三維激光掃描與多傳感器集成移動(dòng)測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用-鐘若飛

1、三維激光掃描和多傳感器集成移動(dòng)測(cè)繪技術(shù)和應(yīng)用模式、報(bào)告綱要、一、技術(shù)和應(yīng)用背景二、主要技術(shù)三、多功能一體化集成系統(tǒng)四、三維信息集成和集成處理系統(tǒng)、航空、無(wú)人機(jī)、數(shù)據(jù)獲取、三維激光掃描， 探地雷達(dá)高精度立體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)空中-地面-地下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)多負(fù)荷數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)-車載-室內(nèi)集成創(chuàng)新，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)系列產(chǎn)品的大型-中型-輕量，一，技術(shù)和應(yīng)用背景：立體化監(jiān)控需求，一，技術(shù)和應(yīng)用背景：傳統(tǒng)方式的弊端如， 如果航空測(cè)量的傳統(tǒng)街道視圖方式是二維的，分辨率低，不現(xiàn)實(shí)的傳統(tǒng)城市零件采集方式效率低，現(xiàn)代的尖端傳感器都需要用上宇宙航空車載下視來(lái)眺望，另一方面技術(shù)和應(yīng)用背景：移動(dòng)激光測(cè)量，定義：基于移動(dòng)載體的影像和激光光斑

2、功能：在移動(dòng)載體進(jìn)行中獲取正確的地理代碼圖像和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。 人工觀測(cè)點(diǎn)擊同名點(diǎn)，交互工作量多，基線短，精度低，難以自動(dòng)分類、提取、實(shí)體化，激光移動(dòng)測(cè)定基于近景攝影測(cè)定的缺點(diǎn)：被動(dòng)測(cè)定、間接測(cè)定、主動(dòng)測(cè)定、直接測(cè)定，一、技術(shù)和應(yīng)用背景：激光技術(shù)和應(yīng)用背景：部分海外產(chǎn)品、加拿大的Optech產(chǎn)品日本TOPCON產(chǎn)品、Applanix產(chǎn)品、英國(guó)MDL產(chǎn)品、海外產(chǎn)品于2010年在國(guó)內(nèi)銷售，一、技術(shù)和應(yīng)用背景：部分海外產(chǎn)品分為高端測(cè)量型(900萬(wàn))和低端視野型(300萬(wàn)) 核心零部件價(jià)格昂貴(激光和慣導(dǎo))，技術(shù)含量高，涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的交叉產(chǎn)品，需要事后處理的軟件市場(chǎng)的可能性比較少，另一方面，技術(shù)和應(yīng)

3、用背景：系統(tǒng)銷售價(jià)格高的原因，一， 技術(shù)和應(yīng)用背景：比實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品的需求更輕量、緊湊的多用途多數(shù)據(jù)-立體影像、激光光斑云、紅外線熱像儀、影像、聲音的快速檢測(cè)方式操作簡(jiǎn)單， 安裝方便、低成本的空地一體化，結(jié)合補(bǔ)充車載立面視角限制的導(dǎo)航和攝影測(cè)量，解決了GPS信號(hào)缺失問(wèn)題，并報(bào)告了概要；移動(dòng)測(cè)量技術(shù)背景二、主要關(guān)鍵技術(shù)三、多功能一體化集成系統(tǒng)四、三維信息集成和綜合處理系統(tǒng)、硬件選定和集成、時(shí)間同步、二、 關(guān)鍵技術(shù)、空間檢測(cè)、2.1硬件集成、GPS、IMU、DMI、激光、CCD集成優(yōu)化、快速獲取服務(wù)地理空間數(shù)據(jù)的移動(dòng)載波激光建模測(cè)量系統(tǒng)、單傳感器多傳感器、集成度(不同傳感器的精度要求為相同數(shù)量級(jí)別G

4、NSS天線，360激光掃描儀，電子轉(zhuǎn)臺(tái)，2.1硬件集成， 2.1.1硬件集成激光的選定成本10萬(wàn)元至100萬(wàn)元的不等線掃描頻率3354至少20HZ至200HZ的不等點(diǎn)掃描頻率3354至少1000點(diǎn)的距離 30米測(cè)量精度3354至少10cm的距離分辨率3354至少2cm的重量33最高2kg以內(nèi)，根據(jù)激光技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算，轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)，即每秒激光掃描儀的掃描頻率為50 假設(shè)50=2K點(diǎn)均勻分布在360度的空間中，角度分辨率=2*3.14/2000，約3mRad每小時(shí)50公里，100米以外的數(shù)據(jù)點(diǎn)的縱向和橫向間隔只有0.3米左右。車道方向激光光點(diǎn)間距計(jì)算：車速50公里/時(shí)間=13米/秒13/50=0.

