一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法技术

本发明专利技术公开一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法，该方法主要针对自制激光雷达系统45°转镜配合云台转动的扫描方式，通过计算方位轴的铅垂度误差对自制系统测角误差的影响，建立自制激光雷达系统点云误差校正模型，采用高精度三维扫描仪对目标的扫描点云坐标作为真实值求解铅垂度误差，从而实现自制激光雷达系统铅垂度误差对目标点云的误差校正。所述方法主要包括以下三步：1)建立由铅垂度误差引起的自制激光雷达三维成像系统测角误差模型并化简；2)得到自制激光雷达三维成像系统点云误差模型；3)求解自制激光雷达三维成像系统点云误差模型中的铅垂度误差，并根据模型对自制激光雷达系统目标点云进行校正。

A method of point cloud error correction based on sag error of homemade ground-based lidar

The invention discloses a self correction method of laser radar ground verticality error of point cloud based on error, the method mainly based on the homemade laser radar system with 45 degree rotating mirror scanning head rotation, by calculating the azimuth axis verticality error influence on self-made system angle measurement error, establishment of LIDAR point cloud the error correction model, using high precision 3D scanning point cloud on the target coordinates as the true value for the vertical error, so as to realize the homemade laser radar system verticality error correction error on target point cloud. The method mainly comprises the following three steps: 1) the establishment of angle error of homemade 3D imaging laser radar and model simplification caused by vertical error; 2) by homemade 3D imaging laser radar point cloud error model; 3) for homemade 3D imaging laser radar point cloud model in vertical degree of error according to the model error, and corrects the homemade laser radar point cloud system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法
本专利技术涉及激光雷达测量
，尤其是一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法
技术介绍
激光雷达测量技术是近些年来快速发展的一种新兴主动遥感技术，一般采用非接触式测量技术，在遥感、军事探测、海洋测绘、大气勘探领域有着广泛的应用。激光雷达中的三维扫描测量技术在传统单点测量技术的基础上，通过高速激光扫描的方式，可以快速获取目标物体表面的高分辨率点云数据，该项技术具有数据处理简单、快速性、主动性、抗干扰能力强、测量精度高、范围大等优点。但激光雷达扫描精度很大程度上受到自身仪器精度影响，实际使用中，仪器的精度本身不完全符合其标称精度，或者因使用时的外力碰撞、外界条件变化、长时间使用带来的损耗以及其他未知因素造成仪器性能不稳定，扫描结果可能出现系统性误差。因此，有效消除激光雷达仪器误差，是提高扫描点云精度的关键。