一种两个或多个高精度激光线扫描仪的对齐算法的制作方法

本发明涉及激光线扫描仪的对齐算法领域，更具体地说，涉及一种两个或多个高精度激光线扫描仪的对齐算法。

背景技术：

为了实现双扫描仪或多个扫描仪的组网工作，他们的对齐工作就至关重要，对齐算法负责将所有扫描仪放入统一的坐标系，从而使每个单一的激光线扫描仪的数据有自身坐标系转换为统一的坐标系从而实现数据融合。对齐算法的精度直接决定了组网后的扫描仪集群的测量精度，是至关重要的核心算法。

现有技术的双扫描仪双孔标定杆方法，需要每个扫描仪先进行激光共面的操作，而且共面的精度直接影响设备对齐的精度。次对齐方法无法适应当扫描仪无法保证共面的情况。这个对齐方法对于扫描仪沿y轴的旋转偏差标定精度很低。在多扫描仪对齐时，同样要求多扫描仪共面，无法满足当扫描仪不共面的情况时扫描仪的对齐情况，其次必须有人为干预，由人工选择哪个扫描仪对应对应于哪一个定点，无法实现全自动对齐操作；

现有技术的结合线性导轨实现双扫描仪或多个扫描仪的对齐方法的缺陷是对齐方法投入大，需要增加高精密线性导轨。整个对齐过程测量设备在运动中，环境干扰会直接影响扫描仪对齐精度。对齐精度和线性导轨的精度直接相关。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种两个或多个高精度激光线扫描仪的对齐算法，以解决需扫描仪进行一些预处理工作，扫描仪不共面无法完成对齐，需人员干预的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种两个或多个高精度激光线扫描仪的对齐算法，包括以下步骤：

s1、若干个扫描仪刚性连接，若干个扫描仪进行同步，最初的测量结果在各自的扫描仪原始坐标系中；

s2、所有扫描仪同时对标定块进行测量，原始扫描点云，根据一阶导数的计算进行划分，分为p0p1段，p2p3段，p4p5段；

s3、分别对p0p1段，p2p3段，p4p5段进行线的最佳拟合，得到直线p0p1，p2p3和p4p5，计算p0p1和p2p3相交计算得出p1(p2)。计算p4p5和p2p3相交计算得出p3(p4)；

s4、计算平面p013和p145；

s5、计算p013和p145相交得到直线q的表达式；

s6、以p2p3的中心以|p2p3|/2为半径创建球r；

s7、计算直线q和球r的交点pu1和pu2；

s8、以pu为中心，以向量pup2为定义的坐标系的一个方向，以pu为中心，以向量pup3为定义的坐标系的另一个方向；

s9、若干个扫描仪会产生若干个4x4旋转矩阵，把所有的扫描仪放置在统一的坐标系下；

s10、重复s3-14步骤，产生若干测量结果，从而产生数据冗余，从而可以计算误差和分布；

s11、标定完成。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述扫描仪的数量为两个及两个以上。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述s2中的标定块为互为直角的三个面组成的角反射器，或者正方块或长方块。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述s5中的q的表达式为(x,y,z)∈r³:a1x+b1y+c1z＝d1，所述s6中的空间球的表达式为(x-x0)²+(y-y0)²+(z-z0)²＝r²。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案，最大优点是无需运动部件，所有设备在标定时处于静止状态，从而大大提高校准精度；

