连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法技术

本发明专利技术公开了连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述方法包括获得惯性运动数据和环境扫描数据；将所述惯性运动数据带入发明专利技术的惯性导航短时间误差模型推算，获得惯性导航相对位置误差数据；通过对所述惯性运动数据、所述惯性导航相对位置误差数据和所述环境扫描数据进行融合后，获得惯性导航误差；通过卡尔曼滤波计算对所述惯性导航误差进行修正，获得高精度位姿数据。本申请公开的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法通过激光辅助配合惯性导航技术减缓系统误差的发散速度，实现持续激光扫描辅助惯导持续定位，获得高精度位姿数据，对载体进行高精度定位定姿，弥补了传统定位系统的测量精度不足的问题。了传统定位系统的测量精度不足的问题。了传统定位系统的测量精度不足的问题。

【技术实现步骤摘要】
连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法


[0001]本专利技术涉及三维测绘
，特别是涉及连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法。

技术介绍

[0002]在测绘领域，动态精密工程测量是一种通过移动测量平台进行快速三维测量的前沿测绘技术，近些年来在公路、铁路等多个行业推广应用，极大地提高了三维空间数据的采集效率。动态精密工程测量是指在测量过程中设备不断变化位置进行测量的测量方法，运动的设备按照预定的扫描时间间隔自动采集数据进行观测，从而可以实时地确定采样点的空间位置。根据动态精密工程测量的特点，目前人们更趋向于在封闭或半封闭的人造场景中使用这种动态测量的方法，如大型建筑内部空间，复杂工业厂房，地铁隧道，地面立体交通结构，城市峡谷等，在这些环境中的施工、建造都需要高精度三维空间数据的支撑，正是在这些场所、设施的运营和管理中，人们需要用到动态精密工程测量技术来实现精确测量；另外，随着人类活动足迹的进一步拓展，很多复杂自然场景如森林、洞穴、外太空探索活动也需要大量高效的三维测量技术。
[0003]定位定姿是动态精密工程测量的关键支撑技术，其为环境测量数据提供统一的空间位置、姿态参考，直接影响最终数据成果质量。动态精密工程测量常用的定位定姿方法是卫星导航定位（GNSS，Global Navigation System）和惯性导航定位(INS，Inertial Navigation System)的组合定位方法，这种定位方法对应的系统简称为POS系统（Position and Orientation System）。POS系统中GNSS和INS之间具有很强的互补的关系。惯性导航系统利用高频测量的角速度和加速度积分得到姿态、位置和速度，但单纯惯性导航定位由于其积分定位原理，定位误差会随时间不断累积，直至发散。GNSS可以提供稳定的绝对位置、速度等观测值，修正惯性导航系统的误差。因此，POS系统可以实现组合导航系统的持续定位定姿，在开放场景中定位精度可达厘米级。
[0004]不过，现有的动态精密工程测量的测量过程中非常依赖GNSS，一旦发生卫星信号丢失则需要重新进行初始化，测绘工作不得不从头开始，测绘数据容易失去连贯性。在无GNSS信号环境或GNSS信号被干扰区域（弱GNSS环境)的动态精密工程测量成为难题，如果人们在封闭或者半封闭的环境中使用这种动态测量的方法，GNSS信号在复杂环境中，容易受到影响，可能产生多路径效应或信号遮挡，使得GNSS的定位误差显著增大甚至出现粗差，不能对惯性导航误差进行有效纠正，导致误差增大或发散，会使得POS系统产生测量精度不足的问题。
[0005]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，旨在解决定位定姿系统在卫星导航定位信号弱的环境中测量精度不足的问
题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：一种连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，包括：获得坐标系中的惯性运动数据和环境扫描数据；将所述惯性运动数据带入预设的惯性导航短时间误差模型推算，获得惯性导航相对位置误差数据；通过对所述惯性运动数据、所述惯性导航相对位置误差数据和所述环境扫描数据进行融合后，获得惯性导航误差；通过卡尔曼滤波计算对所述惯性导航误差进行修正，获得高精度位姿数据。
[0008]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述通过卡尔曼滤波计算对所述惯性导航误差进行修正，获得高精度位姿数据的步骤之后，还包括：通过平滑算法对所述高精度位姿数据进行反向平滑计算，获得平滑后的位姿数据。
[0009]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述惯性运动数据通过惯性导航系统测量，所述环境扫描数据通过激光扫描仪测量；所述惯性导航系统和所述激光扫描仪集成在一起。
[0010]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述预设的惯性导航短时间误差模型建立在坐标系中，所述坐标系包括载体坐标系、局部水平坐标系和轨迹坐标系；所述载体坐标系与载体固连，中心为载体中心，x轴指向右向，y轴指向前向，z轴沿铅锤方向指向上；所述局部水平坐标系中心为载体中心，x轴指向东方向，y轴指向北方向，z轴沿铅锤方向指向上，所述载体坐标系的姿态在所述局部水平坐标系中进行表达；所述轨迹坐标系的中心为载体中心，坐标轴姿态为导航系统计算得到的姿态，与所述局部水平坐标系存在一个误差角，记为。