根据现有研究成果，激光雷达主要分为机载激光雷达和地面激光雷达两大类，关于激光雷达三维成像系统的点云误差校正方法也各有不同，第一类基于机载激光雷达系统的标定方法以飞行自标定为主，基本思想是利用激光对已知的目标点或者相对目标点进行扫描，对过程中产生的固定偏移量进行参数估计，包括重叠航带标定技术、最小二乘平差法几何标定技术等。其中，重叠航带标定技术对航带拼接技术有着较高的要求；平差法求解中的假设前提条件一般难以成立，可能造成参数估计精度下降等问题。上述机载激光雷达系统的标定方法和本专利技术无对比，无借鉴。第二类基于地面激光雷达系统的标定方法绝大多数是在室内或者基线场完成，一些涉及点位精度的检定实验主要采用公共点转换的方法，大多采用系统配套的标靶进行试验，包括空间长度检测法、自检校法等。空间长度检测法对检测场有着较高要求，需要场地具有很高精度，较依赖扫描目标布设的精度；自检校法一般采用全站仪、经纬仪等仪器对激光雷达系统建立检校模型，模型一般包含坐标系旋转角、平移量以及仪器内部误差等参数，将这些参数作为未知量经过统一求解得出来，该方法可以通过增加参数的方式不断完善误差模型，提高系统误差的校正精度，检校激光雷达系统的范围比较广泛，且对目标物体的布设精度没有十分高的要求。本专利技术就属于一种系统自检校方法。根据现有专利局提供的专利查阅，地面激光雷达系统的自检校方法主要分为以下两类：第一类方法采用公共标志点得到待校准系统与高精度扫描仪之间的坐标旋转、平移量，直接以待校准系统测量值与标准测量值之差作为系统空间坐标测量误差。该类方法针对所有空间三维坐标测量系统，得到空间坐标测量相对误差，其缺点是仅在三维点云层面评估和校正误差，未构建系统误差模型，且需要大量样本数据才能实现精确校正；上述专利包括在中国专利200810147441.9中公开的“一种电子经纬仪空间坐标测量系统的校准方法”。第二类方法采用统计学方法对系统测距误差和测角误差的概率密度分布进行分析，得到三维坐标系中的误差修正样本。该类方法针对所有三维坐标测量系统，得到系统误差修正模型，其缺点是系统误差模型参数没有物理意义，并未针对系统本身扫描方式从误差源的角度进行理论分析，因此依赖大样本数据才能实现精确校正；上述专利包括在中国专利201710014687.8中公开的“一种远距离扫描激光雷达测量误差的修正方法”。本专利技术与现有系统自检校方法专利的主要区别在于：提出了一种针对系统本身扫描方式从误差源的角度进行理论分析、利用少量目标点实现自制地基激光雷达铅垂度误差点云误差校正的方法，适用于所有采用45°转镜配合云台转动扫描方式的三维扫描系统。本专利技术在激光雷达测量
具有广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术公开一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法，其特征在于，该方法针对自制激光雷达三维成像系统中45°转镜配合云台转动的扫描方式，其中所述自制激光雷达三维成像系统包括光学系统、扫描机构(电机、45°转镜)、云台；入射光经所述光学系统出射到所述45°转镜中心(O点)，伴随所述扫描机构垂直旋转、所述云台水平旋转从所述自制激光雷达三维成像系统中出射；所述自制激光雷达三维成像系统的理想坐标系(O-XYZ)包括俯仰轴(X轴)、初始出射光线方向(Y轴)和方位轴(Z轴)；所述自制激光雷达三维成像系统的实际坐标系(O-X’Y’Z’)在所述理想坐标系(O-XYZ)基础上，实际方位轴(Z’轴)与所述Z轴之间存在夹角α，即所述实际方位轴(Z’轴)不铅垂，且所述实际方位轴(Z’轴)在XOY平面上的投影与所述X轴之间存在夹角θ，由于实际俯仰轴与所述实际方位轴互相垂直，因此X’轴为所述实际俯仰轴，根据右手坐标法则建立Y’轴；所述铅垂度误差定义为：①所述实际方位轴(Z’轴)与所述Z轴之间的夹角α；②所述实际方位轴(Z’轴)在所述XOY平面上的投影与所述X轴之间的夹角θ，从X轴正半轴起算，逆时针方向为正，范围为0°至360°；目标上一点P在所述理想坐标系(O-XYZ)中一维距离L定义为的长度，方位角定义为在所述XOY平面的投影与X轴的夹角，从X轴正半轴起算，逆时针方向为正，范围为0°至360°，俯仰角定义为90°与和Z轴之间夹角的差，所述一维距离L、所述方位角和所述俯仰角的测量误差分别为测距误差ΔL、方位角误差和俯仰角误差通过理论分析所述铅垂度误差(α、θ)对所述自制激光雷达三维成像系统测角误差(方位角误差俯仰角误差)的影响，建立所述自制激光雷达三维成像系统的测角误差模型；所述目标的点云定义为目标上一点的直角坐标(x,y,z)T，目标的点云误差定义为所述目标点云的坐标测量值与