移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

汪志飛，姚連璧，周 冰

(同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海200092)

一、引 言

完整的道路信息有非常廣泛的應(yīng)用前景，如制作車道級(jí)道路底圖，將普通的導(dǎo)航轉(zhuǎn)變成車道級(jí)導(dǎo)航，提前告知司機(jī)道路的詳細(xì)信息，提高行車安全性。另外，還可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)道路信息進(jìn)行處理分析，找出路面是否出現(xiàn)破損等情況。但是道路信息數(shù)據(jù)量龐大，利用傳統(tǒng)的測(cè)繪手段進(jìn)行信息提取費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為解決此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(mobile mapping system，MMS)是將數(shù)字照相機(jī)、激光掃描儀、GNSS接收機(jī)與慣性測(cè)量單元組成的姿態(tài)測(cè)量單元等多個(gè)傳感器集成在一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，在基于時(shí)間同步與確定不同傳感器之間的相對(duì)位置關(guān)系的條件下，自動(dòng)給移動(dòng)平臺(tái)提供連續(xù)的定位信息，同時(shí)獲取三維地理空間數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)［1］。它是一種高效數(shù)據(jù)采集的工具。

目前，移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研究已有一定成果。1990年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)制圖中心成功設(shè)計(jì)了第一臺(tái)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)GPSVan［2］。1994年，加拿大卡爾加里大學(xué)成功地研制了VISAT移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，各個(gè)國(guó)家也都研制出各自的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。如日本拓普康公司研制的IP-S2，美國(guó)JECA公司研制的TruckMap系統(tǒng)，德國(guó)研制的KISS車載系統(tǒng)和MoSES系統(tǒng)等。

對(duì)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)的研究也有一定成果。周星伶對(duì)松組合與緊組合模式的精度進(jìn)行了比較，明確了緊組合模式的優(yōu)勢(shì)［3］。為了進(jìn)一步提高POS系統(tǒng)的定位精度，高為廣等人對(duì)緊組合算法作了進(jìn)一步的優(yōu)化與改善，加入卡爾曼濾波與模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波等算法，增強(qiáng)了POS系統(tǒng)位置與姿態(tài)的精度與可靠性［4-5］。文獻(xiàn)［6—7］中提到使用檢校場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比由GPS/IMU解算的外方位姿態(tài)角元素與光束法平差計(jì)算出的外方位角元素來(lái)確定儀器間的偏心角;文獻(xiàn)［8］中提出使用全站儀直接測(cè)量結(jié)合影像數(shù)據(jù)的方法確定傳感器之間的位置關(guān)系;文獻(xiàn)［9］中基于微小轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，通過(guò)人工判別的方式找到激光點(diǎn)云點(diǎn)與已知控制點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而確定傳感器之間的相對(duì)位置關(guān)系。

二、傳感器集成方案及實(shí)現(xiàn)

以現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ)，本文中選用3臺(tái)激光斷面掃描儀、1臺(tái)雙天線GNSS接收機(jī)、1臺(tái)IMU、1臺(tái)360°全景相機(jī)、2個(gè)里程計(jì)與1臺(tái)GPS同步時(shí)鐘組建一套車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的目的是采集道路數(shù)據(jù)，針對(duì)這一目標(biāo)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

一臺(tái)掃描儀安裝在車尾部分，專門(mén)提取路面信息，另外兩臺(tái)安裝在傳感器平臺(tái)的兩側(cè)，一方面用于兩側(cè)地物的提取，另一方面用于車尾掃描儀的補(bǔ)充。GNSS天線分別安裝在傳感器平臺(tái)前端和車尾，IMU安裝在汽車內(nèi)部后排座椅中間平臺(tái)上，里程計(jì)分別安裝在汽車兩個(gè)后輪上。為了不遮擋360°全景相機(jī)的視野，選擇將相機(jī)安裝在汽車頂部。

