[发明专利]惯性及激光扫描仪联合在线标定方法

说明书

本发明提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，该方法包括：制作并获取标准轨道模型的标准廓形；将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于两自由度摇摆台的台面上；对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息；基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调；标定粗调完成后，对惯性及激光扫描仪进行标定精调以完成对航向安装角及俯仰安装角的标定。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中多个激光器的坐标系不统一所导致的难以对惯导和激光器之间的安装关系进行标定的技术问题。

技术领域

本发明涉及惯性轨道检测技术领域，尤其涉及一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法。

背景技术

非接触式轨道检测系统利用激光扫描仪对轨道廓形进行测量，从点云图像中提取轨道廓形，并计算廓形中包含的轨顶、扣件、磨耗等轨道质量参数。但激光图像本身不包含位姿信息，多个激光器的坐标系也不统一，因此难以实现对惯导和激光器之间的安装关系的标定。

发明内容

本发明提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，能够解决现有技术中多个激光器的坐标系不统一所导致的难以对惯导和激光器之间的安装关系进行标定的技术问题。

本发明提供了一种惯性及激光扫描仪联合在线标定方法，惯性及激光扫描仪联合在线标定方法包括：制作标准轨道模型，获取标准轨道模型的标准廓形；将两自由度摇摆台调整至水平状态，将轨检梁放置于两自由度摇摆台的台面上；对惯性导航系统进行初始对准，初始对准完成后，同步采集激光器廓形信息和惯导姿态信息；基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调；标定粗调完成后，在激光测量点云上选取轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据；分别对轨腰处R20圆区域数据和轨顶部1：20直线区域数据进行拟合；以拟合后的轨顶部1：20直线与标准廓形直线间的夹角为旋转角，轨腰处R20圆区域的圆心与标准廓形R20圆心之间的距离矢量为平移量，基于旋转角和平移量计算获取精调变换矩阵；根据标定粗调结果以及精调变换矩阵完成对横滚安装角的标定；将两自由度摇摆台沿轨检梁的X轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨顶部1：20直线段数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的航向角变化值即为激光扫描器的航向偏角，基于激光扫描器的航向偏角完成航向安装角的标定；将两自由度摇摆台沿轨检梁的Z轴转动，持续计算精调变换矩阵，基于精调变化矩阵记录轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离，当轨腰处R20圆区域数据点云与标准廓形点云之间的Hausdorff距离达到最小时，此时的俯仰角变化值即为激光扫描器的俯仰偏角，基于激光扫描器的俯仰偏角完成俯仰安装角的标定。

进一步地，基于迭代最近邻算法将各个激光扫描仪输出廓形调整至与标准廓形接近重合以完成惯性及激光扫描仪的标定粗调具体包括：采用迭代最近邻算法，分别将各个激光扫描器的测量点云与标准廓形点云相匹配；根据相匹配的激光扫描器的测量点云以及标准廓形点云计算获取粗调变换矩阵；调整粗调变换矩阵以使粗调误差函数取得极小值，记录各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角，根据各个激光扫描器点云的旋转角度和惯性导航系统的横滚角计算获取标定粗调结果。

进一步地，粗调变换矩阵T_coarse可根据来获取，粗调误差函数J(T)可根据来获取，其中，R为旋转矩阵，t为平移向量，r_ij为旋转矩阵R中的各项元素，i＝1,2,3，j＝1,2,3；x、y、z为平移向量t中的各项元素，p_i∈P，p_i为标准廓形点云P中的点集，q_i∈Q，q_i为激光测量点云Q中与点集p_i相对应的点集。