本發(fā)明涉及機載lidar系統(tǒng)誤差檢校技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種多參數(shù)機載lidar系統(tǒng)誤差自動檢校方法。

背景技術(shù)：

在實際生產(chǎn)上，機載lidar系統(tǒng)檢校基本都是使用lidar設(shè)備廠商提供的帶有一定經(jīng)驗性的基于剖面的手工檢校方法。手工檢校方法可靠性較好，但較為復雜，整個過程較為繁瑣，費時、耗力，對檢校場要求條件較高，以及精度統(tǒng)計指標不足，如果將機載lidar系統(tǒng)用于快速應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，手工檢校的時間則會大大降低其效率，難于滿足實時、近實時的要求。因此，實際生產(chǎn)中迫切需要一種自動檢校機載lidar系統(tǒng)誤差的方法。

目前，機載lidar獲取的是離散點云數(shù)據(jù)，不管是人工選擇還是自動提取同名點，都較為困難。由于機載lidar是對地表的半隨機掃描，獲取的是離散點云數(shù)據(jù)，不能保證同一個點被不同航帶掃描到，因此航帶間不存在真正意義上的同名點，不管是人工選擇還是自動提取同名點，都較為困難，存在精度限制，同時計算量大、費時且容易產(chǎn)生粗差，如將這些同名點作為觀測值通過平差解算系統(tǒng)的檢校參數(shù)，難于保證平差解算能夠快速收斂，且難于保證檢校參數(shù)的精度。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的機載lidar系統(tǒng)自動檢校方法，存在從離散點云數(shù)據(jù)中提取同名點困難，導致校驗參數(shù)精度低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種多參數(shù)機載lidar系統(tǒng)誤差自動檢校方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在從離散點云數(shù)據(jù)中提取同名點困難，導致校驗參數(shù)精度低的問題。

本發(fā)明實施例提供一種多參數(shù)機載lidar系統(tǒng)誤差自動檢校方法，包括：

獲取航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)；其中，航帶a和航帶b為重疊航帶；

采用最小二乘法對航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)分別進行航跡線擬合，并對航帶a的航跡線和航帶b的航跡線分別進行內(nèi)插，確定航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)和航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)；其中，激光腳點的航跡數(shù)據(jù)包括：空間位置和三個姿態(tài)角；

根據(jù)航帶a的航跡數(shù)據(jù)、航帶b的航跡數(shù)據(jù)、航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)和航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，確定航帶a激光腳點的測距值和掃描角，與航帶b激光腳點的測距值和掃描角；

采用迭代最近點法，確定航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的最近同名點集；

根據(jù)校驗參數(shù)，選擇校驗?zāi)Ｐ?；其中，當校驗參?shù)為三個安置角時，選擇三參數(shù)校驗?zāi)Ｐ停?/p>

根據(jù)航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，航帶a激光腳點的測距值和掃描角，航帶b激光腳點的測距值和掃描角，以及航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的最近同名點集，通過三參數(shù)校驗?zāi)Ｐ停⒄`差方程式，構(gòu)建系數(shù)矩陣和常數(shù)項，采用最小二乘平差，確定三個安置角的最終檢校值；

根據(jù)三個安置角的最終校驗值，確定航跡a的航跡數(shù)據(jù)的校驗數(shù)據(jù)和航跡b的航跡數(shù)據(jù)的校驗數(shù)據(jù)；并且輸出校驗參數(shù)的最終校驗值、航跡a的航跡數(shù)據(jù)的校驗值和航跡b的航跡數(shù)據(jù)的校驗值。

較佳地，所述根據(jù)航帶a的航跡數(shù)據(jù)、航帶b的航跡數(shù)據(jù)、航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)和航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，確定航帶a激光腳點的測距值和掃描角，與航帶b激光腳點的測距值和掃描角；包括：

根據(jù)航帶a的航跡數(shù)據(jù)的采集時間和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的采集時間，對航帶a的航跡線和航帶b的航跡航跡線進行內(nèi)插；

