里程計(jì)在車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的影響

邵帥,邵為真,劉春曉,井文勝

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590)

里程計(jì)在車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的影響

邵帥,邵為真,劉春曉,井文勝

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590)

在車載移動(dòng)測(cè)量掃描系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)過程中,車輛的不斷前行以及傳感器間的集成誤差會(huì)導(dǎo)致傳感器之間的同步誤差累積,采集的數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)受到影響。本文提出引進(jìn)里程計(jì)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(dòng)測(cè)量;傳感器;同步誤差;里程計(jì)

0 引 言

車載移動(dòng)測(cè)量,亦稱車載LiDAR,是以汽車作為搭載平臺(tái),集成定位定姿系統(tǒng)(POS)、三維激光掃描儀以及CCD相機(jī)等多種傳感器技術(shù)為一體的移動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)。其中,POS 系統(tǒng)是通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)獲取位置數(shù)據(jù)作為初始值,再通過慣導(dǎo)系統(tǒng)(IMU)獲取姿態(tài)變化增量,應(yīng)用卡爾曼濾波器、反饋誤差來控制迭代運(yùn)算,生成實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)來獲取姿態(tài)信息的導(dǎo)航定位定向系統(tǒng);三維激光掃描儀可以獲取實(shí)際目標(biāo)的空間坐標(biāo)信息以及顏色信息;CCD相機(jī)可以得到實(shí)際地物的影像數(shù)據(jù)。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(duì)于其硬件的快速發(fā)展,針對(duì)車載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理還處于初始階段,其中關(guān)于各個(gè)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(duì)于車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的誤差,在很早以前就有很多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)方面的研究。尤紅建、李樹措等人指出車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的誤差主要包括系統(tǒng)誤差和偶然誤差,其中系統(tǒng)誤差的主要來源有GPS定位誤差、測(cè)距誤差、姿態(tài)誤差和掃描角度誤差等,而且他們針對(duì)三維信息獲取中機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)直接對(duì)地定位誤差和精度問題進(jìn)行了細(xì)致的研宄,并給出了定量化的分析結(jié)果[7-8]。另外,由于里程計(jì)在車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的組合導(dǎo)航方面中的應(yīng)用,并可以在一定程度上能夠減弱GPS信號(hào)失鎖造成的數(shù)據(jù)缺失的影響,如提高了點(diǎn)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(diào)整里程計(jì)的方法,希望能夠進(jìn)一步提高點(diǎn)云與影像的匹配率以及獲取角點(diǎn)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。

1 車載測(cè)量系統(tǒng)誤差

因?yàn)镻OS系統(tǒng)是車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的核心部件,目前也是影響車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)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(tǒng)整體精度,為下一步檢校以及提高精度打下堅(jiān)固的基礎(chǔ)。POS定姿定位誤差主要包括GPS動(dòng)態(tài)定位誤差、INS姿態(tài)測(cè)量誤差和DMI距離測(cè)量誤差三部分。其中,GPS動(dòng)態(tài)定位誤差包括接收機(jī)鐘誤差、多路徑效應(yīng)、衛(wèi)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(cè)噪聲等多方面內(nèi)容,因此,關(guān)于如何減弱GPS在車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的影響是一個(gè)研究熱點(diǎn),亦是難點(diǎn)。

另外,也因?yàn)檐囕d移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是由多個(gè)傳感器(主要是GPS、INS)以及多個(gè)不同的測(cè)量設(shè)備集成的一體化掃描測(cè)圖系統(tǒng),所以該系統(tǒng)的集成誤差也是一個(gè)極其重要的誤差來源,在很大程度上影響到了系統(tǒng)的掃描精度,對(duì)測(cè)量結(jié)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(shí)間同步誤差、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差等。以下為幾種集成誤差:

1) 安置誤差:每個(gè)傳感器都有自己的坐標(biāo)系統(tǒng),然而由于各種原因,安置傳感器時(shí),無法保證按照設(shè)計(jì)的姿態(tài)位置進(jìn)行安置,與設(shè)計(jì)坐標(biāo)比較會(huì)出現(xiàn)三軸方向上的較小旋轉(zhuǎn)角度和三個(gè)偏心分量(Lever Arms),掃描儀等傳感器在航向角、側(cè)滾角、俯仰角等掃描角度范圍上進(jìn)行作業(yè)都會(huì)存在誤差。這種安置誤差會(huì)使得最后數(shù)據(jù)整體出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差,因此對(duì)安置參數(shù)的檢校也是系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 采集到的道路一側(cè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(a)無安置誤差所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù);(b)有安置誤差時(shí)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2) 時(shí)間同步誤差與時(shí)延誤差:由于不同傳感器差異,使得數(shù)據(jù)不能夠完全時(shí)間匹配。同時(shí)每個(gè)傳感器的采樣頻率不一致需要進(jìn)行時(shí)延改正,需要將它們的時(shí)間系統(tǒng)統(tǒng)一到標(biāo)準(zhǔn)UTC系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)的采樣率不同,將采樣率低的數(shù)據(jù)信息內(nèi)插高采樣率數(shù)據(jù)信息中,內(nèi)插也會(huì)導(dǎo)致誤差。對(duì)于移動(dòng)測(cè)量來說,由于同步誤差,會(huì)導(dǎo)致兩傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)刻之間產(chǎn)生位移;而且同步誤差越大,使得測(cè)量精度越低;車輛速度越快,也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度越低。

