[发明专利]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

摘要

本发明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。

主权项

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。