5、26米掃描方向光點(diǎn)間距計(jì)算：弧長(zhǎng)=半徑*弧度100*3/1000=0.3米100米外光點(diǎn)尺寸： 0.3/1000 * 1 2.1.1激光的選定Velodyne測(cè)距精度2cm、2.1.1激光的選定ibeo LUX、2.1.1激光的選定rieglvux-1、2.1.1激光的選定farox30， 2.1.1激光的選擇 Riegl VZ系列定位和定向系統(tǒng)(POS ) (映射)慣性導(dǎo)航技術(shù)(INS，Inertial Navigation System ) 快速慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性測(cè)量裝置(IMU ) pos的本質(zhì)是快速慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS配置的組合系統(tǒng)。 SINS可以實(shí)時(shí)連續(xù)地測(cè)量載流子的位置、速度、姿勢(shì)等

6、所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)，但其誤差隨時(shí)間而存儲(chǔ)。 GPS能提供載波的高精度位置和速度，但因?yàn)镚PS信號(hào)容易受到遮擋、干擾等因素的影響，數(shù)據(jù)更新率低，所以通過(guò)結(jié)合SINS和GPS來(lái)綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，是一種理想的位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。 2.1.2硬件集成常規(guī)指南的選定、選擇2.1.2硬件集成常規(guī)指南的理由(1)、更新頻率、GPS 20HZ、IMU 200HZ假定行駛速度相當(dāng)于40km/h、10m/秒，僅GPS是兩個(gè)如果以20=0.5米，即50cm使用IMU，則兩點(diǎn)之間的車的移動(dòng)距離為10/200=0.05米，即5厘米，如果計(jì)算激光掃描數(shù)據(jù)，則6個(gè)外方位要素包含翻滾、俯仰、航向，單個(gè)GPS無(wú)法輸出姿勢(shì)可以考

7、慮用三個(gè)GPS做成三角形來(lái)測(cè)量姿勢(shì)嗎？ 國(guó)內(nèi)也有這樣的研究，但有一個(gè)缺點(diǎn)：輸出頻率低，一個(gè)容易開鎖，另一個(gè)需要長(zhǎng)的基線。 2.1.2硬件集成選擇常規(guī)指南的理由(2)、2.1.2硬件集成選擇常規(guī)指南的理由(3)，車載三維數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)在高樓林立的城市運(yùn)行，可能沒有GPS信號(hào)。 此外，受交通狀況的影響，車載平臺(tái)的關(guān)閉，使車載系統(tǒng)的工作環(huán)境非常獨(dú)特。 容易鎖門的地方：立交橋、街道橋、大樓下面，兩側(cè)是樹木林蔭道，一般上鎖時(shí)間為30秒，所以我們也主要關(guān)心組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，30秒或1分鐘后能達(dá)到的精度，2.1.2硬件集成 對(duì)感興趣的IMU的指標(biāo)零偏穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，再現(xiàn)性評(píng)價(jià)SINS的指標(biāo)初始對(duì)準(zhǔn)精度、姿勢(shì)

8、航向保持精度評(píng)價(jià)POS的指標(biāo)定位精度、姿勢(shì)精度車載測(cè)量系統(tǒng)需要哪些常規(guī)指南滿足姿勢(shì)精度的要求？ 這是粗略的估計(jì)值，如果激光掃描儀的測(cè)角精度為0.1毫米，100米外，點(diǎn)精度為1cm，則需要選擇姿勢(shì)精度為0.1毫米，即組合的姿勢(shì)精度為0.005度的水平的慣導(dǎo)，要滿足對(duì)姿勢(shì)精度的要求，需要選擇哪個(gè)另外，2.1.2選擇硬件集成的任何常規(guī)指南(2)，多傳感器數(shù)據(jù)融合處理的前提是，所有傳感器同時(shí)獲取的數(shù)據(jù)，它們安裝在同一載波上，因此，在同一時(shí)間獲取的數(shù)據(jù)也獲取了相同位置的數(shù)據(jù)另外，根據(jù)2.2小時(shí)同步GPS的時(shí)間基準(zhǔn)，數(shù)據(jù)收集頻率不同，所以在融合數(shù)據(jù)時(shí)，把時(shí)間作為標(biāo)志，進(jìn)行數(shù)據(jù)的插值處理和數(shù)據(jù)匹配，結(jié)合傳感

