里程計在車載移動測量系統中的影響

邵帥,邵為真,劉春曉,井文勝

(山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590)

里程計在車載移動測量系統中的影響

邵帥,邵為真,劉春曉,井文勝

(山東科技大學 測繪科學與工程學院,青島 266590)

在車載移動測量掃描系統采集數據過程中,車輛的不斷前行以及傳感器間的集成誤差會導致傳感器之間的同步誤差累積,采集的數據的可靠性會受到影響。本文提出引進里程計的方法,在一定程度上可以減弱累積的同步誤差的影響。

車載移動測量;傳感器;同步誤差;里程計

0 引 言

車載移動測量,亦稱車載LiDAR,是以汽車作為搭載平臺,集成定位定姿系統(POS)、三維激光掃描儀以及CCD相機等多種傳感器技術為一體的移動測圖系統。其中,POS 系統是通過全球導航衛星系統(GNSS)獲取位置數據作為初始值,再通過慣導系統(IMU)獲取姿態變化增量,應用卡爾曼濾波器、反饋誤差來控制迭代運算,生成實時導航數據來獲取姿態信息的導航定位定向系統;三維激光掃描儀可以獲取實際目標的空間坐標信息以及顏色信息;CCD相機可以得到實際地物的影像數據。車載LiDAR能快速、高精度獲取道路、建筑物等城市地物的空間信息[1-6],然而,相對于其硬件的快速發展,針對車載LiDAR點云數據的處理還處于初始階段,其中關于各個傳感器間的集成所造成的同步誤差的影響還沒有得到明確的消除。

對于車載移動測量系統的誤差,在很早以前就有很多學者進行相關方面的研究。尤紅建、李樹措等人指出車載移動測量系統的誤差主要包括系統誤差和偶然誤差,其中系統誤差的主要來源有GPS定位誤差、測距誤差、姿態誤差和掃描角度誤差等,而且他們針對三維信息獲取中機載激光雷達系統直接對地定位誤差和精度問題進行了細致的研宄,并給出了定量化的分析結果[7-8]。另外,由于里程計在車載移動測量系統的組合導航方面中的應用,并可以在一定程度上能夠減弱GPS信號失鎖造成的數據缺失的影響,如提高了點云與影響的匹配率,為下一步的提取成果提供幫助。因此,本文提出了調整里程計的方法,希望能夠進一步提高點云與影像的匹配率以及獲取角點坐標的準確性。

1 車載測量系統誤差

因為POS系統是車載移動測量系統的核心部件,目前也是影響車載移動測量系統的最主要誤差源之一,因此,分析POS誤差來源有利于提高系統整體精度,為下一步檢校以及提高精度打下堅固的基礎。POS定姿定位誤差主要包括GPS動態定位誤差、INS姿態測量誤差和DMI距離測量誤差三部分。其中,GPS動態定位誤差包括接收機鐘誤差、多路徑效應、衛星鐘鐘差、星歷誤差、整周模糊度求解誤差、大氣電離層誤差和觀測噪聲等多方面內容,因此,關于如何減弱GPS在車載移動測量系統中的影響是一個研究熱點,亦是難點。

另外,也因為車載移動測量系統是由多個傳感器(主要是GPS、INS)以及多個不同的測量設備集成的一體化掃描測圖系統,所以該系統的集成誤差也是一個極其重要的誤差來源,在很大程度上影響到了系統的掃描精度,對測量結果造成了很大的影響。集成誤差主要包括了傳感器安置誤差、時間同步誤差、坐標系轉換誤差等。以下為幾種集成誤差:

1) 安置誤差:每個傳感器都有自己的坐標系統,然而由于各種原因,安置傳感器時,無法保證按照設計的姿態位置進行安置,與設計坐標比較會出現三軸方向上的較小旋轉角度和三個偏心分量(Lever Arms),掃描儀等傳感器在航向角、側滾角、俯仰角等掃描角度范圍上進行作業都會存在誤差。這種安置誤差會使得最后數據整體出現系統性偏差,因此對安置參數的檢校也是系統運行前必不可少的步驟。如圖1(a),圖1(b)分別為有無安置誤差所采集到的點云數據。

圖1 采集到的道路一側的點云數據(a)無安置誤差所采集的點云數據;(b)有安置誤差時采集到的點云數據

2) 時間同步誤差與時延誤差:由于不同傳感器差異,使得數據不能夠完全時間匹配。同時每個傳感器的采樣頻率不一致需要進行時延改正,需要將它們的時間系統統一到標準UTC系統。由于數據的采樣率不同,將采樣率低的數據信息內插高采樣率數據信息中,內插也會導致誤差。對于移動測量來說,由于同步誤差,會導致兩傳感器數據采集時刻之間產生位移;而且同步誤差越大,使得測量精度越低;車輛速度越快,也會導致測量精度越低。

因此,為了獲取更高的定位精度,可以通過調整設計里程計,如利用霍爾開關等電路開關的原理、特點將磁體固定在輪轂上作為轉子,霍爾開關固定在車體上作為靜子。當里程表轉子的某一個齒轉動到傳感器探頭對應的位置時,探頭中的敏感器件受到里程表轉子磁場作用輸出一個低電平,當里程表轉子的齒沒有與傳感器探頭對準,探頭中的敏感器件沒有受到磁場作用而輸出高電平,這樣變速器輸出軸每轉動一周,里程表傳感器就有方波脈沖信號輸出,經連接線束傳給車速里程表,由傳感器傳來的磁電脈沖信號,經儀表內部的微機處理后,可在顯示屏上顯示車速,以此幫助選擇進行數據采集的時刻。因此,在汽車向前移動時,汽車車輪每向前走過一周,設計的車載里程計就會給車頂的GPS設備發送一個脈沖時刻并記錄,然后就可以利用記錄下來的的時刻,根據車載測量系統的工作原理來分析、判斷汽車的行駛狀態,如是否勻速行駛,以及記錄車輛的里程信息,包括汽車的行駛里程以及轉速等。因此,在GPS失鎖情況下,一定程度上設計的車載里程計可以彌補信號缺失所造成的姿態以及位置誤差的影響。如圖2所示。

