[发明专利]一种平台倾角和高度实时测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种平台倾角和高度实时测量系统及方法，利用一台激光扫描仪，结合90°折转光路反射镜，可实时测量动态平台的高度和倾角。相对于传统姿态测量方法，测量结果不受运动平台自身加速度的影响，没有漂移，测量精度高。

技术领域

本发明涉及光电测控技术领域，特别是一种利用折转光路激光扫描原理进行动态平台倾角和高度测量的方法。

背景技术

动态平台在实际工作过程中，由于运动、机械振动、平台(或安装支架)形变等原因，其姿态和高度都会发生变化，平台上安装的传感器的姿态和高度也会随之变化，这种变化在许多高精度测量系统中都是必须实时测量并补偿的。比如，单目视觉定位系统就需要实时测量相机相对地面的拍摄姿态和高度，这是保证定位精度的关键技术之一。目前动态平台姿态的高精度实时测量主要使用基于陀螺和加速度计的惯性测量系统，并常与GPS(Global Position System，全球定位系统)组合以保证长时间的测量精度，但这类系统工作前的准备时间较长，价格昂贵，不适于在一些实时测量系统中应用。除此之外，传统低成本的姿态传感器同样通过测量重力加速度在其敏感轴上的分量，解算出传感器相对于水平面的姿态角，因此它得出的姿态数据全部是以重力场的方向作为参考系。而在很多情况下，我们需要的是平台相对于一个特定平面的姿态，比如在单目视觉定位系统应用中，得到相机相对于地面(可能是倾斜地面)的倾角至关重要，此时传统的姿态传感器均无法使用。另外，现有的倾角传感器主要用于相对平稳条件下载体的姿态测量，仅在载体姿态角变化速度较小时精度较高，动态条件下载体平台的姿态角的快速变化将导致测量精度显著下降。

鉴于以上分析，发明专利《一种动态平台姿态和高度测量方法》中(公开号：CN103090863A)，提出了一种基于正交激光扫描的方式实现该功能的方法和系统。有别于传统方法，该方法能够以指定的任意平面(不一定是水平的地面)作为参考基准来实现动态平台姿态和高度测量。但是，由于该方法需要同时使用两台二维激光扫描仪，不但导致系统体积庞大、成本昂贵，而且扫描仪每次获得扫描线在路面上的分布并不均匀，这使得系统在测量高动态平台倾角时难免出现较大的误差。为此，有必要采用一种体积小巧便携、成本低廉、实时性更好、精度更高的平台倾角和高度测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种体积小巧便携、成本低廉、实时性更好、精度更高的平台倾角和高度实时测量系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种平台倾角和高度实时测量系统，包括：

一台激光扫描仪；

一个中空正三角形的90°折转光路反射镜；所述90°折转光路反射镜由三个正截面为直角等腰三角形的三棱柱组合而成，其截面的斜边位于内侧，且斜边表面镀有配合激光扫描仪工作光波长的高反射材料；其中一个直角等腰三角形的直角边垂直于三角形所在平面；

所述激光扫描仪的旋转中心位于90°折转光路反射镜中心位置，且激光扫描仪的激光扫描平面平行于三角形所在平面。

所述激光扫描仪为单线式或多线式；当所述激光扫描仪为多线式时，每个扫描线发出的光线均能被90°折转光路反射镜内侧的斜面所反射。

相应的，本发明还提供了一种利用上述系统测量平台倾角和高度的方法，其包括以下步骤：

1)设单线式激光扫描仪在一次扫描中获得的n个点的点云数据集合为M，M＝{m₁,m₂,…m_n},n≥3；该点云数据集合的坐标值以激光扫描仪自身默认的坐标参考系为参考标准；

2)利用点云数据集合M，使用RANSAC算法估计T时刻参考平面的表达式方程为：Ax+By+Cz+D＝0；其中：系数A,B,C,D的值由RANSAC算法直接估计得到；

3)T时刻平台姿态角由如下公式计算出：