因此,為了獲取更高的定位精度,可以通過調(diào)整設(shè)計(jì)里程計(jì),如利用霍爾開關(guān)等電路開關(guān)的原理、特點(diǎn)將磁體固定在輪轂上作為轉(zhuǎn)子,霍爾開關(guān)固定在車體上作為靜子。當(dāng)里程表轉(zhuǎn)子的某一個(gè)齒轉(zhuǎn)動(dòng)到傳感器探頭對(duì)應(yīng)的位置時(shí),探頭中的敏感器件受到里程表轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用輸出一個(gè)低電平,當(dāng)里程表轉(zhuǎn)子的齒沒有與傳感器探頭對(duì)準(zhǔn),探頭中的敏感器件沒有受到磁場(chǎng)作用而輸出高電平,這樣變速器輸出軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,里程表傳感器就有方波脈沖信號(hào)輸出,經(jīng)連接線束傳給車速里程表,由傳感器傳來的磁電脈沖信號(hào),經(jīng)儀表內(nèi)部的微機(jī)處理后,可在顯示屏上顯示車速,以此幫助選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)刻。因此,在汽車向前移動(dòng)時(shí),汽車車輪每向前走過一周,設(shè)計(jì)的車載里程計(jì)就會(huì)給車頂?shù)腉PS設(shè)備發(fā)送一個(gè)脈沖時(shí)刻并記錄,然后就可以利用記錄下來的的時(shí)刻,根據(jù)車載測(cè)量系統(tǒng)的工作原理來分析、判斷汽車的行駛狀態(tài),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(zhuǎn)速等。因此,在GPS失鎖情況下,一定程度上設(shè)計(jì)的車載里程計(jì)可以彌補(bǔ)信號(hào)缺失所造成的姿態(tài)以及位置誤差的影響。如圖2所示。

圖2 車載測(cè)量系統(tǒng)組成及工作原理簡(jiǎn)單示意圖

而且,里程計(jì)獲取的車輛的狀態(tài)信息可以幫助判斷車輛的行程以及里程計(jì)減弱信號(hào)缺失所造成的誤差的條件、改正方法等。例如,可以根據(jù)里程計(jì)來判定車輛行駛過程中的狀態(tài),如滑行、蠕滑以及行駛狀態(tài)等,以此計(jì)算相應(yīng)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(hào)在密集的城市建筑群中以及室內(nèi)建筑中會(huì)有所減弱甚至失鎖,添加里程計(jì)進(jìn)入該移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以降低信號(hào)缺失所造成的影響以及對(duì)測(cè)量系統(tǒng)獲取姿態(tài)信息提供幫助。但是,這種方法并不能從根本上消除GPS信號(hào)失鎖造成的數(shù)據(jù)缺失的影響,特別是在地形極其復(fù)雜的密集城市建筑群的場(chǎng)景中,而且隨著掃描范圍的增加,里程計(jì)也會(huì)磨損,導(dǎo)致掃描精度隨之降低。

2 實(shí)例分析

本文采用的是某單位的車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采集的點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)成果。由于GPS誤差的存在,使得采集到的道路一個(gè)側(cè)面的地物信息出現(xiàn)部分缺失或者局部地物錯(cuò)位等情況。因此,在移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中添加里程計(jì)來彌補(bǔ)GPS信號(hào)缺失的誤差。如圖3(a)，圖3(b)，圖3(c)所示,對(duì)GPS信號(hào)的影響以及里程計(jì)做出了說明。

圖3影像與點(diǎn)云匹配(a) GPS正常狀態(tài)下; (b) GPS失鎖時(shí)未加載里程計(jì); (c) GPS失鎖時(shí)加載里程計(jì)

從圖3(a)中可以看出,圖中路燈的點(diǎn)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(hào)失鎖導(dǎo)致點(diǎn)云與影像的匹配出現(xiàn)較大的偏差,偏差不低于15 mm;而圖3(c)中,里程計(jì)確實(shí)可以在GPS信號(hào)失鎖的情況下,使得路燈的點(diǎn)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(jì)可以彌補(bǔ)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及提高了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)獲取的姿態(tài)信息的可靠性。

3 結(jié)束語

本文中詳細(xì)敘述了車載移動(dòng)測(cè)量掃描系統(tǒng)中的POS誤差的各種類型,更多的是關(guān)于GPS誤差對(duì)車載移動(dòng)測(cè)量掃描系統(tǒng)的影響。另外,也對(duì)GPS誤差的改正方法進(jìn)行了一定意義上的探討,本文提出的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)上安裝里程計(jì)的方法,可以很大程度上彌補(bǔ)GPS信號(hào)缺失所造成的點(diǎn)云與影像的偏差等影響,并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)里程計(jì)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。但是,該方法不能完全解決GPS信號(hào)失鎖帶來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失的結(jié)果。因此,下一步的研究工作是對(duì)該方法進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)以及里程計(jì)材質(zhì)的改善,如設(shè)計(jì)好行駛路線以及依據(jù)控制點(diǎn)行駛等,從而提高數(shù)據(jù)的精度和可靠性。

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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(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)處理及其應(yīng)用方面的研究。

邵為真(1989-),女,碩士生,研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量與工業(yè)測(cè)量。

劉春曉(1991-),男,碩士生,研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量與工業(yè)測(cè)量。

聯(lián)系人：邵帥 E-mail: 1208898702@qq.com