本發(fā)明涉及三維點云采集，具體而言，涉及一種激光雷達反射鏡標定方法。

背景技術：

1、激光雷達三維點云采集是一種通過激光雷達設備獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)的技術。激光雷達通過發(fā)射激光束并測量反射回來的時間，計算物體與傳感器之間的距離，從而生成大量的三維坐標點集合，即點云數(shù)據(jù)。

2、激光雷達三維點云采集的應用領域非常廣泛，包括地理信息系統(tǒng)、測繪、建筑設計、工程測量等。隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，激光雷達三維點云采集逐漸應用于線路導線測量之中。在進行導線的三維點云采集時，通常利用激光雷達內(nèi)部反射鏡進行掃描，反射鏡的主要功能是反射和引導激光光束，從而實現(xiàn)高效、精確的空間掃描。反射鏡的性能直接影響到激光雷達系統(tǒng)的整體性能，尤其是掃描精度和掃描效率。在傳統(tǒng)單線激光雷達結合云臺等驅動裝置掃描導線點云方法中，普通單線雷達內(nèi)部電機一般是360度旋轉，只有射向前方的激光可能照射到導線上，射向后方的激光幾乎全部被浪費，掃描效率較低。因此，反射鏡的精確標定十分必要。

3、傳統(tǒng)的標定方法精度和效率都比較低，且具有較高的系統(tǒng)操作復雜度，還降低整體的工作效率；在需要頻繁進行標定的應用環(huán)境中，這一問題尤為突出。也有一些利用光學測量或建立數(shù)學模型以實現(xiàn)反射鏡的高精度標定的方法，但同樣存在精度不足、運算復雜等問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一。

2、為此，本發(fā)明提供了一種激光雷達反射鏡標定方法。

3、本發(fā)明提供的一種激光雷達反射鏡標定方法，包括：

4、利用激光雷達云臺系統(tǒng)采集被測量物上采樣點的參數(shù)；所述采樣點的參數(shù)包括距離、偏擺角和俯仰角；其中，所述距離和偏擺角為激光雷達的測量值，所述俯仰角為云臺的測量值；

5、定義反射鏡位姿方程；

6、確定采樣點的類型，所述采樣點的類型至少包括反射點和直射點；其中，反射點為激光光束經(jīng)過反射鏡采集的采樣點，直射點為激光光束未經(jīng)過反射鏡采集的采樣點；

7、根據(jù)采樣點的參數(shù)在反射鏡位姿的限制下確定被測量物點云；

8、根據(jù)被測量物點云建立點云粗細度的表達式；以點云粗細度為優(yōu)化目標，以反射鏡位姿為優(yōu)化變量，通過最優(yōu)化方法標定出反射鏡位姿。

9、根據(jù)本發(fā)明上述技術方案的激光雷達反射鏡標定方法，還可以具有以下附加技術特征：

10、在上述技術方案中，所述定義反射鏡位姿方程，包括：

11、建立激光雷達坐標系，其中，所述激光雷達坐標系為以激光雷達為基準建立的極坐標系；

12、建立云臺臺面坐標系，其中，所述云臺臺面坐標系為以云臺為基準建立的三維坐標系，所述云臺臺面坐標系的參考軸與云臺保持同步轉動；

13、建立云臺零位坐標系，其中，所述云臺零位坐標系為云臺處于初始狀態(tài)時的云臺臺面坐標系；云臺的初始狀態(tài)包括：俯仰角為0；

14、所述反射鏡位姿方程為反射鏡在云臺臺面坐標系下的平面方程，所述反射鏡位姿方程的表達式為：

15、a0x+b0y+c0z＝1

16、其中，a0、b0、c0分別為反射鏡的位姿參數(shù)。

17、在上述技術方案中，所述采樣點的類型還包括不確定點，所述不確定點表示無法確定是否為經(jīng)過反射鏡采集的采樣點；在確定被測量物點云時，丟棄所述不確定點。

18、在上述技術方案中，所述確定采樣點的類型，包括：根據(jù)反射鏡相對激光雷達的機械安裝位置以及機械安裝誤差限值確定采樣點的類型，根據(jù)激光雷達測量的采樣點i的偏擺角

19、時，該采樣點為反射點；

20、或該采樣點為不確定點；

21、或時，該采樣點為直射點；

22、其中，ma和mb分別為反射鏡兩側的邊界點，ma在激光雷達坐標系下極坐標為ma的機械安裝誤差限為ea；mb在激光雷達坐標系下極坐標為mb的機械安裝誤差限為eb。