系統(tǒng)中各個(gè)傳感器連線圖如圖2所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，所有傳感器采集的數(shù)據(jù)都以文本文件保存在計(jì)算機(jī)中。GPS時(shí)鐘用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器之間的時(shí)間同步，全景相機(jī)用于實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)周圍的影像信息。GNSS、IMU與里程計(jì)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的定位與定姿，在有衛(wèi)星信號(hào)下，GNSS可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位;在無(wú)衛(wèi)星信號(hào)下，利用IMU和里程計(jì)推算位置。IMU實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)的姿態(tài)信息，里程計(jì)實(shí)時(shí)記錄汽車后輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

圖1 移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖2 傳感器連線圖

三、關(guān)鍵技術(shù)解決方案

移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的本質(zhì)是多傳感器數(shù)據(jù)融合，因此系統(tǒng)搭建完成后并不意味著能立即投入使用，主要有兩方面原因:一方面，各個(gè)傳感器并不是同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，則GNSS和IMU不能實(shí)時(shí)確定系統(tǒng)的位置和姿態(tài)信息;另一方面，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集參照的坐標(biāo)系是不一樣的，需要將傳感器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到實(shí)際使用的坐標(biāo)系中。在衛(wèi)星信號(hào)良好的情況下，GNSS系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)定位，但在衛(wèi)星信號(hào)很差甚至沒(méi)有的時(shí)候，如汽車進(jìn)入隧道，GNSS系統(tǒng)就不能進(jìn)行準(zhǔn)確定位，如何在沒(méi)有衛(wèi)星失鎖的情況下進(jìn)行定位也是本系統(tǒng)需要研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1．時(shí)間同步

本文中的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，GNSS接收機(jī)和IMU接收的數(shù)據(jù)使用GPS時(shí)，而激光掃描儀、全景相機(jī)與里程計(jì)采集到的數(shù)據(jù)并沒(méi)有時(shí)間標(biāo)記，故需要通過(guò)一定方式為其采集到的數(shù)據(jù)加上時(shí)間標(biāo)記并統(tǒng)一為GPS時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。本文中使用的方法是使用一臺(tái)NTP協(xié)議的GPS時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行授時(shí)。時(shí)間同步的示意圖如圖3所示。

圖3 時(shí)間同步

激光掃描儀支持NTP協(xié)議，將其通過(guò)路由器與GPS時(shí)鐘連接后，可以接收GPS時(shí)間信息，并將時(shí)間標(biāo)記自動(dòng)加在數(shù)據(jù)尾部。全景相機(jī)和里程計(jì)連接筆記本電腦，通過(guò)數(shù)據(jù)接收程序給數(shù)據(jù)加上時(shí)間標(biāo)記，該時(shí)間為筆記本電腦的系統(tǒng)時(shí)間。筆記本電腦的系統(tǒng)時(shí)間同樣是通過(guò)GPS時(shí)鐘授時(shí)得到。如此，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)便統(tǒng)一到同一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)下。

2．空間同步

在實(shí)際使用中，所有的傳感器數(shù)據(jù)都需要統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系(一般為地方坐標(biāo)系)中。系統(tǒng)中，3臺(tái)激光掃描儀需要進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一，即空間同步。

掃描儀采集的數(shù)據(jù)是基于掃描面極坐標(biāo)系中角度與距離信息，通過(guò)定義掃描儀坐標(biāo)系將角度與距離信息解碼為坐標(biāo)信息。掃描儀空間同步工作就是確定掃描儀坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系下。由于掃描儀是在行駛中的汽車上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，因此掃描儀坐標(biāo)系相對(duì)于地方坐標(biāo)系是不斷變化的，直接求取兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)不是很方便。本系統(tǒng)定義了車載坐標(biāo)系，借助于車載坐標(biāo)系來(lái)完成兩坐標(biāo)系之間的參數(shù)求解，具體過(guò)程如圖4所示。

