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专利号: 2024107582204
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种卵圆扫描式机载激光雷达安置误差校正方法,其特征在于,具体包括如下步骤:S1,将激光雷达进行悬挂或搭载于无人机平台,在空中同一个位置做前向和后向悬停,定点进行卵圆激光扫描,获得原始数据;

S2,构建机载激光扫描平台坐标系,将距离、角度原始数据进行融合计算,得到激光脚点空间坐标,将激光脚点空间坐标从机载激光扫描平台坐标系转换到惯性平台坐标系,再融合姿态数据从惯性平台坐标系转换到东北天坐标系,得到东北天坐标系下的激光脚点坐标;

S3,构建WGS‑84坐标系,将位置数据从WGS‑84坐标系转换到地心地固坐标系,再从地心地固坐标系转换到东北天坐标系,在东北天坐标系下对位置数据和经步骤S2融合后的数据进行融合;

S4,进行前向扫描和后向扫描的单圈扫描轨迹提取,单圈扫描轨迹以长轴为对称线左右对称;

S5,在东北天坐标系下,在XOZ平面、YOZ平面和XOY平面依次对安置侧滚角、安置俯仰角和安置航向角进行校正;

步骤S4具体包括如下步骤:

S4.1,进行前向扫描和后向扫描的单圈扫描轨迹提取,单圈扫描轨迹以长轴为对称线左右对称;

S4.2,机载激光雷达载具在同一位置悬停坐标满足O前=O后,O前和O后分别为前向和后向扫描时的悬停位置坐标,在前向扫描时的东北天坐标系下,短轴顶点坐标为a1前(x1,y1,z1)、a2前(x2,y2,z)2 ;长轴顶点坐标为b1前(x3,y3,z3)、b2前(x4,y4,z4);在后向扫描时的东北天坐标下,短轴顶点坐标为a1后(x5,y5,z5)、a2后(x6,y6,z6);长轴顶点坐标为b1后(x7,y7,z7)、b2后(x8,y8,z)8 ,在前向和后向扫描时的东北天坐标下得到卵圆长轴矢量和短轴矢量;

步骤S5具体包括如下步骤:

S5.1,将步骤S4.2中的后向扫描时的东北天坐标统一到前向扫描时的东北天坐标系,得到前向短轴顶点坐标为a1前(x1,y1,z1)、a2前(x2,y2,z2);前向长轴顶点坐标为b1前(x3,y3,z3)、b2前(x4,y4,z4);后向短轴顶点坐标为a1后(‑x5,‑y5,z)5 、a2后(‑x6,‑y6,z6);长轴顶点坐标为b1后(‑x7,‑y7,z)7 、b2后(‑x8,‑y8,z)8 ;

S5.2,将前向短轴顶点a1前和a2前连线投影到前向扫描时的东北天坐标系的XOZ平面,在XOZ平面下,根据前向扫描轨迹的短轴顶点坐标a1前和a2前,得到前向短轴向量 ;同理,在XOZ平面下得到后向短轴向量 ;根据求夹角公式得短轴在XOZ平面下向量夹角,求得安置侧滚角 :

S5.3,将前向长轴顶点b1前和b2前连线投影到前向扫描时的东北天坐标系的YOZ平面,在YOZ平面下,根据前向扫描轨迹的长轴顶点坐标b1前和b2前,得到前向长轴向量 ;同理,在YOZ平面下得到后向长轴向量 ,根据求夹角公式得长轴在YOZ平面下向量夹角,求得安置俯仰角 :

S5.4,将前向长轴顶点b1前和b2前连线投影到前向扫描时的东北天坐标系的XOY平面,在XOY平面下,根据前向扫描轨迹的长轴顶点坐标b1前和b2前,得到前向长轴向量 ;同理,在XOY平面下得到后向长轴向量 ;根据求夹角公式得长轴在XOY平面下向量夹角,求得安置航向角 :

S5.5,通过步骤S5.1 S5.4得到安置侧滚角 、安置俯仰角 和安置航向角 ,进行安置~

误差检校,得到 :

式中, 为绕Y轴旋转的安置侧滚角旋转矩阵, 为绕X轴旋转的安置俯仰角旋转矩阵, 为绕Z轴旋转的安置航向角旋转矩阵;

设置安置角度阈值为 °,将安置角误差校正方程代入数据融合流程进行误差校正;

S5.6,不断生成误差校正方程代入数据融合流程进行校正,直至满足阈值要求,输出各安置角,得到安置角误差校正方程。

2.根据权利要求1所述的一种卵圆扫描式机载激光雷达安置误差校正方法,其特征在于,步骤S1中的卵圆激光扫描原始数据包括:卵圆激光扫描原始数据包括:距离、角度、位置和姿态;