真实值的偏差(Δx,Δy,Δz)T，根据所述目标的点云误差(Δx,Δy,Δz)T与所述目标测角误差(方位角误差俯仰角误差)之间的误差传递原则，建立所述自制激光雷达三维成像系统的点云误差模型如下：得到所述自制激光雷达三维成像系统对所述铅垂度误差(α、θ)校正后的所述目标点云坐标为：(x+Δx,y+Δy,z+Δz)T从而实现对所述自制激光雷达三维成像系统铅垂度误差(α、θ)的点云误差校正；所述方法主要包括以下七步：1)建立所述自制激光雷达三维成像系统理想坐标系(O-XYZ)，由于实际方位轴(Z’轴)不铅垂，即所述实际方位轴(Z’轴)与所述理想方位轴(Z轴)之间存在夹角α，所述实际方位轴(Z’轴)在所述XOY平面上的投影与所述理想俯仰轴(X轴)之间存在夹角θ，从X轴正半轴起算，逆时针方向为正，范围为0°至360°，且所述实际俯仰轴与所述实际方位轴(Z’轴)互相垂直，因此X’轴定义为所述实际俯仰轴，根据右手坐标法则建立Y’轴，为所述自制激光雷达三维成像系统实际坐标系(O-X’Y’Z’)；所述目标上任意一点P在所述理想坐标系(O-XYZ)中的测量值为方位角俯仰角所述目标上任意一点P在所述理想坐标系(O-XYZ)中的真实值为方位角俯仰角所述和差值为方位角误差所述和差值为俯仰角误差2)建立由所述铅垂度误差(α、θ)引起的所述自制激光雷达三维成像系统测角误差模型；该模型分别描述了所述测角误差(方位角误差俯仰角误差)和所述铅垂度误差(α、θ)以及所述目标的方位角俯仰角之间的数学关系，如下所示：3)基于对所述铅垂度误差(α、θ)的三角函数值进行近似变换，化简所述自制激光雷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法，其特征在于，该方法针对自制激光雷达三维成像系统中45°转镜配合云台转动的扫描方式，其中所述自制激光雷达三维成像系统包括光学系统、扫描机构(电机、45°转镜)、云台；入射光经所述光学系统出射到所述45°转镜中心(O点)，伴随所述扫描机构垂直旋转、所述云台水平旋转从所述自制激光雷达三维成像系统中出射；所述自制激光雷达三维成像系统的理想坐标系(O‑XYZ)包括俯仰轴(X轴)、初始出射光线方向(Y轴)和方位轴(Z轴)；所述自制激光雷达三维成像系统的实际坐标系(O‑X’Y’Z’)在所述理想坐标系(O‑XYZ)基础上，实际方位轴(Z’轴)与所述Z轴之间存在夹角α，即所述实际方位轴(Z’轴)不铅垂，且所述实际方位轴(Z’轴)在XOY平面上的投影与所述X轴之间存在夹角θ，由于实际俯仰轴与所述实际方位轴互相垂直，因此X’轴为所述实际俯仰轴，根据右手坐标法则建立Y’轴；所述铅垂度误差定义为：①所述实际方位轴(Z’轴)与所述Z轴之间的夹角α；②所述实际方位轴(Z’轴)在所述XOY平面上的投影与所述X轴之间的夹角θ，从X轴正半轴起算，逆时针方向为正，范围为0°至360°；目标上一点P在所述理想坐标系(O‑XYZ)中一维距离L定义为...

【技术特征摘要】
1.一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法，其特征在于，该方法针对自制激光雷达三维成像系统中45°转镜配合云台转动的扫描方式，其中所述自制激光雷达三维成像系统包括光学系统、扫描机构(电机、45°转镜)、云台；入射光经所述光学系统出射到所述45°转镜中心(O点)，伴随所述扫描机构垂直旋转、所述云台水平旋转从所述自制激光雷达三维成像系统中出射；所述自制激光雷达三维成像系统的理想坐标系(O-XYZ)包括俯仰轴(X轴)、初始出射光线方向(Y轴)和方位轴(Z轴)；所述自制激光雷达三维成像系统的实际坐标系(O-X’Y’Z’)在所述理想坐标系(O-XYZ)基础上，实际方位轴(Z’轴)与所述Z轴之间存在夹角α，即所述实际方位轴(Z’轴)不铅垂，且所述实际方位轴(Z’轴)在XOY平面上的投影与所述X轴之间存在夹角θ，由于实际俯仰轴与所述实际方位轴互相垂直，因此X’轴为所述实际俯仰轴，根据右手坐标法则建立Y’轴；所述铅垂度误差定义为：①所述实际方位轴(Z’轴)与所述Z轴之间的夹角α；②所述实际方位轴(Z’轴)在所述XOY平面上的投影与所述X轴之间的夹角θ，从X轴正半轴起算，逆时针方向为正，范围为0°至360°；目标上一点P在所述理想坐标系(O-XYZ)中一维距离L定义为的长度，方位角定义为在所述XOY平面的投影与X轴的夹角，从X轴正半轴起算，逆时针方向为正，范围为0°至360°，俯仰角定义为90°与和Z轴之间夹角的差，所述一维距离L、所述方位角和所述俯仰角的测量误差分别为测距误差ΔL、方位角误差和俯仰角误差通过理论分析所述铅垂度误差(α、θ)对所述