光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置的制作方法

1.本发明涉及光纤惯导和三维激光雷达技术领域，具体涉及光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置。


背景技术：

2.惯性导航系统是惯性系统中最经典的产品之一，经历了数百年的发展，国际惯性技术逐渐成熟，其中以陀螺仪技术发展过程最为典型，其基本涵盖了整个惯性技术的发展历程，光纤惯导与其他惯导相比有着显著的优势，首先是与其他惯导一样有着高精密度，同时其不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，也不受外界电磁干扰的影响。
3.与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，因此带来了很多优点，同时激光雷达也存在相应的缺点，如：工作时受天气和大气影响大，激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远，而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响；而借助惯性导航系统不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，也不受外界电磁干扰的影响的特点，将惯性导航系统与激光雷达相结合，弥补了激光雷达工作时受天气和大气影响大的缺点，因而现提出光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置，包括有金属支架以及通过螺栓固定在金属支架上的光纤惯性导航设备和三维激光雷达设备；
5.所述光纤惯性导航设备中还具有扫描三维成像激光雷达和面阵三维成像激光雷达；
6.所述三维激光雷达设备中还包括有加速度计和陀螺仪；
7.其中，光纤惯性导航设备和三维激光雷达设备还具备有如下的测量定位流程：
8.s1：三维激光雷达设备中的扫描三维成像激光雷达和面阵三维成像激光雷达将扫描到的三维模型传输到控制显示上；
9.s2：光纤惯性导航设备中的加速度计和陀螺仪将物体进行姿态矩阵计算，得出姿态矩阵和姿态角计算数据之后传输到导航计算机上，同时配合步骤s1中获得三维模型数据一起出送到控制显示上。
10.在上述光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置的技术方案中，优选地，所述步骤s1中的扫描三维成像激光雷达采用频率调制连续波探测方法，其中，由于频率调制连续波探测方法中的回波信号与发射信号存在时间差t，将回波信号与本振信号进行混频后，通过平衡探测器就可以得到他们的差频信号：
[0011][0012]
其中，r为目标距离，b为调制带宽，t为调制信号的周期。
[0013]
在上述光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置的技术方案中，优选地，所述面阵三维成像激光雷达具有apd阵列和ccd相机两种探测方式；其中，apd阵列的每个像元都是一个单点探测的激光像元，能够直接给出与其对应的距离信息；ccd相机作为一种积分探测器件无法直接获得距离信息，需要通过调制/解调来由所获得图像的灰度间接计算出每个像元对应的距离。
[0014]
在上述光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置的技术方案中，优选地，所述步骤s2中姿态矩阵计算具有如下的步骤：
[0015]
s1：姿态中的加速度变换；
[0016]
s2：利用欧拉角法计算姿态矩阵；
[0017]
s3：利用方向余弦矩阵微分方程推导和求解；
[0018]
s4：角速率提取。
[0019]
由上述技术方案可知，本发明提供光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置装置与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0020]
本发明中采用光纤惯导技术，而光纤惯导与其他惯导相比有着显著的优势，首先是与其他惯导一样有着高精密度，再借助组合技术将光纤惯导技术与三维激光雷达融合，利用三维激光雷达技术能直接获取三维点云数据，有测距精度高、受光线影响小、抗电磁干扰等特点，利用不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统优势，解决了三维激光雷达受天气因素影响大，激光波束窄，只能探测波束扫到的较小范围内搜索捕获目标的缺点。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]
图1为本发明中光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位流程示意图；
[0023]
图2为本发明中光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位装置示意图
[0024]
图2中，零部件的对应关系如下：
[0025]
1、金属支架；2、光纤惯性导航设备；3、三维激光雷达设备。
具体实施方式
[0026]
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，显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