23、在上述技術方案中，所述根據(jù)采樣點的參數(shù)在反射鏡位姿的限制下確定被測量物點云，包括：

24、根據(jù)臺面變換矩陣將激光雷達坐標系中采樣點的坐標轉換至云臺臺面坐標系中表示；

25、根據(jù)零位變換矩陣將云臺臺面坐標系中采樣點的坐標轉換至云臺零位坐標系中表示；

26、所述采樣點在云臺零位坐標系中的坐標pi為：

27、

28、pi＝[xi,yi,zi]＝[xi′,yi′,zi′]ry(θi)

29、其中，[x′i,y′i,z′i]為第i個采樣點在云臺臺面坐標系中的坐標，ρi為第i個采樣點的距離，為第i個采樣點的偏擺角，t表示臺面變換矩陣，ry(θi)表示零位變換矩陣，θi表示采樣點的俯仰角；所有采樣點在云臺零位坐標系中的集合即為被測量物點云。

30、在上述技術方案中，根據(jù)采樣點的類型選擇不同的臺面變換矩陣轉換采樣點的坐標；

31、采樣點為直射點時，所述臺面變換矩陣采用單位矩陣；

32、采樣點為反射點時，所述臺面變換矩陣采用反射變換矩陣；所述反射變換矩陣的確定方法包括：

33、計算反射鏡平面的單位法向量n：

34、

35、取參考點(1/a0,0,0)，建立將原點移動到參考點的第一變換矩陣：

36、

37、建立反射矩陣：

38、

39、建立將原點從參考點移動回原來位置的第二變換矩陣：

40、

41、將t-atmta定義為反射變換矩陣。

42、在上述技術方案中，所述根據(jù)被測量物點云建立點云粗細度的表達式，包括：

43、選取被測量物點云中若干點進行奇異值分解，獲得奇異向量；

44、將以奇異向量為法線，且經(jīng)過被測量物點云中設定點的平面，設為被測量物平面；

45、將被測量物的三維點云全部投影到被測量物平面內(nèi)；

46、利用曲線擬合，得到被測量物平面內(nèi)被測量物的曲線方程；

47、將被測量物曲線方程擬合的誤差函數(shù)作為導線點云粗細度。

48、在上述技術方案中，所述被測量物點云中設定點為被測量物點云的質心

49、

50、其中，n為采樣點的總數(shù)，為被測量物點云的質心在云臺零位坐標系中的表示。

51、在上述技術方案中，所述以點云粗細度為優(yōu)化目標，以反射鏡位姿為優(yōu)化變量，通過最優(yōu)化方法標定出反射鏡位姿，包括：

52、設定點云粗細度f為優(yōu)化目標，將位姿s＝[a0,b0,c0]作為優(yōu)化變量；

53、預設反射鏡位姿的初始值s0；

54、采用優(yōu)化算法對優(yōu)化目標進行迭代優(yōu)化，達到終止條件時的位姿即為反射鏡位姿的標定結果sfinal；其中，在第n+1次迭代中的位姿sn+1，根據(jù)優(yōu)化目標和第n次迭代中的位姿sn自動計算出；

55、當優(yōu)化變量兩次迭代的變化量的范數(shù)‖sn+1-sn‖小于預設的固定值，迭代終止。

56、在上述技術方案中，所述激光雷達能夠控制激光束掃描的偏擺角，所述激光雷達裝配于俯仰角可控的云臺上，云臺的俯仰軸在所述激光雷達的測量面內(nèi)與激光雷達內(nèi)部電機偏擺軸相互垂直。

57、綜上所述，由于采用了上述技術特征，本發(fā)明的有益效果是：

58、本發(fā)明提出的激光雷達反射鏡標定方法有效提升激光雷達采集導線點云的效率；實現(xiàn)在導線點云采集現(xiàn)場即時標定反射鏡位姿；有效降低激光雷達高掃描頻率的要求，降低成本。通過標定可以確保激光雷達系統(tǒng)的反射鏡在不同位置和角度下都能準確地將激光束反射回探測器，有助于提高激光雷達測量目標距離、速度和位置等信息的準確性。標定過程中可以通過調(diào)整反射鏡的位置和角度，使得激光束能夠更有效地被探測器接收，從而提高系統(tǒng)的整體性能。標定后的激光雷達系統(tǒng)能夠更準確地獲取目標信息，從而減少數(shù)據(jù)處理過程中的錯誤和噪聲，提高數(shù)據(jù)處理的效率和質量。

59、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述部分中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。