根據(jù)航帶a的航跡數(shù)據(jù)的采集時間和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的采集時間的對應(yīng)關(guān)系，確定航帶a激光腳點到航帶a航跡線對應(yīng)點的距離，以及航帶b激光腳點到航帶b航跡線對應(yīng)點的距離；其中，航帶a激光腳點到航帶a航跡線對應(yīng)點的距離為航帶a激光腳點的測距值，以及航帶b激光腳點到航帶b航跡線對應(yīng)點的距離為航帶b激光腳點的測距值；

根據(jù)航帶a航跡線與航帶a的航跡數(shù)據(jù)之間的向量，航帶b航跡線與航帶b的航跡數(shù)據(jù)之間的向量，以及載體質(zhì)心的垂線、載體坐標系z軸和激光方向的關(guān)系，分別確定航帶a激光腳點的掃描角和航帶b激光腳點的掃描角。

較佳地，所述根據(jù)航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，航帶a激光腳點的測距值和掃描角，航帶b激光腳點的測距值和掃描角，以及航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的最近同名點集，通過三參數(shù)校驗?zāi)Ｐ停⒄`差方程式，構(gòu)建系數(shù)矩陣和常數(shù)項，采用最小二乘平差，確定三個安置角的最終檢校值；包括：

判斷相鄰兩次迭代所求的所有的檢校參數(shù)值之差的最大變化值；當最大變化值≤閾值或最大迭代次數(shù)>150時，則循環(huán)迭代終止，所求解的檢校參數(shù)值即為最終檢校值；當最大變化值>閾值或最大迭代次數(shù)≤150時，則利用求解的檢校參數(shù)值，重新確定a、b航帶的激光腳點的航跡數(shù)據(jù)。

較佳地，所述閾值為1.0×10^-6～1.0×10^-5。

本發(fā)明實施例中，提供一種多參數(shù)機載lidar系統(tǒng)誤差自動檢校方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：本發(fā)明采用一種非嚴格對應(yīng)的方法，并不是直接在點云數(shù)據(jù)中獲取同名點，而是使用最近點作為對應(yīng)點來計算系統(tǒng)誤差，并逐步迭代，使點云每次都朝“正確位置”前進一小步，最終實現(xiàn)航帶間的最佳配準從而消除系統(tǒng)誤差，得到最佳的系統(tǒng)檢校參數(shù)。本方法無需人工干預，能自動檢校機載lidar系統(tǒng)誤差參數(shù)；檢校模型基于嚴格機載lidar點云幾何定位模型，設(shè)計嚴密，檢校速度較快，能滿足快速應(yīng)急系統(tǒng)實時、近實時的要求；直接基于原始的點云數(shù)據(jù)進行檢校，不需內(nèi)插成規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)或預先提取線特征或面特征，檢校精度更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的多參數(shù)機載lidar系統(tǒng)誤差自動檢校方法流程圖；

圖2為機載lidar坐標系定義示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種多參數(shù)機載lidar系統(tǒng)誤差自動檢校方法流程圖。如圖1所示，該方法包括：

步驟s101，獲取航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)；其中，航帶a和航帶b為重疊航帶。

需要說明的是，讀取重疊航帶a、b的las數(shù)據(jù)和trj數(shù)據(jù)(即航跡數(shù)據(jù))。如果有可用的控制點數(shù)據(jù)，同時讀取控制數(shù)據(jù)。本文所提的八參數(shù)檢校模型只有在有控制數(shù)據(jù)的情況下，才能檢校出8個未知系統(tǒng)參數(shù)，否則安置向量誤差δδz是無法檢校的，原因是在沒有控制數(shù)據(jù)時，根據(jù)公共連接點在建立誤差方程式時，安置向量誤差δδz在z軸方向引起的誤差被抵消了。