9、器檢測(cè)信息，分別求出各掃描和攝影時(shí)刻傳感器的運(yùn)動(dòng)位置和姿勢(shì)參數(shù)。 如何保證2.2小時(shí)同步數(shù)據(jù)采集頻率內(nèi)插、2.2小時(shí)同步的難點(diǎn)、高精度？ 計(jì)算機(jī)時(shí)間不準(zhǔn)確，統(tǒng)一為GPS的時(shí)間，如何對(duì)黑盒進(jìn)口設(shè)備確保實(shí)際獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，而不是保存的時(shí)間？例如，IMU向其發(fā)出開始的指示，此時(shí)的時(shí)間是數(shù)據(jù)取得開始的時(shí)間，還是有延遲？ 如果不知道設(shè)備的原理，就很難知道實(shí)際開始的時(shí)間。2.2pps輸入設(shè)備的時(shí)間同步方案、2.2pps輸入設(shè)備的時(shí)間同步方案、時(shí)間同步正確、時(shí)間同步誤差為0.5s、2.2小時(shí)同步誤差的前后比較，如何將在各傳感器獨(dú)立坐標(biāo)系中獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為公共坐標(biāo)基準(zhǔn)的WGS84坐標(biāo)系單一傳感器的獨(dú)立檢測(cè)集成

10、傳感器的整體檢測(cè)-激光、2.3系統(tǒng)空間同步、LIDAR單獨(dú)檢查、激光測(cè)距誤差、反射點(diǎn)性質(zhì)對(duì)距離的影響、常數(shù)、加上常數(shù)的編碼盤偏心引起的測(cè)角誤差、2.3.1系統(tǒng)空間同步、2.3.1系統(tǒng)空間同步激光檢查識(shí)別標(biāo)志、2.3.1系統(tǒng)空間同步強(qiáng)度的距離常數(shù)加：-1.367m，常數(shù)乘：-0.000165誤差： 0.0037m，2.3.1系統(tǒng)空間同步強(qiáng)度的距離的修正，1 .測(cè)量角系統(tǒng)零。 主要原因是機(jī)械制作零和計(jì)數(shù)器零的偏差。 2 .測(cè)角跟蹤誤差主要是由代碼盤的偏心誤差引起的。 2.3.1系統(tǒng)的空間同步測(cè)量角度誤差，2.3.1系統(tǒng)的空間同步測(cè)量角度誤差，將激光垂直放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，使激光的掃描平面成為水平，使激光

11、的旋轉(zhuǎn)中心與轉(zhuǎn)臺(tái)的中心一致。 掃描開始后，移動(dòng)活動(dòng)目標(biāo)，找到實(shí)時(shí)的云圖，讀取其角度，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，角度也發(fā)生變化，可以測(cè)量激光角度的跟蹤誤差。2.3.1系統(tǒng)空間同步測(cè)角誤差修正、關(guān)系曲線：IMU的單獨(dú)檢查、初始對(duì)位姿勢(shì)角、跟蹤姿勢(shì)角、保持姿勢(shì)角測(cè)量、2.3.2系統(tǒng)空間同步IMU的綜合測(cè)量、2.3.2系統(tǒng)空間同步多個(gè)IMU的重疊測(cè)量， 2.3.3系統(tǒng)空間同步激光和全景對(duì)準(zhǔn)2.3.3系統(tǒng)空間同步激光和面陣相機(jī)對(duì)準(zhǔn)，2.3.3系統(tǒng)空間同步激光和線傳感器相機(jī)對(duì)準(zhǔn)，線傳感器相機(jī)，安裝面，激光激光、IMU、軋輥的誤差導(dǎo)致測(cè)距值的不準(zhǔn)確，影響坐標(biāo)的激光掃描方向和標(biāo)高的偏差，受軋輥誤差的影響而增大測(cè)距值時(shí)，記錄值

12、位于實(shí)際地面下。 俯仰角誤差同樣帶來(lái)測(cè)距值的不準(zhǔn)確，影響坐標(biāo)的車的行駛方向和海拔的偏差，如果受俯仰角的影響測(cè)距值變大，記錄值也將低于實(shí)際地面。 航向角誤差也影響測(cè)距值，從而影響坐標(biāo)的行進(jìn)方向和激光掃描方向的水平誤差，該誤差在各掃描線上發(fā)生失真。 2.3.4系統(tǒng)空間同步設(shè)置角誤差的影響、2.3.4系統(tǒng)空間同步設(shè)置角檢查方式、掃描數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)檢查工具、綜合檢查場(chǎng)、檢查場(chǎng)云圖、2.3.4系統(tǒng)空間同步控制場(chǎng)檢查方法、控制點(diǎn)同時(shí)求出設(shè)置參數(shù)檢查后， 2.3.4系統(tǒng)空間同步控制場(chǎng)檢測(cè)方法2.3.4系統(tǒng)空間同步重復(fù)軌跡檢測(cè)方法，2.3.5系統(tǒng)空間同步全站儀驗(yàn)證，報(bào)告綱要，一、移動(dòng)測(cè)量技術(shù)背景二、主要技術(shù)三、多

