无人机载雷达安置误差的几何校正方法及装置

1.本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种无人机载雷达安置误差的几何校正方法及装置。


背景技术：

2.无人机载激光雷达(unmanned aerial vehicle light detection and ranging)是一种快速获取地形表面三维空间信息的主动遥感技术，它集高精度激光扫描仪、位置姿态测量系统、供配电模块和综合控制与存储模块于一体。有别于传统光学成像机制，激光雷达对目标地物数据的获取，可以不受光照条件的影像。
3.无人机载激光雷达是由位置姿态测量系统和激光扫描仪等多个载荷集合而成，在进行系统集成时，理论上要保证多个传感器之间的严格配准，但是由于技术条件限制，各组成系统之间存在一定的安置误差，系统安置角误差主要是激光扫描坐标系与惯性平台坐标系之间不平行而引起的误差，包括俯仰角误差、横滚角误差和航偏角误差。安置误差的存在不仅会影响点云坐标的绝对精度，而且会造成重叠航带同名特征间的三维空间偏移，影响后续点云数据的处理与应用。因此，通过无人机载激光雷达严密几何成像模型，完成对系统安置角误差的去除，对后续点云信息的精确提取显得尤为重要。
4.在实现本发明构思过程中，发明人发现现有技术中采用手工定标、航带平差或建立系统误差模型等方法对于无人机载激光雷达系统的标定准确度不高，有待提升。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种无人机载雷达安置误差的几何校正方法，包括：在检校场内布设多个反射标，在所述检校场外布设基准点和检查点；基于所述基准点和所述检查点获取每个反射标的坐标；控制搭载有激光雷达的无人机沿预设航线往返飞行经过所述多个反射标，获取所述无人机的姿态信息和位置信息；获取所述激光雷达发射点到地面反射点的斜距和分束角；基于所述激光雷达与组合导航系统的位置偏移和旋转几何关系，根据所述反射标的坐标、所述斜距、所述分束角、所述姿态信息和所述位置信息构建误差方程；求解所述误差方程，得到无人机载雷达安置角的系统误差；利用所述安置角的系统误差对所述安置角进行几何校正。
6.根据本发明实施例，其中，所述基于所述基准点和所述检查点获取每个反射标的坐标包括：以所述基准点为测站，所述检查点为定向点，采用全站仪分别获取每一个反射标的坐标。
7.根据本发明实施例，其中，所述获取所述无人机的姿态信息和位置信息包括：在所述基准点架设gps基站；以所述基准点为基站，采用gps后差分进行组合导航解算得到所述姿态信息和所述位置信息。
8.根据本发明实施例，其中，所述基于所述激光雷达与组合导航系统的位置偏移和旋转几何关系，根据所述斜距、所述分束角、所述姿态信息和所述位置信息构建几何校验模
型包括：以所述斜距的距离残差最小为原则构建所述误差方程。
9.根据本发明实施例，其中，所述误差方程为：
[0010][0011]
其中：
[0012][0013][0014][0015]
其中，为所述斜距ρ的距离残差，ρ
x
、ρy、ρz分别为所述斜距在wgs-84空间直角坐标系中x、y、z方向的分量，ρ
x0
、ρ
y0
、ρ
z0
分别为ρ
x
、ρy、ρz的初值，为第i个所述反射标在wgs-84空间直角坐标系中的坐标，为第i个所述反射标对应的天线相位中心在wgs-84空间直角坐标系中的坐标，[δx
ai_imu δy
ai_imu δz
ai_imu
]
t
为所述第i个所述反射标对应的激光发射参考中心与惯性单元参考中心的线性偏移量，r
wgs84
为北西高坐标系到wgs-84空间直角坐标系的转换矩阵；r
enu
为北东高坐标系到北西高坐标系的转换矩阵；rh为惯性测量单元瞬时方位姿态角旋转矩阵；r
p
为惯性测量单元瞬时俯仰姿态角旋转矩阵；rr为惯性测量单元瞬时横滚姿态角旋转矩阵，rm为激光发射参考中心与惯性单元参考中心的安置角旋转矩阵，ω、κ分别为方位姿态角、俯仰姿态角及横滚姿态角，α为激光发射光路在本体坐标系xoy面投影与x轴正方向的夹角，β为激光发射光路与其在xoy面的投影线的夹角，dω、dκ分别为ω、κ的修正值，dρ为ρ对应的距离残差的修正值。