需要說明的是，控制點是大地坐標已知的地面點坐標數(shù)據(jù)，用來檢校測距誤差；航跡是航線的軌跡，航跡線數(shù)據(jù)指的是在飛行過程中飛機在大地坐標系中一系列大地坐標(x,y,z)的集合。要獲得每個激光角點的航跡數(shù)據(jù)就要對擬合的航跡線進行內(nèi)插，其中航跡線數(shù)據(jù)就是飛機慣導(imu)坐標系相對于大地坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，即飛機慣性平臺參考坐標系原點在大地坐標系中的大地坐標(x,y,z)和姿態(tài)角(h,p,r)。

步驟s102，采用最小二乘法對航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)分別進行航跡線擬合，并對航帶a的航跡線和航帶b的航跡線分別進行內(nèi)插，確定航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)和航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)；其中，激光腳點的航跡數(shù)據(jù)包括：空間位置和三個姿態(tài)角。

需要說明的是，航跡線擬合并利用擬合的航跡內(nèi)插出每個激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，即pos數(shù)據(jù)，包括空間位置(x0，y0，z0)和三個姿態(tài)角(roll，pitch，yaw)。同時，根據(jù)模型的選擇，計算所需的觀測值。

步驟s103，根據(jù)航帶a的航跡數(shù)據(jù)、航帶b的航跡數(shù)據(jù)、航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)和航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，確定航帶a激光腳點的測距值和掃描角，與航帶b激光腳點的測距值和掃描角。

需要說明的是，兩條航帶的兩組數(shù)據(jù)：

a:(xbiased，ybiased，zbiased，h，p，r，ρ，β)a

b:(xbiased，ybiased，zbiased，h，p，r，ρ，β)b

需要說明的是，原始觀測值中的姿態(tài)角和r,h,p可以通過內(nèi)插航跡線獲得，而測距值和掃描角只能通過航跡線數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)進行反算，參考吳杭彬的反算模型，在步驟s103中，確定航帶a激光腳點的測距值和掃描角，與航帶b激光腳點的測距值和掃描角的具體過程包括：

(1)根據(jù)航帶a的航跡數(shù)據(jù)的采集時間和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的采集時間，對航帶a的航跡線和航帶b的航跡航跡線進行內(nèi)插。

(2)根據(jù)航帶a的航跡數(shù)據(jù)的采集時間和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的采集時間的對應(yīng)關(guān)系，確定航帶a激光腳點到航帶a航跡線對應(yīng)點的距離，以及航帶b激光腳點到航帶b航跡線對應(yīng)點的距離；其中，航帶a激光腳點到航帶a航跡線對應(yīng)點的距離為航帶a激光腳點的測距值，以及航帶b激光腳點到航帶b航跡線對應(yīng)點的距離為航帶b激光腳點的測距值。

(3)根據(jù)航帶a航跡線與航帶a的航跡數(shù)據(jù)之間的向量，航帶b航跡線與航帶b的航跡數(shù)據(jù)之間的向量，以及載體質(zhì)心的垂線、載體坐標系z軸和激光方向的關(guān)系，分別確定航帶a激光腳點的掃描角和航帶b激光腳點的掃描角。

步驟s104，采用迭代最近點法，確定航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的最近同名點集。

需要說明的是，icp算法通過迭代優(yōu)化矩陣，在每次迭代過程中，對目標點集上的每個點(如a航帶點云數(shù)據(jù))在參考點集(如b航帶點云數(shù)據(jù))中尋找最近的點作為對應(yīng)點，由此計算相應(yīng)的坐標變換向量，將其應(yīng)用于目標點集上，得到新的目標點集并進入下次迭代過程，直到迭代誤差收斂，最終得到優(yōu)秀的轉(zhuǎn)換矩陣實現(xiàn)兩個點集的精確配準。

步驟s105，根據(jù)校驗參數(shù)，選擇校驗?zāi)Ｐ?；其中，當校驗參?shù)為三個安置角時，選擇三參數(shù)校驗?zāi)Ｐ汀?/p>

需要說明的是，當校驗參數(shù)為三個安置角和三個安置向量時，選擇六參數(shù)校驗?zāi)Ｐ?；當校驗參?shù)為三個安置角、三個安置向量、測距誤差和測角誤差時，選擇八參數(shù)校驗?zāi)Ｐ汀?/p>