圖4 空間同步過(guò)程

掃描儀坐標(biāo)系與車載坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)可以通過(guò)掃描儀外參數(shù)的標(biāo)定來(lái)確定，本系統(tǒng)3臺(tái)掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到車載坐標(biāo)系參數(shù)見(jiàn)表1，其中，ΔX、ΔY、ΔZ為3個(gè)平移參數(shù);α、β、γ為3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù):分別表示繞X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正;尺度參數(shù)取1。車載坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系的平移參數(shù)由GNSS系統(tǒng)提供，旋轉(zhuǎn)參數(shù)由IMU提供。

表1 3臺(tái)掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到車載坐標(biāo)系的參數(shù)

3臺(tái)掃描儀坐標(biāo)系與車載坐標(biāo)系定義如圖5所示，其中坐標(biāo)系的Z軸方向垂直向上。

圖5 掃描儀坐標(biāo)系與車載坐標(biāo)系定義

3．里程計(jì)與IMU推算位置

在衛(wèi)星信號(hào)良好的路段，通過(guò)GNSS接收機(jī)可以很好地解算出激光掃描儀的空間位置，但是當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí)，GNSS接收機(jī)無(wú)法完成定位解算，此時(shí)本系統(tǒng)組合使用里程計(jì)和IMU，可以有效地對(duì)空間位置信息缺失的路段進(jìn)行補(bǔ)償［10］。同時(shí)，可以利用有衛(wèi)星信號(hào)的定位解對(duì)里程計(jì)與IMU推算的位置進(jìn)行校正。通過(guò)試驗(yàn)證明里程計(jì)與IMU結(jié)合進(jìn)行位置推算可以達(dá)到很好的效果，解決了本系統(tǒng)在GNSS接收機(jī)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)定位時(shí)候的定位問(wèn)題。

四、試驗(yàn)及分析

在移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)搭建完成后，在上海市逸仙高架路進(jìn)行了路測(cè)試驗(yàn)。

逸仙高架路上衛(wèi)星信號(hào)良好，試驗(yàn)過(guò)程中只有很少的路段出現(xiàn)了衛(wèi)星失鎖的情況，這些路段利用上文提及的里程計(jì)與IMU組合進(jìn)行位置推算，最終將處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PointTools軟件中并與試驗(yàn)中的行駛軌跡對(duì)比，如圖6所示。

圖6 行車軌跡與點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)激光點(diǎn)云回波強(qiáng)度信息，提取到的道路信息得到了非常直觀的顯示，同時(shí)可以輕易地判別出道路的標(biāo)識(shí)標(biāo)線信息。對(duì)試驗(yàn)中的一個(gè)高架路匝道和左轉(zhuǎn)車道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，如圖7所示，高架路兩邊的路燈、直行箭頭、速度標(biāo)識(shí)，左轉(zhuǎn)車道禁止掉頭、左轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)等道路信息都已被采集。

圖7 逸仙路高架路匝道點(diǎn)云

但對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，某些地方會(huì)出現(xiàn)不屬于道路面的一些錯(cuò)誤點(diǎn)，這些點(diǎn)可能是掃描儀在采集數(shù)據(jù)時(shí)旁邊有汽車經(jīng)過(guò)所致，也可能是道路旁的植被等物體的數(shù)據(jù)。同時(shí)，點(diǎn)云結(jié)果中出現(xiàn)了一些沒(méi)有數(shù)據(jù)的空缺，這些空缺可能是被掃描的物體反射率過(guò)低造成的。

五、結(jié)論與展望

本文為解決交通道路數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并搭建了一套車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。然后，利用文中提出的關(guān)于系統(tǒng)時(shí)間同步、空間同步及衛(wèi)星失鎖情況下的定位問(wèn)題的解決方法成功使車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。最后，使用該移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了路測(cè)試驗(yàn)，獲取了點(diǎn)云結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了其能夠滿足道路交通數(shù)據(jù)采集的需求的結(jié)論。

同樣，該系統(tǒng)還有許多可以改進(jìn)的地方，如對(duì)處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)濾掉雜點(diǎn)，尤其是旁邊汽車。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)檢校場(chǎng)來(lái)對(duì)傳感器標(biāo)定的外參數(shù)進(jìn)行校正，使得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度更高。

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