[发明专利]一种基于反射强度辅助外部校准的激光探测与测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光探测与测量领域，尤其是涉及了一种基于反射强度辅助外部校准的激光 探测与测量方法。

背景技术

激光探测与测量(LiDAR)激光探测及测距系统的统称，是一种集合激光测距技术、惯 性导航系统以及全球定位系统三种技术于一身的新兴系统，用来获取高密度、高精度的三维 坐标点集云，并可以构造建立目标物体的三维立体模型，是获取空间三维数据信息的一种极 其重要的技术手段，也是目前为止最先进的三维航空遥感测量技术。它在国民经济建设中如 城市的三维建模、城市规划、交通通讯、道路设计、水利电力勘察设计、国土资源测绘、煤 矿区地质监测、大型工程的测量、自然灾害的评估、防震减灾、农业开发、水利工程、资源 调查以及勘察测绘、土地利用、海洋以及大气的监测、测速和识别移动的目标、军事侦察以 及空间碎片的探测等各个领域内都得到了广泛的应用。然而，现有激光探测与测量利用的是 棋盘的点云的边缘信息，容易导致测量不准的问题。

本发明提出了一种基于反射强度辅助外部校准的激光探测与测量方法，先将从激光探测 与测量获得的点云分为多个部分；从片段中识别棋盘中的点云基于片段的特征，再通过最小 化损失函数估计点云中棋盘的角点，然后通过求解绝对姿态问题，用相应的对数估计变换矩 阵的初始值，最后通过优化提出的非线性损失函数来确定最终值。本发明利用棋盘的点云的 角点信息，而不是边缘信息，通过求解强度信息的优化问题来估计稀疏和嘈杂的棋盘的点云 的角度，有效提高了测量的精度和准确性。

发明内容

针对测量不准的问题，本发明的目的在于提供一种基于反射强度辅助外部校准的激光探 测与测量方法，先将从激光探测与测量获得的点云分为多个部分；从片段中识别棋盘中的点 云基于片段的特征，再通过最小化损失函数估计点云中棋盘的角点，然后通过求解绝对姿态 问题，用相应的对数估计变换矩阵的初始值，最后通过优化提出的非线性损失函数来确定最 终值。

为解决上述问题，本发明提供一种基于反射强度辅助外部校准的激光探测与测量方法， 其主要内容包括：

(一)自动检测棋盘；

(二)角点估计；

(三)外部校准估计。

其中，所述的基于反射强度辅助外部校准的激光探测与测量方法，首先，将从激光探测 与测量(LiDAR)获得的点云分为多个部分；棋盘中的点云基于片段的特征从片段中识别； 通过将定义的损失函数最小化来估计点云中棋盘的角点；另一方面，使用现有方法检测图像 中棋盘的角点；角点的对应数是基于预定计数顺序而构建的；然后，通过求解绝对姿态问题， 相应的对数被用来估计变换矩阵的初始值；最后，通过优化提出的非线性损失函数来确定最 终值。

其中，所述的自动检测棋盘，自动检测棋盘即从棋盘上自动提取点数的过程，包括点云 的分割和从片段中找到棋盘。

进一步地，所述的点云的分割，区域增长通常用于分割点云；区域增长估计基于平面的 每个点的曲率值和法向量；然后根据欧氏距离和法线向量的角度对点进行聚类；随机抽样一 致性(RANSAC)算法也用于形状提取；例如，平面模型的RANSAC应用于从点云的平面拟 合和提取；然而，这两种方法在处理稀疏和非均匀分布的点云时都遇到困难；基于扫描线的 分割方法适用于处理这种点云，该方法首先根据沿着扫描方向的连续点之间的距离和方向的 变化将点云的单个帧聚类成扫描线段；然后，扫描线段基于它们的相似性聚集成片段；该方 法显示了实验结果的稳定分割结果，因此可将其应用于点云的分割。

进一步地，所述的从片段中找到棋盘，点云经过分割后，需要正确识别棋盘片段；为了 降低计算成本，首先根据公式(1)中定义的片段的理论数n_theo过滤掉一些不可能的片段；n_theo表示理论上最大的点数，并且当棋盘平行于旋转轴线时，计算出LiDAR的垂直和水平角度； 区间[∈_theon_theo,n_theo]中的点数进一步处理，其中，n_theo是一个系数，经验值设为0.5；

其中，d_W和d_H代表棋盘的宽度和高度，r代表从对象中心到LiDAR传感器的欧式距离， Δh和Δv代表角度分辨率的横向和纵向，代表实数向上取整；