需要說明的是，雖然有大量文獻介紹了許多l(xiāng)idar系統(tǒng)檢校方法，但是至今仍然沒有一種公認的標準檢校方法。不同檢校方法所采用的平差參數(shù)可能也不一致，其中大多數(shù)檢校方法都考慮了安置角，而安置向量有時被忽略，測距值和掃描角的尺度因子較少被用到。

需要說明的是，本方法提出的多參數(shù)模型分別為三參數(shù)、六參數(shù)、八參數(shù)檢校模型，可以根據(jù)數(shù)據(jù)情況自由選擇不同參數(shù)模型。三參數(shù)檢校模型是針對三個安置角誤差所提的檢校方法，檢校參數(shù)包括δδω，δδφ，δδκ。安置角誤差是機載lidar系統(tǒng)檢校參數(shù)中必須檢校的參數(shù)，這是因為安置角誤差對機載lidar定位精度的影響遠比其它系統(tǒng)誤差對定位精度的影響顯著，且直接測定安置角誤差相對比較困難，通常需要在航檢校計算。六參數(shù)檢校模型是在三參數(shù)檢校模型的基礎(chǔ)上同時檢校了安置向量，檢校參數(shù)包括三個安置角"δδω，δδφ，δδκ"和三個安置向量"δδx"，"δδy"，"δδz"。通常安置向量的檢校是在室內(nèi)測定，利用常規(guī)的經(jīng)緯儀和測距儀通過測邊和測角的方法測定，也可直接量測，但是測定安置向量會花費一定的時間。如果在檢校安置角的同時檢校安置向量，而且檢校計算的安置向量值大小近似等于室內(nèi)量測的值，則可省略安置向量的室內(nèi)檢校，節(jié)約時間。八參數(shù)檢校模型是針對本文重點研究討論的幾種誤差所提出的系統(tǒng)檢校方法。檢校的參數(shù)包括八個，分別為三個安置向量、三個安置角、測距誤差以及測角誤差。

步驟s106，根據(jù)航帶a激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，航帶b激光腳點的航跡數(shù)據(jù)，航帶a激光腳點的測距值和掃描角，航帶b激光腳點的測距值和掃描角，以及航帶a的航跡數(shù)據(jù)和航帶b的航跡數(shù)據(jù)的最近同名點集，通過三參數(shù)校驗?zāi)Ｐ?，建立誤差方程式，構(gòu)建系數(shù)矩陣和常數(shù)項，采用最小二乘平差，確定三個安置角的最終檢校值。

需要說明的是，在步驟s106中，確定三個安置角的最終檢校值的過程包括：判斷相鄰兩次迭代所求的所有的檢校參數(shù)值之差的最大變化值；當最大變化值≤閾值或最大迭代次數(shù)>150時，則循環(huán)迭代終止，所求解的檢校參數(shù)值即為最終檢校值；當最大變化值>閾值或最大迭代次數(shù)≤150時，則利用求解的檢校參數(shù)值，重新確定a、b航帶的激光腳點的航跡數(shù)據(jù)。其中，閾值通常為1.0×10^-6～1.0×10^-5。

步驟s107，根據(jù)三個安置角的最終校驗值，確定航跡a的航跡數(shù)據(jù)的校驗數(shù)據(jù)和航跡b的航跡數(shù)據(jù)的校驗數(shù)據(jù)；并且輸出校驗參數(shù)的最終校驗值、航跡a的航跡數(shù)據(jù)的校驗值和航跡b的航跡數(shù)據(jù)的校驗值。

需要說明的是，校驗?zāi)Ｐ陀腥N，分別是三參數(shù)校驗?zāi)Ｐ?、六參?shù)校驗?zāi)Ｐ秃桶藚?shù)校驗?zāi)Ｐ停緦＠捎玫氖侨齾?shù)模型，其推導原理如下:

