一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法技术

一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，涉及激光传感技术领域，针对现有技术中对激光雷达的标定精度差的问题，本发明专利技术从误差的角度出发，基于二维转台的结构及测距系统激光的方向与转台轴系的关系，深入研究了激光雷达的几何误差。在此基础上,基于坐标变换的原理，得出了激光雷达的坐标变换矩阵和误差矩阵。通过坐标变换矩阵与误差矩阵的运算，建立优化函数，提高三维扫描数据的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法
本专利技术涉及激光传感
，具体为一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法。
技术介绍
基于激光雷达的大尺寸三维形貌的精密测量，可满足前沿基础研究、航空航天、国防、民用等领域对于大型构件的测量需求。激光雷达采用高精度绝对距离测量配合高精密二维转台的方式。高精度测距方法采用扫频干涉测距方法，已经实现了较高精度。克服机械装配误差大的难题，实现二维转台的高精度定位的精度成为挑战。现阶段对激光雷达的标定方法，主要为根据激光雷达的几何误差在激光雷达在不同测量角度引起的角度误差及测距误差的不同，使激光雷达在不同的角度范围扫描同一平面，得到两组有偏差的点云，利用点到面的ICP配准得到激光雷达内部参数误差矩阵的方式，提高激光雷达的精度。然而该方法估计出激光雷达反射镜旋转中心与电机旋转中心之间的偏移，但标定后的精度仍不能满足高精度的三维形貌测量需求，原因是转台轴系的误差未得到校准，比如俯仰轴相对方位轴的垂直度误差、相交度误差，反射面与俯仰轴线不共面、入射光相对方位轴的不共轴等。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有技术中对激光雷达的标定精度差的问题，提出一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法。本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，包括以下步骤：步骤一：利用激光雷达获取光斑，并对获取到的光斑进行定位；步骤二：针对定位后的光斑，规划光斑的运动平面；步骤三：获取光斑在运动平面内的运动参数及标称值；步骤四：获取光斑的实际位置；步骤五：根据光斑的运动参数、标称值及光斑的实际位置得到任意两个光斑的相对位置误差Δdi；步骤六：将任意两个光斑的相对位置误差Δdi的几何误差参数初始值设置为0，然后利用Levenberg-Marquardt算法得到时所对应的几何误差；步骤七：根据步骤六得到的几何误差更新光斑的实际位置，完成校准。进一步的，所述步骤一的具体步骤为；步骤一一：将一块镀了氧化铝膜的玻璃基板与相机固定在一起作为光斑定位测头；步骤一二：调整相机的位置，保证玻璃基板位于相机视场范围内；步骤一三：利用镀了氧化铝膜的玻璃基板接收激光雷达产生的光斑，然后利用相机拍摄光斑，得到光斑图像；步骤一四：根据得到的光斑图像，利用光斑质心提取算法得到光斑质心在光斑图像中的坐标；步骤一五：将光斑质心调整到光斑图像中心位置。进一步的，所述步骤二的具体步骤为：步骤二一：将光斑定位测头安装在三坐标测量机的主轴上，并设定三坐标测量机的运动范围；步骤二二：在运动范围空间内，将光斑定位测头的运动轨迹分布在多个平面内，平面之间的间隔在三坐标测量机的y轴上均分，所述平面与xoz平面平行。进一步的，所述平面为3个。进一步的，所述三坐标测量机的运动范围不小于1m*1m*1m。进一步的，所述步骤三的具体步骤为：步骤三一：将激光雷达机身位于三坐标测量机的y轴上，调整激光雷达机身高度，使激光雷达反射镜中心与三坐标测量机坐标系下的点(0，0，1000)之间的连线与y轴平行；步骤三二：调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使激光雷达光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；步骤三三：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三二中方位轴与俯仰轴的旋转角度相同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴顺时针旋转180°，俯仰轴顺时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三二相反的工字形轨迹，然后使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿与步骤三二相反的工字形轨迹运动，得到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；步骤三四：测量完毕后，改变激光雷达机身位置，将激光雷达沿x轴正方向平移1m，调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔逆时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；步骤三五：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三四中方位轴与俯仰轴的旋转角度相同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴逆时针旋转180°，俯仰轴顺时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三四相反的工字形轨迹，然后使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头再三个平面内沿与步骤三四相反的工字形轨迹运动，得到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；步骤三六：记录步骤三二、步骤三三、步骤三四和步骤三五中激光雷达每次的运动参数，所述运动参数包括激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值，同时记录三坐标测量机带动光斑定位测头每次跟随并定位光斑时三坐标测量机的移动参数，即任意光斑之间的距离作为标称值。进一步的，所述步骤四中光斑的实际位置表示为：其中b为反射光出光点坐标，l为反射光出光点到目标点的距离，e为反射光向量，表示激光雷达方位角测量值，lc表示距离测量值，表示俯仰角测量值，m＝1,2…5，ε表示角度误差，δ表示平移误差，m表示误差的序号。进一步的，所述几何误差的具体获取步骤为：取任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应的两组运动参数及两组运动参数所对应的两个光斑位置，根据两个光斑位置及两个光斑位置所对应的三坐标测量机移动两次后两点间的距离d0i得到两个光斑的相对位置误差Δdi，然后设置误差参数初始值为0，最后利用Levenberg-Marquardt算法得到时所对应的几何误差。进一步的，所述任意两个光斑的相对位置误差Δdi表示为：Δdi＝(Pi–Pj)-d0i，其中，Pi和Pj表示任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应的两组运动参数所对应的两个光斑位置，i≠j。本专利技术的有益效果是：本专利技术从误差的角度出发，基于二维转台的结构及测距系统激光的方向与转台轴系的关系，深入研究了激光雷达的几何误差。在此基础上,基于坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：利用激光雷达获取光斑，并对获取到的光斑进行定位；/n步骤二：针对定位后的光斑，规划光斑的运动平面；/n步骤三：获取光斑在运动平面内的运动参数及标称值；/n步骤四：获取光斑的实际位置；/n步骤五：根据光斑的运动参数、标称值及光斑的实际位置得到任意两个光斑的相对位置误差Δd