[0027]
为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本
发明技术方案的几个优选的具体实施例。
[0028]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。
[0029]
另外，本文中的术语：“内、外”，“前、后”，“左、右”，“竖直、水平”，“顶、底”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技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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技术的限制。
[0030]
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。由此，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。
[0031]
具体实施例1：光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位：
[0032]
三维激光雷达设备中的扫描三维成像激光雷达和面阵三维成像激光雷达将扫描到的三维模型传输到控制显示上；光纤惯性导航设备中的加速度计和陀螺仪将物体进行姿态矩阵计算，得出姿态矩阵和姿态角计算数据之后传输到导航计算机上，同时配合获得的三维模型数据一起出送到控制显示上。
[0033]
并且扫描三维成像激光雷达采用频率调制连续波探测方法，其中，由于频率调制连续波探测方法中的回波信号与发射信号存在时间差t，将回波信号与本振信号进行混频后，通过平衡探测器就可以得到他们的差频信号：
[0034][0035]
其中，r为目标距离，b为调制带宽，t为调制信号的周期。
[0036]
面阵三维成像激光雷达具有apd阵列和ccd相机两种探测方式；其中，apd阵列的每个像元都是一个单点探测的激光像元，能够直接给出与其对应的距离信息；ccd相机作为一种积分探测器件无法直接获得距离信息，需要通过调制/解调来由所获得图像的灰度间接计算出每个像元对应的距离。
[0037]
具体实施例2：基于实施例1，光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位：
[0038]
三维激光雷达设备中的扫描三维成像激光雷达和面阵三维成像激光雷达将扫描到的三维模型传输到控制显示上；光纤惯性导航设备中的加速度计和陀螺仪将物体进行姿态矩阵计算，得出姿态矩阵和姿态角计算数据之后传输到导航计算机上，同时配合获得的三维模型数据一起出送到控制显示上。
[0039]
并且扫描三维成像激光雷达采用频率调制连续波探测方法，其中，由于频率调制连续波探测方法中的回波信号与发射信号存在时间差t，将回波信号与本振信号进行混频后，通过平衡探测器就可以得到他们的差频信号：
[0040][0041]
其中，r为目标距离，b为调制带宽，t为调制信号的周期。
[0042]
面阵三维成像激光雷达具有apd阵列和ccd相机两种探测方式；其中，apd阵列的每个像元都是一个单点探测的激光像元，能够直接给出与其对应的距离信息；ccd相机作为一
种积分探测器件无法直接获得距离信息，需要通过调制/解调来由所获得图像的灰度间接计算出每个像元对应的距离。
[0043]
其中，三维激光雷达设备的视觉前端从立体摄像机获取立体图像，并执行帧到帧的跟踪和立体帧匹配，输出立体匹配结果作为视觉测量，立体vio采用立体匹配和imu测量，在位姿图上执行imu预积分和平滑紧耦合结果，根据imu和摄像机输出vio姿态，随后lidar建图模块使用vio的运动估计，并执行lidar点去噪和扫描以进行地图配准，回环闭合模块进行视觉环路检测和初始环路约束估计，并通过稀疏点云icp对准进一步精细配准，对约束所有lidar姿态的全局姿态图进行增量式优化，得到全局修正轨迹和实时lidar姿态修正，在后处理中，将激光雷达扫描帧与最佳估计的激光雷达姿态拼接，以获得稠密的点云地图结果。
[0044]
惯性导航信息可用于提升视觉和激光雷达slam的前端和后端算法性能，由于激光雷达在扫描过程中载体是运动的，当动态性较强时，常用的匀速补偿模型难以校正帧内点云的畸变；而惯性导航系统能以较高的频率测量激光雷达一个扫描周期内的运动信息，这些运动信息可有效地校准雷达点云数据。惯性导航的输出结果对于帧间数据匹配也具有重要辅助作用，其可以作为帧间匹配算法的初值，而相对准确的初值可以有效提升配准算法的精度和收敛速度，惯性导航输出信息还可用于补偿运动造成的图像模糊，从而提升视觉slam的前端鲁棒性。
[0045]
在slam后端算法中，融合imu信息对提升slam精度和鲁棒性也具有重要意义，基于激光雷达和视觉的slam系统通常采用匀速模型来近似运动模型，而在动态性较强时，该近似方法会导致模型精度下降。惯性传感器能以较高的频率输出载体的运动信息，利用惯性导航输出可构建更为准确的slam模型，。在单目视觉slam系统中，惯性信息还可用于补偿缺失的尺度因子，另一方面，视觉和激光雷达对地标的观测信息则可用于校正惯性导航的累积误差，从而实现组合增强。
[0046]