圖2為機載lidar坐標系定義示意圖，如圖2所示，機載lidar獲取的激光點云的三維坐標是由gps/ins的定位定姿數(shù)據(jù)、激光掃描儀的測距測角數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)安置參數(shù)計算得到的，機載lidar的幾何定位方程如公式1或2：

其中，x0,y0,z0由gps測得，姿態(tài)角h,p,r由ins提供，安置向量xoffset,yoffset,zoffset能在平臺檢校時由全站儀測得，測距值ρ和掃描角β由激光掃描儀提供，這些都是觀測值；只有安置角ω,κ是未知的，為此，將它們作為系統(tǒng)參數(shù)加以解求。

因此，上面公式(2)中的也可以表示成系統(tǒng)參數(shù)和觀測值的函數(shù)，用下面的公式(3)代表不含系統(tǒng)誤差的激光腳點真實坐標：

其中，為系統(tǒng)參數(shù)，為觀測值。

當系統(tǒng)參數(shù)含有誤差時，激光腳點坐標含就會含有系統(tǒng)誤差，此時含有系統(tǒng)誤差的激光腳點坐標可以表示為系統(tǒng)參數(shù)觀測值以及系統(tǒng)參數(shù)誤差的函數(shù)，如公式(4)所示，

其中，為系統(tǒng)參數(shù)誤差。

下面將探討系統(tǒng)參數(shù)誤差δω,δκ對激光腳點坐標產(chǎn)生的影響。公式(4)使用泰勒展開式對系統(tǒng)參數(shù)ω,κ進行線性化，忽略二次及以上的項，得到下面的公式(5)：

其中，表示對系統(tǒng)參數(shù)ω,κ的偏導數(shù)，表示系統(tǒng)參數(shù)誤差δω,δκ對激光腳點坐標的影響。

在公式(1)中，令則公式(1)可以寫成：

其中，

分別對公式(6)中的d1、d2、d3計算對安置角參數(shù)ω、κ的偏導數(shù)，則公式(6)中x,y,z分別對ω、κ的偏導數(shù)，求導過程不贅述。

進一步可以得到公式(5)中的

根據(jù)以上推導可以得到含有系統(tǒng)誤差的激光腳點坐標與真實坐標之間的關(guān)系為：

設(shè)a、b為兩條重疊航帶，在不含系統(tǒng)誤差時，它們之間的同名點應(yīng)滿足：

當含有系統(tǒng)誤差時，它們應(yīng)該滿足：

由此可以建立誤差方程式：

其中

b11＝(a2·ρ·cosβ)a-(a2·ρ·cosβ)b(17)

b12＝(-a1·ρ·cosβ+a3·ρ·sinβ)a-(-a1·ρ·cosβ+a3·ρ·sinβ)b(18)

b13＝(a2·ρ·sinβ)a-(a2·ρ·sinβ)b(19)

b21＝(b2·ρ·cosβ)a-(b2·ρ·cosβ)b(20)

b22＝(-b1·ρ·cosβ+b3·ρ·sinβ)a-(-b1·ρ·cosβ+b3·ρ·sinβ)b(21)

b23＝(b2·ρ·sinβ)a-(b2·ρ·sinβ)b(22)

b31＝(c2·ρ·cosβ)a-(c2·ρ·cosβ)b(23)

b32＝(-c1·ρ·cosβ+c3·ρ·sinβ)a-(-c1·ρ·cosβ+c3·ρ·sinβ)b(24)

b33＝(c2·ρ·sinβ)a-(c2·ρ·sinβ)b(25)

由間接平差可得公式(13)的解為：

由上式可知，只要我們獲取航帶間的同名點，并且得到它們的原始觀測值(姿態(tài)角r、p、h，測距值ρ，掃描角β)，就可以通過最小二乘平差求解求得安置角δω、δκ。

求得δω、δκ后，再用下面的公式校正點云坐標：

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。