圖2 車載測量系統組成及工作原理簡單示意圖

而且,里程計獲取的車輛的狀態信息可以幫助判斷車輛的行程以及里程計減弱信號缺失所造成的誤差的條件、改正方法等。例如,可以根據里程計來判定車輛行駛過程中的狀態,如滑行、蠕滑以及行駛狀態等,以此計算相應類型的誤差并選擇合適的方法來減弱影響。

不過,需要指出的是:由于GPS信號在密集的城市建筑群中以及室內建筑中會有所減弱甚至失鎖,添加里程計進入該移動測量系統可以降低信號缺失所造成的影響以及對測量系統獲取姿態信息提供幫助。但是,這種方法并不能從根本上消除GPS信號失鎖造成的數據缺失的影響,特別是在地形極其復雜的密集城市建筑群的場景中,而且隨著掃描范圍的增加,里程計也會磨損,導致掃描精度隨之降低。

2 實例分析

本文采用的是某單位的車載移動測量系統采集的點云與影像數據以及相應的數據成果。由于GPS誤差的存在,使得采集到的道路一個側面的地物信息出現部分缺失或者局部地物錯位等情況。因此,在移動測量系統中添加里程計來彌補GPS信號缺失的誤差。如圖3(a)，圖3(b)，圖3(c)所示,對GPS信號的影響以及里程計做出了說明。

圖3影像與點云匹配(a) GPS正常狀態下; (b) GPS失鎖時未加載里程計; (c) GPS失鎖時加載里程計

從圖3(a)中可以看出,圖中路燈的點云與影像完美匹配,偏差不超過3 mm;從圖3(b)中可以看出,路燈因GPS信號失鎖導致點云與影像的匹配出現較大的偏差,偏差不低于15 mm;而圖3(c)中,里程計確實可以在GPS信號失鎖的情況下,使得路燈的點云與影像的匹配偏差較小,偏差不超過8 mm.由此可知,里程計可以彌補移動測量系統以及提高了整個測量系統獲取的姿態信息的可靠性。

3 結束語

本文中詳細敘述了車載移動測量掃描系統中的POS誤差的各種類型,更多的是關于GPS誤差對車載移動測量掃描系統的影響。另外,也對GPS誤差的改正方法進行了一定意義上的探討,本文提出的移動測量系統上安裝里程計的方法,可以很大程度上彌補GPS信號缺失所造成的點云與影像的偏差等影響,并用實驗數據對里程計的可行性進行了驗證。但是,該方法不能完全解決GPS信號失鎖帶來的點云數據缺失的結果。因此,下一步的研究工作是對該方法進行進一步的改進以及里程計材質的改善,如設計好行駛路線以及依據控制點行駛等,從而提高數據的精度和可靠性。

[1] 魏征,董震,李清泉，等.車載LiDAR 點云中建筑物立面位置邊界的自動提取[J].武漢大學學報(信息科學版),2012,37(11):1311-1315.

[2] 倪歡,張繼賢,段敏艷,等.面向對象的車載激光掃描點云建筑物立面提取[J].測繪科學,2014,39(4): 92-97.

[3] 吳賓,余柏蒗,岳文輝,等.一種基于車載激光掃描點云數據的單株行道樹信息提取方法[J].華東師范大學學報(自然科學版),2013(2):38-49.

[4] 馮義從,岑敏儀,楊曉蕓,等.基于3D格網與哈希表的車載LiDAR點云八叉樹索引[J]. 測繪科學,2014 (6):104-108.

[5] 韋江霞.面向快速建模的車載激光點云的城市典型地物分類方法研究[D].北京:首都師范大學, 2014.

[6] 黃磊,盧秀山,梁勇.基于激光掃描回光強度的建筑物立面信息提取與分類[J].武漢大學學報(信息科學版),2009,34(2):195.

[7] 江月松,尤紅建,李樹措.機載激光掃描測距儀的誤差分析[J].遙感技術與應用,1998,13(2):1-8.

[8] 蔡海永.基于里程計的車載LiDAR組合導航研究[D].北京：首都師范大學, 2013.

Application of Mileage in Mobile Measurement System

SHAO Shuai,SHAO Weizhen,LIU Chunxiao,JING Wensheng

(CollegeofGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

In the process of data acquisition of vehicle-borne mobile scanning measurement system,vehicles continue to move forward and inter sensor integrated error will lead to cumulative synchronization error between the sensors and the reliability of the data collection will be affected. In this paper, we propose a method of introducing the mileage meter, which can reduce the influence of the accumulated synchronization error to a certain extent.

Vehicle-borne mobile mapping; sensor; synchronization error; the mileage meter

2016-06-30

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.021

P228.4

1008-9268(2016)06-0107-04

邵帥(1992-),男,碩士生,主要從事現代測量數據處理及其應用方面的研究。

邵為真(1989-),女,碩士生,研究方向為工程測量與工業測量。

劉春曉(1991-),男,碩士生,研究方向為工程測量與工業測量。

聯系人：邵帥 E-mail: 1208898702@qq.com