[0016]
根据本发明实施例，其中，所述求解所述误差方程，得到无人机载雷达安置角的系统误差包括：求解小于预设阈值的所述对应的dω、dκ、dρ作为所述安置角的系统误差。
[0017]
根据本发明实施例，其中，采用迭代求解的方式求解所述误差方程。
[0018]
根据本发明实施例，其中，所述利用所述安置角的系统误差对所述安置角进行几何校正包括：将当前求解得到的所述dω、dκ、dρ分别累加至前一次求解得到的ω、
κ、ρ作为几何校正后的安置角。
[0019]
本发明另一方面提供一种无人机载雷达安置误差的几何校正装置，包括：布设模块，用于在检校场内布设多个反射标，在所述检校场外布设基准点和检查点；第一获取模块，用于基于所述基准点和所述检查点获取每个反射标的坐标；第二获取模块，用于控制搭载有激光雷达的无人机沿预设航线往返飞行经过所述多个反射标，获取所述无人机的姿态信息和位置信息；第三获取模块，用于获取所述激光雷达发射点到地面反射点的斜距和分束角；构建模块，用于基于所述激光雷达与组合导航系统的位置偏移和旋转几何关系，根据所述反射标的坐标、所述斜距、所述分束角、所述姿态信息和所述位置信息构建误差方程；计算模块，用于求解所述误差方程，得到无人机载雷达安置角的系统误差；校正模块，用于利用所述安置角的系统误差对所述安置角进行几何校正。
[0020]
根据本发明提供的无人机载雷达安置误差的几何校正方法，通过布设多个地面控制点，将地面反射标作为几何控制点，基于激光雷达发射点到地面几何控制点距离残差最小原则构建无人机载雷达安置角误差对应的误差方程，在通过最小二乘迭代计算的方法求解安置角的系统误差参数，可以实现机载激光雷达安置误差的最优解，进而提高激光雷达点云三维精度，最终提高点云数据在其他方面的应用准确率。
附图说明
[0021]
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0022]
图1示意性示出了根据本发明实施例的无人机载雷达安置误差的几何校正方法的流程图。
[0023]
图2示意性示出了根据本发明实施例的反射标的设计布图。
[0024]
图3示意性示出了根据本发明实施例的基准点和检查点的设计布图。
具体实施方式
[0025]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0027]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0028]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置
关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0029]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在本发明中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对本发明的限制。
[0030]
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0031]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0032]
针对目前无人机载激光雷达安置角定标中存在的问题，在深入探究机载激光雷达数据采集机理及多传感器间安置角误差对激光雷达点云数据影响效果的基础上，提出了一种通过地面布设多个反射标辅助消除无人机载激光雷达安置误差的方法，将地面靶标作为几何控制点，通过最小二乘迭代计算改正扫描仪在无人机载平台上与组合导航系统的安置角误差，最终将安置角误差带入无人机载激光雷达解算模型中，实现无人机载激光雷达安置误差参数的几何检校。
[0033]
图1示意性示出了根据本发明实施例的无人机载雷达安置误差的几何校正方法的流程图。
[0034]
如图1所示，该遥感影像靶标的提取方法例如可以包括操作s101～操作s106。
[0035]