【技术特征摘要】
1.一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：利用激光雷达获取光斑，并对获取到的光斑进行定位；
步骤二：针对定位后的光斑，规划光斑的运动平面；
步骤三：获取光斑在运动平面内的运动参数及标称值；
步骤四：获取光斑的实际位置；
步骤五：根据光斑的运动参数、标称值及光斑的实际位置得到任意两个光斑的相对位置误差Δdi；
步骤六：将任意两个光斑的相对位置误差Δdi的几何误差参数初始值设置为0，然后利用Levenberg-Marquardt算法得到时所对应的几何误差；
步骤七：根据步骤六得到的几何误差更新光斑的实际位置，完成校准。


2.根据权利要求1所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤为；
步骤一一：将一块镀了氧化铝膜的玻璃基板与相机固定在一起作为光斑定位测头；
步骤一二：调整相机的位置，保证玻璃基板位于相机视场范围内；
步骤一三：利用镀了氧化铝膜的玻璃基板接收激光雷达产生的光斑，然后利用相机拍摄光斑，得到光斑图像；
步骤一四：根据得到的光斑图像，利用光斑质心提取算法得到光斑质心在光斑图像中的坐标；
步骤一五：将光斑质心调整到光斑图像中心位置。


3.根据权利要求2所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤为：
步骤二一：将光斑定位测头安装在三坐标测量机的主轴上，并设定三坐标测量机的运动范围；
步骤二二：在运动范围空间内，将光斑定位测头的运动轨迹分布在多个平面内，平面之间的间隔在三坐标测量机的y轴上均分，所述平面与xoz平面平行。


4.根据权利要求3所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述平面为3个。


5.根据权利要求3所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述三坐标测量机的运动范围不小于1m*1m*1m。


6.根据权利要求5所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤为：
步骤三一：将激光雷达机身位于三坐标测量机的y轴上，调整激光雷达机身高度，使激光雷达反射镜中心与三坐标测量机坐标系下的点(0，0，1000)之间的连线与y轴平行；
步骤三二：调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使激光雷达光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三三：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三二中方位轴与俯仰轴的旋转角度相同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴顺时针旋转180°，俯仰轴顺时...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘雨，刘国栋，赵童，卢丙辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23