距离为激光雷达对地扫描的激光测距数据;角度为光栅编码器记录的扫描转镜旋转角度;位置为GPS测定激光雷达的经度、纬度和高程数据;姿态为IMU测定激光雷达的侧滚角、俯仰角和航向角姿态数据。

3.根据权利要求1所述的一种卵圆扫描式机载激光雷达安置误差校正方法,其特征在于,步骤S2具体包括如下步骤:S2.1,以反射镜中心Ob为坐标原点,以激光雷达载具的前进方向为Yb轴, Xb轴垂直于Yb轴并指向无人机右翼,Zb轴垂直向上,构成机载激光扫描平台坐标系Ob‑XbYbZb;

S2.2,以反射镜中心Ob为坐标原点,X1轴与Xb轴重合,Z1轴为驱动电机转轴,Y1轴分别与X1轴和Z1轴垂直,构成机载激光扫描平台辅助坐标系Ob‑X1Y1Z1;

S2.3,在机载激光扫描平台辅助坐标系Ob‑X1Y1Z1下,通过位置关系建立关系式:;

 ;

式中, 为在Ob‑X1Y1Z1下的入射光线向量, 为在Ob‑X1Y1Z1下的反射镜法线向量, 为在Ob‑X1Y1Z1下的光径平面法线向量, 为在Ob‑X1Y1Z1下的反射光线向量,为入射光线与反射镜法线的夹角, 为绕Xb轴反向旋转45°的旋转矩阵, 为在Ob‑XbYbZb下的反射光线向量, 、 、 为 在Ob‑XbYbZb下反射光向量的方向余弦;

S2.4,在Ob‑XbYbZb下,通过反射光向量 的方向余弦和距离数据 ,得到激光脚点在Ob‑XbYbZb下的空间坐标 :

式中, 、 、 为在Ob‑XbYbZb下的激光脚点空间坐标,为距离数据, 、 、为 在Ob‑XbYbZb下反射光向量的方向余弦。

4.根据权利要求3所述的一种卵圆扫描式机载激光雷达安置误差校正方法,其特征在于,步骤S2还包括如下步骤:

S2.5,建立惯性平台坐标系,以IMU中心OI为坐标原点建立惯性平台坐标系OI‑XIYIZI,YI轴为激光雷达前进方向, XI轴垂直于YI轴并指向无人机右翼,ZI轴垂直向上,构成惯性平台坐标系OI‑XIYIZI;

S2.6,将激光脚点坐标从机载激光扫描平台坐标系转换到惯性平台坐标系,在惯性平台坐标系下,求得激光脚点空间坐标 :;

式中, 为在惯性平台坐标系下的激光脚点空间坐标, 为扫描平台坐标轴与惯性平台坐标轴偏角误差校正矩阵,即安置角误差校正方程, 为事先测定的扫描平台原点与惯性平台原点偏心量;

S2.7,通过偏心量和旋转角,将激光脚点坐标从惯性平台坐标系过渡到东北天坐标系,得到激光脚点在东北天坐标系下的空间坐标 :;

式中, 为在东北天坐标系下的激光脚点空间坐标, 为惯性平台坐标系向东北天坐标系的过渡旋转矩阵, 为惯性平台坐标原点与GPS天线相位中心的偏心量; 、 和 分别为惯性测量单元测定的姿态侧滚角、姿态俯仰角和姿态航向角, 、 和 分别为惯性测量单元测定的姿态侧滚角矩阵、姿态俯仰角矩阵和姿态航向角矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种卵圆扫描式机载激光雷达安置误差校正方法,其特征在于,步骤S3具体包括如下步骤:S3.1,位置数据为WGS‑84坐标系下的经度 、纬度 和高程数据 ,将位置数据从WGS‑84大地坐标系过渡到地心地固坐标系,得到地心地固坐标系下的空间直角坐标,转换公式为:

式中, 为在地心地固坐标系下的运动轨迹坐标, 为卯酉圈半径,为椭圆第一偏心率, 为地球椭圆长半轴;

S3.2,将位置数据从地心地固坐标系过渡到东北天坐标系,选取站心点为V0, 站心点在WGS‑84坐标系下的大地纬度、经度和高程为 ,对应的地心地固坐标系直角坐标为 ,将地心平移到站心,得平移公式 :;

地心地固坐标系下的位置坐标先绕Z轴旋转 ,再绕X轴旋转 ,得旋转矩阵 :

S3.3,从地心地固坐标系转东北天坐标系的过渡矩阵 为:;

S3.4,将位置数据从地心地固坐标系过渡到东北天坐标系,得到东北天坐标系下的空间直角坐标 ,转换公式为:

式中, 是运动位置在东北天坐标系下的空间坐标, 为运动位置在地心地固坐标系下的空间坐标;

S3.5,在东北天坐标系下,得到激光脚点坐标 和运动位置坐标 ,将激光脚点坐标和运动位置坐标进行数据融合:

其中,为融合后的扫描轨迹三维点云坐标。