对立体视觉进行立体匹配，如果跟踪的立体匹配数低于阈值，使用shi-tomashi角点检测器进行特征提取，然后进行特征消除过程，删除与任何小于阈值的现有特征的像素距离的特征，orb描述子后计算所有幸存特征，然后进行暴力立体匹配以获得新的匹配结果，系统通过对第一帧立体视觉进行立体匹配来初始化系统，而由于糟糕的视觉测量会导致收敛问题，对视觉测量强制执行严格的异常值拒绝机制，系统通过检查平均重投影误差来消除异常值。
[0047]
激光雷达建图在进行激光雷达点提取和扫描帧点云到地图配准之前，使用高频imu速率vio姿态作为运动，将扫描点表示为从一个完整的激光雷达旋转获得的点云，从扫描点中提取几何特征，包括锐边上的点和平面上的点，然后，基于当前扫描到地图的特征点(所有先前的特征点)，通过最小化特征点形成的欧几里德距离残差，并制造出扫描后的模型。
[0048]
具体实施例3：基于实施例1，光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位：
[0049]
三维激光雷达设备中的扫描三维成像激光雷达和面阵三维成像激光雷达将扫描到的三维模型传输到控制显示上；光纤惯性导航设备中的加速度计和陀螺仪将物体进行姿态矩阵计算，得出姿态矩阵和姿态角计算数据之后传输到导航计算机上，同时配合获得的三维模型数据一起出送到控制显示上。
[0050]
并且扫描三维成像激光雷达采用频率调制连续波探测方法，其中，由于频率调制连续波探测方法中的回波信号与发射信号存在时间差t，将回波信号与本振信号进行混频后，通过平衡探测器就可以得到他们的差频信号：
[0051][0052]
其中，r为目标距离，b为调制带宽，t为调制信号的周期。
[0053]
面阵三维成像激光雷达具有apd阵列和ccd相机两种探测方式；其中，apd阵列的每个像元都是一个单点探测的激光像元，能够直接给出与其对应的距离信息；ccd相机作为一种积分探测器件无法直接获得距离信息，需要通过调制/解调来由所获得图像的灰度间接计算出每个像元对应的距离。
[0054]
在需要对测量和定位的物体进行重建时，加入imu做匹配约束，imu传感器能智能地融合多轴陀螺仪和加速度计，即只用内部传感器就可以得到测量数据，而不需要任何外界帮助，提供可靠的位置和运动识别，imu在三维重建中采用的方法一般是通过卡尔曼滤波器或者优化的预积分模型进行对匹配进行相对约束，能大大提升匹配的精度和鲁棒性。
[0055]
具体实施例4：基于实施例1，光纤惯导和三维激光雷达融合的支架测量定位：
[0056]
三维激光雷达设备中的扫描三维成像激光雷达和面阵三维成像激光雷达将扫描到的三维模型传输到控制显示上；光纤惯性导航设备中的加速度计和陀螺仪将物体进行姿态矩阵计算，得出姿态矩阵和姿态角计算数据之后传输到导航计算机上，同时配合获得的三维模型数据一起出送到控制显示上。
[0057]
激光雷达仅能测量地标的距离信息，当地标特征受运动物体遮挡时，仅利用点云的几何信息难以与地图进行配准，将相机与激光雷达配准后，可以将相机感知的视觉特征信息赋予雷达点云，然后利用特征的相似性辅助点云配准，相机本质上是一种角度测量传感器，在成像过程中地标特征的距离信息丢失，因此在视觉slam系统中需要根据多帧或多目的观测重构地标的三维位置信息，这给slam算法带来了负担，在光照、视角等发生强烈变化时，视觉slam前端也面临失效风险，将激光雷达测量的距离信息赋予视觉特征可实现三维视觉功能，同时在视觉环境发生变化时，激光雷达测量的三维结构仍能保证slam前端的正常运行。
[0058]
其中，三维激光雷达设备的视觉前端从立体摄像机获取立体图像，并执行帧到帧的跟踪和立体帧匹配，输出立体匹配结果作为视觉测量，立体vio采用立体匹配和imu测量，在位姿图上执行imu预积分和平滑紧耦合结果，根据imu和摄像机输出vio姿态，随后lidar建图模块使用vio的运动估计，并执行lidar点去噪和扫描以进行地图配准，回环闭合模块进行视觉环路检测和初始环路约束估计，并通过稀疏点云icp对准进一步精细配准，对约束所有lidar姿态的全局姿态图进行增量式优化，得到全局修正轨迹和实时lidar姿态修正，在后处理中，将激光雷达扫描帧与最佳估计的激光雷达姿态拼接，以获得稠密的点云地图结果。
[0059]
slam算法中，融合imu信息对提升slam精度和鲁棒性也具有重要意义，基于激光雷达和视觉的slam系统通常采用匀速模型来近似运动模型，而在动态性较强时，该近似方法会导致模型精度下降。惯性传感器能以较高的频率输出载体的运动信息，利用惯性导航输出可构建更为准确的slam模型，在单目视觉slam系统中，惯性信息还可用于补偿缺失的尺
度因子，另一方面，视觉和激光雷达对地标的观测信息则可用于校正惯性导航的累积误差，从而实现组合增强。
[0060]
激光雷达建图在进行激光雷达点提取和扫描帧点云到地图配准之前，使用高频imu速率vio姿态作为运动，将扫描点表示为从一个完整的激光雷达旋转获得的点云，从扫描点中提取几何特征，包括锐边上的点和平面上的点，然后，基于当前扫描到地图的特征点(所有先前的特征点)，通过最小化特征点形成的欧几里德距离残差，并制造出扫描后的模型。
[0061]
最后，还需要说明的是，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0062]
在本文中使用的术语"包括'、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个
…
"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0063]
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。