RsbXYZs+lxlylzb)---(1)]]>其中，为激光扫描仪坐标系到惯性平台坐标系的旋转矩阵，为惯性平台坐标系到当地水平坐标系的旋转矩阵，为当地水平坐标系到WGS-84坐标系的旋转矩阵；X、Y、Z为坐标系的三个坐标轴；lx、ly、lz为偏心量在三个坐标轴上的分量；为扫描点在WGS-84坐标系下的坐标；为当地水平坐标系原点在WGS84下的空间直角坐标；为扫描点在激光扫描仪坐标系下的坐标；为激光扫描仪坐标系与载体坐标系之间的偏心量；b建立数学函数模型b.1基础平差模型对于t个点，定义向量xc∈Ru为标定参数，xp∈Rs为平面参数，l∈Rn为观测向量；u、s、n分别表示标定参数xc、平面参数xp和观测向量l的个数；观测向量值：l＝[XoeYoeZoerpyρθφ]；其中，Xoe、Yoe、Zoe表示当地水平坐标系原点在WGS84下的空间直角坐标系中的三个坐标；r、p、y分别表示惯导记录姿态角测量值侧滚角、俯仰角和偏航角；ρ表示测量点到激光扫描仪原点的距离，θ表示激光束扫描竖直角，φ表示激光束扫描水平角；对于Gauss-Helmert平差模型，其一般线性化形式为：其中，为未知待估计参数，A为对未知参数求一阶偏导后的设计矩阵，v表示观测值的改正数，B为对观测量求一阶偏导后的设计矩阵，w为闭合差向量；b.2基于控制平面的函数模型以Gauss-Helmert平差模型为基础，即公式(2)，基于控制平面的函数模型有：fc(l^,x^c)=fc(l+v,xc0+δ^c)=apXe+bpYe+cpZe-dp=0---(3)]]>其中，其中，Xe、Ye、Ze为扫描点在WGS-84ECEF坐标系下坐标；fc表示控制平面的函数模型，为观测值平差值，表示为标定参数初始值，为构建模型标定参数；ap、bp、cp、dp表示平面参数；I表示单位矩阵，表示误差补偿矩阵，为旋转矩阵的近似值；Δκ、Δω、Δlx、Δly、Δlz为待标定参数；对式(3)进行线性化得Gauss-Helmert模型：其中，Ac表示为对标定参数求偏导的设计矩阵；Bc表示对观测量求偏导后的设计矩阵；即为标定参数改正平差值，为观测值的改正数，wc为该方程的闭合差向量；b.3基于约束平面的函数模型移动测量系统获取的具有平面特征的点云数据所满足的共面方程为：ax+by+cz-d＝0(5)其中，a、b、c为平面的法线向量，d为原点到平面的距离；平面参数满足的约束条件如下：g(x^p)=a^2+b^2+c^2-1=0---(6)]]>其中，为待估计平面参数，为平面参数满足的约束条件方程，表示平面法线向量参数；fp(l^,x^c,x^p)=fp(l+v,xc0+δ^c,xp0+δ^p)=0,Acpδ^c+Apδ^p+Bpv^p+wp=0---(7)]]>其中，fp表示所列约束平面函数模型；表示对标定参数求偏导的设计矩阵，表示对平面参数求偏导的设计矩阵；表示对观测量求偏导的设计矩阵；为闭合差向量，为标定参数初始值，为平面参数初始值；表示平面参数改正平差值，表示约束平面观测值改正数；并有约束条件，对式(6)线性化有：其中，表示为约束函数关于平面参数的偏导矩阵，g表示为约束函数模型，为平面参数，表示改正数；c建立综合函数模型定义m为平面参数已知的控制平面个数，1≤j≤m，其中，j表示为...
【专利技术属性】
技术研发人员：石波，宋世柱，崔强，陈焕剑，马跃，卢秀山，阳凡林，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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