[0011]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述预设的惯性导航短时间误差模型为：其中，为时刻载体在所述轨迹坐标系的位置误差，为时刻所述轨迹坐标系的速度误差，为测量时刻与时刻的时间间隔，为时刻所述轨迹坐标系因姿态角误差造成的重力分解误差，为未补偿的加速度计零偏，为预积分量，为惯性导航姿态矩阵，表示系统从所述载体坐标系到所述轨迹坐标系的转换关系。
[0012]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述通过对所述惯性运动数据、所述惯性导航相对位置误差数据和所述环境扫描数据进行融合后，获得惯性导航误差的步骤，具体包括：利用所述惯性运动数据对所述环境扫描数据进行转换，获得所述轨迹坐标系中的
扫描点云的坐标；对扫描点云进行配准，得到不同时间点扫描点云重叠部分的配准点对的坐标；融合所述配准点对的坐标和所述惯性导航相对位置误差数据，计算出所述配准点对之间的距离；根据所述配准点对之间的距离计算配准误差矢量；通过利用最小二乘法的原理进行估计，融合所述配准误差矢量，计算出惯性导航误差。
[0013]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述对扫描点云进行配准，得到不同时间点扫描点云重叠部分的配准点对的坐标的步骤，具体包括：通过最邻近匹配方法或者特征匹配方法构建扫描点云的配准点对。
[0014]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其中，所述通过卡尔曼滤波计算对所述惯性导航误差进行修正，获得高精度位姿数据的步骤，具体包括：构建所述惯性运动数据的状态向量；通过点云配准估计的所述轨迹坐标系中的速度误差、重力分解误差和加速度零偏误差构建观测值；构建所述观测值与所述状态向量之间的函数关系，获得测量模型；在所述测量模型中利用序列扫描配准激光点云估计并修正所述惯性导航误差，以持续激光扫描辅助关系导航系统持续定位，获得高精度位姿数据。
[0015]本申请还公开了一种连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿系统，其中，包括移动载体、惯性导航装置、激光扫描仪和处理模块，所述惯性导航装置设置于所述移动载体上，用于获得惯性运动数据；所述激光扫描仪设置于所述移动载体上，用于获得环境扫描数据；所述处理模块与所述惯性导航装置和所述激光扫描仪连接，用于收集所述惯性运动数据和所述环境扫描数据，并执行如上任一所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法。
[0016]所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿系统，其中，所述系统还包括平滑滤波器。
[0017]与现有技术相比，本专利技术实施例具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其特征在于，包括：获得坐标系中的惯性运动数据和环境扫描数据；将所述惯性运动数据带入预设的惯性导航短时间误差模型推算，获得惯性导航相对位置误差数据；通过对所述惯性运动数据、所述惯性导航相对位置误差数据和所述环境扫描数据进行融合后，获得惯性导航误差；通过卡尔曼滤波计算对所述惯性导航误差进行修正，获得高精度位姿数据。2.根据权利要求1所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其特征在于，所述通过卡尔曼滤波计算对所述惯性导航误差进行修正，获得高精度位姿数据的步骤之后，还包括：通过平滑算法对所述高精度位姿数据进行反向平滑计算，获得平滑后的位姿数据。3.根据权利要求1所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其特征在于，所述惯性运动数据通过惯性导航系统测量，所述环境扫描数据通过激光扫描仪测量；所述惯性导航系统和所述激光扫描仪集成在一起。4.根据权利要求1所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其特征在于，所述预设的惯性导航短时间误差模型建立在坐标系中，所述坐标系包括载体坐标系、局部水平坐标系和轨迹坐标系；其中，所述载体坐标系与载体固连，中心为载体中心，x轴指向右向，y轴指向前向，z轴沿铅锤方向指向上；所述局部水平坐标系中心为载体中心，x轴指向东方向，y轴指向北方向，z轴沿铅锤方向指向上，所述载体坐标系的姿态在所述局部水平坐标系中进行表达；所述轨迹坐标系的中心为载体中心，坐标轴姿态为导航系统计算得到的姿态，与所述局部水平坐标系存在一个误差角，记为。5.根据权利要求4所述的连续激光扫描配准辅助惯性定位定姿方法，其特征在于，所述预设的惯性导航短时间误差模型为：其中，为时刻载体在所述轨迹坐标系的位置误差，为时刻所述轨迹坐标系的速度误差，为测量时刻与时刻的时间间隔，为时刻所述轨迹坐标系因姿态角误差造成的重力分解误差，为未补偿的加速度计零偏，为预积分量，为惯性导航姿态矩阵，表示系统从所述载体坐标系到所述轨迹坐标系的转换关系。6.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智鹏，李清泉，梁安邦，张德津，殷煜，吕世望，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：