在操作s101，在检校场内布设多个反射标，在检校场外布设基准点和检查点。
[0036]
在本发明实施例中，在平整地面划定一块区域形成检校场，在检校场上等间隔布设多个控制点，每个控制点上布设反射标，在控制点外再布设1个基准点和1个检查点。
[0037]
图2示意性示出了根据本发明实施例的反射标的设计布图。
[0038]
图3示意性示出了根据本发明实施例的基准点和检查点的设计布图。
[0039]
如图2及所示，例如，在平整地面等间隔布设16个控制点a1、a2
……
a16，每个控制点上布设1cm*1cm大小的强反射标，在16个控制点外再布设一个基准点b1和一个检查点b2。应当理解，控制点的数量可以根据实际需求选择，本发明不做限制。
[0040]
在操作s102，基于基准点和检查点获取每个反射标的坐标。
[0041]
在本发明实施例中，首先，采用与已知控制点联测的方法，获取基准点b1和检查点b2点在wgs84空间直角坐标下的坐标和
[0042]
然后，以基准点b1为测站，检查点b2为定向点采用全站仪分别获取控制点的反射标的坐标，示例性的，获取a1、a2
……
a16，16个控制点的反射标的坐标
[0043]
在操作s103，控制搭载有激光雷达的无人机沿预设航线往返飞行经过多个反射标，获取无人机的姿态信息和位置信息。
[0044]
在本发明实施例中，首先，可以在基准点b1上架设gps基站做静态观测。
[0045]
然后，将激光雷达设备挂载到无人机上，控制无人机往返沿固定航线飞行经过所有控制点，以b1点为基站，采用gps后差分技术进行组合导航解算，获取无人机的姿态信息及位置信息。
[0046]
在操作s104，获取激光雷达发射点到地面反射点的斜距和分束角。
[0047]
在本发明实施例中，斜距指的是激光雷达系统发射点到地面反射点(激光脚点)的斜距，分束角包括激光与扫描仪xoy平面的夹角α、β。
[0048]
在操作s105，基于激光雷达与组合导航系统的位置偏移和旋转几何关系，根据反射标的坐标、斜距、分束角、姿态信息和位置信息构建误差方程。
[0049]
首先，建立反射标在前向航线和返向航线中的点云坐标，具体如下：
[0050][0051]
其中，为靶标在wgs-84空间直角坐标系中的坐标；为天线相位中心在wgs-84空间直角坐标系中的坐标，r
wgs84
为北西高坐标系到wgs-84空间直角坐标系的转换矩阵；r
enu
为北东高坐标系到北西高坐标系的转换矩阵；rh为惯性测量单元瞬时方位姿态角旋转矩阵；r
p
为惯性测量单元瞬时俯仰姿态角旋转矩阵；rr为惯性测量单元瞬时横滚姿态角旋转矩阵，rm为激光发射参考中心与惯性单元参考中心的安置角旋转矩阵，α为激光发射光路在本体坐标系xoy面投影与x轴正方向的夹角，β为激光发射光路与其在xoy面的投影线的夹角，ρ为斜距。
[0052]
其中：
[0053][0054][0055]
[0056][0057]
然后，基于上述关系，以激光发射中心到地面反射标三维方向(斜距)的距离残差最小为原则构建误差方程。
[0058]
具体的，以激光发射中心到地面反射标真实坐标三维残差最小为原则列方程：
[0059][0060][0061][0062]
代入夹角初值α0、β0和地面真值点坐标x
a_gcp
、y
a_gcp
和z
a_gcp
生成初始距离值ρ
x0
、ρ
y0
、ρ
z0
，以激光发射中心到地面反射标真实坐标三维残差最小为原则列误差方程并进行线性化处理得到：
[0063][0064][0065][0066]
接下来，在进行平差时同时进行激光发射中心和地面脚点间距离的解算，引入斜距ρ的修正量
[0067][0068][0069][0070]
再采用间接平差公式进行最小二乘平差解算，根据条件式v＝ax-l，可列出误差方程：
[0071][0072]
其中，为所述斜距ρ的距离残差，ρ
x
、ρy、ρz分别为所述斜距在wgs-84空间直角坐标系中x、y、z方向的分量，ρ
x0
、ρ
y0
、ρ
z0
分别为ρ
x
、ρy、ρz的初值，为第i个所述反射标在wgs-84空间直角坐标系中的坐标，为第i个所述反射标对应的天线相位中心在wgs-84空间直角坐标系中的坐标，[δx
ai_imu δy