13、功能一體化集成系統(tǒng)四、三維信息集成和綜合處理系統(tǒng)，車載一體化通過(guò)多功能一體化集成系統(tǒng)、室內(nèi)室外一體化、地面與車載一體化、水上水中一體化地面地下一體化、3.1、地面定點(diǎn)與車載移動(dòng)一體化集成系統(tǒng)、2013年11月30日在廣州以中國(guó)科學(xué)院童慶禧院士為領(lǐng)導(dǎo)、東京大學(xué)陳天恩教授為副領(lǐng)導(dǎo)的項(xiàng)目審定委員會(huì)審定， 設(shè)備采用拉軌式，設(shè)置簡(jiǎn)單，設(shè)備體積小，相機(jī)高度可伸縮，可以組合基于POS的定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)掃描和車隊(duì)掃描，旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)不使用人工移動(dòng)站，可以人工組裝工作站，WGS-84坐標(biāo)點(diǎn)結(jié)合全站儀進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描可解決隧道等開鎖環(huán)境的測(cè)量問(wèn)題，GPS開鎖的情況下，位置信息的誤差大，IMU仍能夠采取高精度的姿勢(shì)，在這種情況下，

14、全站儀觀測(cè)設(shè)備上部的360棱鏡，設(shè)備開鎖區(qū)域的精度保證，已知點(diǎn)、GPS開鎖，地下停車場(chǎng)的多個(gè)站的數(shù)據(jù)連接起來(lái)，測(cè)量距離遠(yuǎn)，從VZ1000到1000米以上，高速公路的擴(kuò)建項(xiàng)目中，通常需要從車道兩側(cè)200-300米范圍的數(shù)據(jù)需要遠(yuǎn)程移動(dòng)激光測(cè)量，進(jìn)行交叉掃描，解決數(shù)據(jù)壟斷問(wèn)題，進(jìn)行水平掃描，直接復(fù)蓋路面，3.2，車載和機(jī)載移動(dòng)一體化集成系統(tǒng)，3.2，車載和機(jī)載移動(dòng)一體化集成系統(tǒng)，多旋轉(zhuǎn)無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，多旋轉(zhuǎn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)主機(jī)但是，旋翼的功能負(fù)荷有限，一般不超過(guò)10公里，現(xiàn)有飛機(jī)設(shè)備價(jià)格高，設(shè)備重，飛行手續(xù)麻煩，飛行成本高，風(fēng)險(xiǎn)大。 因此，研制出一種多轉(zhuǎn)子無(wú)人機(jī)可裝載的激光雷達(dá)，用于快速捕獲小范

15、圍地形，具有相當(dāng)廣闊的市場(chǎng)前景。 Ibeo是我們最新集成的小型激光雷達(dá)，配備超小型激光掃描儀、GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件。 整體設(shè)計(jì)約6.5公里，小型輕量，適合安裝在多旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)上。 基于多旋翼無(wú)人機(jī)的激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，基于無(wú)人直升機(jī)的激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)VZ1000，基于無(wú)人直升機(jī)的激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)VZ1000，VUX-1的機(jī)載車載一體化、一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)車載、機(jī)載、VUX-1的車載一體化車載狀態(tài)VUX-1的機(jī)載車載一體化搭載狀態(tài)VUX-1的機(jī)載車載一體化搭載狀態(tài)，系統(tǒng)減量設(shè)計(jì)，VUX-1的機(jī)載車載一體化，VUX-1的制造商飛行照片，VUX-1的制造商點(diǎn)群數(shù)據(jù)，

16、MDL機(jī)載車載一體化產(chǎn)品，3.3水上水中測(cè)定一體化產(chǎn)品， 3.3水上水下一體化移動(dòng)船載測(cè)量(海外)，3.4地上地下一體化移動(dòng)測(cè)量照片與雷達(dá)圖像的融合，3.4地上地下一體化移動(dòng)測(cè)量，地上地下三維顯示，3.4地上地下一體化移動(dòng)測(cè)量，3.5室內(nèi)室外移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)，目前主流的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)， 由于使用GPS-IMU的組合導(dǎo)航方法，因此在GPS未被短時(shí)間鎖定的情況下只能以高精度的IMU進(jìn)行定位，但由于在長(zhǎng)時(shí)間沒有GPS信號(hào)的室內(nèi)定位中無(wú)法進(jìn)行，因此這種移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只能用于室外測(cè)量。 室內(nèi)外一體化測(cè)量目前沒有國(guó)際成熟的解決方案，而單純的室內(nèi)定位則是在機(jī)器人學(xué)研究過(guò)程中具有相當(dāng)成熟的理論和技術(shù)的slam (simultaneouslocalizationandmapping )。 因此，將SLAM技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)目