此外，本发明的测量时间极短，因此任何环境噪音和稳定性对测量结果影响很小，只要校准块和测量设备之间相对稳定，并且测量设备之间刚性良好即可；

本方法的校准设备加工难度不大，只有下面两个要求：

1.平面a,b,c的平面度，越小精度越高；

2.平面a,b,c的相互垂直度，越高越精确；

可以扩展到多激光扫描仪的对齐，如多个激光线扫描仪集群的对齐。

附图说明

图1为本发明的扫描远离示意图；

图2为本发明的扫描拟合示意图；

图3为本发明标定块的结构示意图；

图4为本发明直线q的标定示意图；

图5为本发明球r的标定示意图；

图6为本发明的扫描方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；

请参阅图1、2、4与5，本发明中，一种两个或多个高精度激光线扫描仪的对齐算法，包括以下步骤：

s1、若干个扫描仪刚性连接，若干个扫描仪进行同步，最初的测量结果在各自的扫描仪原始坐标系中；

s2、所有扫描仪同时对标定块进行测量，原始扫描点云，根据一阶导数的计算进行划分，分为p0p1段，p2p3段，p4p5段；

s3、分别对p0p1段，p2p3段，p4p5段进行线的最佳拟合，得到直线p0p1，p2p3和p4p5，计算p0p1和p2p3相交计算得出p1(p2)。计算p4p5和p2p3相交计算得出p3(p4)；

s4、计算平面p013和p145；

s5、计算p013和p145相交得到直线q的表达式；

s6、以p2p3的中心以|p2p3|/2为半径创建球r；

s7、计算直线q和球r的交点pu1和pu2；

s8、以pu为中心，以向量pup2为定义的坐标系的一个方向(可以在xyz轴中任意选择)，以pu为中心，以向量pup3为定义的坐标系的另一个方向(可以在xyz轴中任意选择pup2定义之外的轴向)；

s9、若干个扫描仪会产生若干个4x4旋转矩阵，把所有的扫描仪放置在统一的坐标系下；

s10、重复s3-14步骤，产生若干测量结果，从而产生数据冗余，从而可以计算误差和分布；

s11、标定完成。

本发明中，算法的数学描述是这样的，当3个平面两两垂直，一个平面与这3个平面相交，同时通过三个平面但不通过3个平面的相交的定点。设3个平面为平面a,b和c，设三个平面相交的定点为pu，平面l与abc相交于lla,llb,llc，点p0,p1位于直线lla上，点p2,p3位于直线llb上,点p4,p5位于直线llc上，目的是根据p0-p5计算pu的xyz坐标，然后根据坐标进行统一所有扫描仪的坐标；

最大优点是无需运动部件，所有设备在标定时处于静止状态，从而大大提高校准精度；

此外，本发明的测量时间极短，因此任何环境噪音和稳定性对测量结果影响很小，只要校准块和测量设备之间相对稳定，并且测量设备之间刚性良好即可；

本方法的校准设备加工难度不大，只有下面两个要求：

1.平面a,b,c的平面度，越小精度越高；

2.平面a,b,c的相互垂直度，越高越精确。

请参阅图6，其中：所述扫描仪的数量为两个及两个以上。

本发明中，本发明可以扩展到多激光扫描仪的对齐，如多个激光线扫描仪集群的对齐。

请参阅图3，其中：所述s2中的标定块为互为直角的三个面组成的角反射器，或者正方块或长方块。

本发明中，确保标定块的三个面两两垂直，提高测量精度与方便计算。

请参阅图4与图5，其中：所述s5中的q的表达式为(x,y,z)∈r³:a1x+b1y+c1z＝d1，所述s6中的空间球的表达式为(x-x0)²+(y-y0)²+(z-z0)²＝r²。

本发明中，由于面abc相互垂直，则：

a)pup1和p4p5是垂直的，pup4和p0p1是垂直的，那么pu就必定在和p4p5垂直且通过p1的平面(p145)上；

b)pu也必定在和p0p1垂直且通过p4的平面(p013)上；

c)面p145和面p013相交得到直线q，于是pu就必定在那条直线上；

同样由于面abc相互垂直，角p2pup3一定为直角，因此pu一定位于以p2p3为直径的球r上；

线球相交存在2个解，可能为实数解，可能为虚数解，但由于面abc垂直的前提条件，决定了我们的公式联立一定有两个实数解，在两个解中选取其中一个的规则非常简单，由于两个解一个位于平面l之上，另一个位于平面l之下，则两个扫描仪的对齐结果如果选上面的则都选上面的解，否则都选下面的解；

pu计算出来后，创建坐标系，使用pu为原点，矢量pup2为x轴，pup3为y轴创建坐标系，由于创建的此坐标系为校准块坐标系，因为每个扫描仪在校准块的坐标系的位置和姿态由此确定，而扫描仪之间的转换关系从而可以计算出来，这个转换关系为校准的结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。