ai_imu δz
ai_imu
]
t
为所述第i个所述反射标对应的激光发射参考中心与惯性单元参考中心的线性偏移量，r
wgs84
为北西高坐标系到wgs-84空间直角坐标系的转换矩阵；r
enu
为北东高坐标系到北西高坐标系的转换矩阵；rh为惯性测量单元瞬时方位姿态角旋转矩阵；r
p
为惯性测量单元瞬时俯仰姿态角旋转矩阵；rr为惯性测量单元瞬时横滚姿态角旋转矩阵，rm为激光发射参考中心与惯性单元参考中心的安置角旋转矩阵，ω、κ分别为方位姿态角、俯仰姿态角及横滚姿态角，α为激光发射光路在本体坐标系xoy面投影与x轴正方向的夹角，β为激光发射光路与其在xoy面的投影线的夹角，dω、dκ分别为ω、κ的修正值，dρ为ρ对应的距离残差的修正值，分别是ρ
x
、ρy、ρz对ω、κ的偏导系数。
[0073]
根据最小二乘间接平差原理，将上述误差方程转换为法方程：
[0074]
(a
t
pa)x＝a
t
pl
[0075]
其中，p为观测值的单位权阵；
[0076][0077]
[0078][0079]
列出法方程的解的表达式：
[0080][0081]
在操作s106，求解误差方程，得到无人机载雷达安置角的系统误差，利用安置角的系统误差对安置角进行几何校正。
[0082]
在本发明实施例中，可以采用迭代求解的方式求解误差方程，得到小于预设阈值的对应的dω、dκ、dρ作为安置角的系统误差。
[0083]
具体的，首先，确定dω、dκ、dρ的初始值，将其代入法方程解的表达式，求解x矩阵。
[0084]
然后，将x矩阵代入误差方程，得到残差向量矩阵
[0085]
接下来，判断上述残差向量矩阵中的是否大于预先设定的阈值，如果小于预先设定的阈值，则将当前求解得到的dω、dκ、dρ分别累加至前一次求解得到的ω、κ、ρ作为几何校正后的安置角。如果大于预先设定的阈值，根据：ω
′
＝ω dω、κ
′
＝κ dκ、ρ
′
＝ρ dρ，分别加到前一次求解的ω、κ、ρ来更新得到新的ω
′
、κ
′
、ρ
′
，并将新的ω
′
、κ
′
、ρ
′
当作的初始值，重新计算残差向量矩阵以此迭代，直到残差向量矩阵中的小于预设阈值，停止迭代，将当前计算得到的dω、dκ、dρ分别累加到前一次计算得到的参数ω、κ、ρ作为几何校正后的安置角。
[0086]
综上所述，本发明提供的无人机载雷达安置误差的几何校正方法，通过布设多个地面控制点，将地面反射标作为几何控制点，基于激光雷达发射点到地面几何控制点距离残差最小原则构建无人机载雷达安置角误差对应的误差方程，在通过最小二乘迭代计算的方法求解安置角的系统误差参数，可以实现机载激光雷达安置误差的最优解，进而提高激光雷达点云三维精度，最终提高点云数据在其他方面的应用准确率。
[0087]
本发明实施例还提供一种无人机载雷达安置误差的几何校正装置，包括：
[0088]
布设模块，用于在检校场内布设多个反射标，在检校场外布设基准点和检查点。
[0089]
第一获取模块，用于基于基准点和所述检查点获取每个反射标的坐标。
[0090]
第二获取模块，用于控制搭载有激光雷达的无人机沿预设航线往返飞行经过多个反射标，获取无人机的姿态信息和位置信息。
[0091]
第三获取模块，用于获取激光雷达发射点到地面反射点的斜距和分束角。
[0092]
构建模块，用于基于激光雷达与组合导航系统的位置偏移和旋转几何关系，根据反射标的坐标、斜距、分束角、姿态信息和位置信息构建误差方程。
[0093]
计算模块，用于求解误差方程，得到无人机载雷达安置角的系统误差；校正模块，用于利用安置角的系统误差对安置角进行几何校正。
[0094]
需要说明的是，本发明实施例提供的装置实施例部分与方法实施例部分具体实施细节及带来的技术效果相似，装置实施例部分可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
[0095]
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
[0096]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。