自制激光雷达三维成像系统测角误差(方位角误差俯仰角误差)的影响，建立所述自制激光雷达三维成像系统的测角误差模型；所述目标的点云定义为目标上一点的直角坐标(x,y,z)T，目标的点云误差定义为所述目标点云的坐标测量值与真实值的偏差(Δx,Δy,Δz)T，根据所述目标的点云误差(Δx,Δy,Δz)T与所述目标测角误差(方位角误差俯仰角误差)之间的误差传递原则，建立所述自制激光雷达三维成像系统的点云误差模型如下：得到所述自制激光雷达三维成像系统对所述铅垂度误差(α、θ)校正后的所述目标点云坐标为：(x+Δx,y+Δy,z+Δz)T从而实现对所述自制激光雷达三维成像系统铅垂度误差(α、θ)的点云误差校正；所述方法主要包括以下七步：1)建立所述自制激光雷达三维成像系统理想坐标系(O-XYZ)，由于实际方位轴(Z’轴)不铅垂，即所述实际方位轴(Z’轴)与所述理想方位轴(Z轴)之间存在夹角α，所述实际方位轴(Z’轴)在所述XOY平面上的投影与所述理想俯仰轴(X轴)之间存在夹角θ，从X轴正半轴起算，逆时针方向为正，范围为0°至360°，且所述实际俯仰轴与所述实际方位轴(Z’轴)互相垂直，因此X’轴定义为所述实际俯仰轴，根据右手坐标法则建立Y’轴，为所述自制激光雷达三维成像系统实际坐标系(O-X’Y’Z’)；所述目标上任意一点P在所述理想坐标系(O-XYZ)中的测量值为方位角俯仰角所述目标上任意一点P在所述理想坐标系(O-XYZ)中的真实值为方位角俯仰角所述和差值为方位角误差所述和差值为俯仰角误差2)建立由所述铅垂度误差(α、θ)引起的所述自制激光雷达三维成像系统测角误差模型；该模型分别描述了所述测角误差(方位角误差俯仰角误差)和所述铅垂度误差(α、θ)以及所述目标的方位角俯仰角之间的数学关系，如下所示：3)基于对所述铅垂度误差(α、θ)的三角函数值进行近似变换，化简所述自制激光雷达三维成像系统测角误差模型，如下所示：4)根据误差传递原则，建立所述自制激光雷达三维成像系统的点云误差(Δx,Δy,Δz)T与所述测距误差ΔL、所述测角误差(方位角误差俯仰角误差)之间的映射关系，如下所示：其中，L为所述目标上任意一点在所述自制激光雷达三维成像系统理想坐标系(O-XYZ)中的一维距离，ΔL为所述目标上任意一点一维距离L的测量误差；5)将所述自制激光雷达三维成像系统测角误差模型转化到直角坐标系下，得到所述自制激光雷达三维成像系统的点云误差模型如下：6)利用所述自制激光雷达三维成像系统对N个所述目标进行扫描，得到所述目标在所述自制激光雷达三维成像系统中的坐标(xi,yi,zi)T，(i＝1,2,…,N)，作为测量值；利用高精度三维扫描仪对所述目标进行二次扫描，得到所述目标在所述高精度三维扫描仪中的坐标(x′i,y′i,z′i)T，(i＝1,2,…,N)，将其转化到所述自制激光雷达三维成像系统下，作为真实值；所述测量值与所述真实值之差为所述自制激光雷达三维成像系统的点云误差(Δxi,Δyi,Δzi)T，(i＝1,2,…,N)；根据球坐标系与直角坐标系之间的映射关系，由所述测量值得到所述目标的一维距离Li、方位角和俯仰角所述目标的测距误差ΔLi在所述一维距离Li处于一定范围内时视为一个已知常数；7)求解所述自制激光雷达三维成像系统点云误差模型中的模型参数，即所述铅垂度误差(α、θ)，对所述自制激光雷达三维成像系统铅垂度误差(α、θ)的点云误差进行校正；将所述自制激光雷达三维成像系统的点云误差(Δxi,Δyi,Δzi)T，(i＝1,2,…,N)、所述目标的一维距离Li、方位角俯仰角和测距误差ΔLi代入所述公式(4)中，得到3*N个非线性方程，通过求解所述非线性方程确定所述自制激光雷达三维成像系统点云误差模型中的所述铅垂度误差(α、θ)；将所述铅垂度误差(α、θ)代入式(4)，在所述自制激光雷达三维成像系统的所述目标点云坐标(x,y,z)T基础上，得到所述自制激光雷达三维成像系统校正后的所述目标点云坐标(x+Δx,y+Δy,z+Δz)T。2.根据权利要求1所述的一种基于自制地基激光雷达铅垂度误差的点云误差校正方法，其特征在于，建立所述自制激光雷达三维成像系统理想坐标系(O-XYZ)；所述自制激光雷达三维成像系统的俯仰轴定义为所述45°转镜的电机转轴，方位轴定义为所述云台的转轴；理想情况下，所述方位轴与铅垂轴重合；所述45°转镜的反射面中心，即所述入射光入射到所述反射面上的交点为坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小路，徐立军，李昀晔，谢鑫浩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11