汪志飛，姚連璧，周 冰

(同濟大學(xué)測繪與地理信息學(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，如制作車道級道路底圖，將普通的導(dǎo)航轉(zhuǎn)變成車道級導(dǎo)航，提前告知司機道路的詳細信息，提高行車安全性。另外，還可以利用計算機對道路信息進行處理分析，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)的測繪手段進行信息提取費時費力，為解決此問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套移動測量系統(tǒng)。

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

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

對移動測量系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)的研究也有一定成果。周星伶對松組合與緊組合模式的精度進行了比較，明確了緊組合模式的優(yōu)勢［3］。為了進一步提高POS系統(tǒng)的定位精度，高為廣等人對緊組合算法作了進一步的優(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，增強了POS系統(tǒng)位置與姿態(tài)的精度與可靠性［4-5］。文獻［6—7］中提到使用檢校場數(shù)據(jù)，通過對比由GPS/IMU解算的外方位姿態(tài)角元素與光束法平差計算出的外方位角元素來確定儀器間的偏心角;文獻［8］中提出使用全站儀直接測量結(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［9］中基于微小轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換原理，通過人工判別的方式找到激光點云點與已知控制點的對應(yīng)關(guān)系，求解坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而確定傳感器之間的相對位置關(guān)系。

二、傳感器集成方案及實現(xiàn)

以現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ)，本文中選用3臺激光斷面掃描儀、1臺雙天線GNSS接收機、1臺IMU、1臺360°全景相機、2個里程計與1臺GPS同步時鐘組建一套車載移動測量系統(tǒng)，該移動測量系統(tǒng)的目的是采集道路數(shù)據(jù)，針對這一目標，對整個系統(tǒng)進行了設(shè)計，設(shè)計圖如圖1所示。

一臺掃描儀安裝在車尾部分，專門提取路面信息，另外兩臺安裝在傳感器平臺的兩側(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充。GNSS天線分別安裝在傳感器平臺前端和車尾，IMU安裝在汽車內(nèi)部后排座椅中間平臺上，里程計分別安裝在汽車兩個后輪上。為了不遮擋360°全景相機的視野，選擇將相機安裝在汽車頂部。

系統(tǒng)中各個傳感器連線圖如圖2所示。

系統(tǒng)工作時，所有傳感器采集的數(shù)據(jù)都以文本文件保存在計算機中。GPS時鐘用于實現(xiàn)各個傳感器之間的時間同步，全景相機用于實時采集系統(tǒng)周圍的影像信息。GNSS、IMU與里程計實現(xiàn)移動測量系統(tǒng)的定位與定姿，在有衛(wèi)星信號下，GNSS可以進行實時定位;在無衛(wèi)星信號下，利用IMU和里程計推算位置。IMU實時記錄系統(tǒng)的姿態(tài)信息，里程計實時記錄汽車后輪轉(zhuǎn)過的角度。

圖1 移動測量系統(tǒng)設(shè)計圖

圖2 傳感器連線圖

三、關(guān)鍵技術(shù)解決方案

移動測量系統(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，各個傳感器并不是同時進行數(shù)據(jù)采集的，則GNSS和IMU不能實時確定系統(tǒng)的位置和姿態(tài)信息;另一方面，各個傳感器的數(shù)據(jù)采集參照的坐標系是不一樣的，需要將傳感器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到實際使用的坐標系中。在衛(wèi)星信號良好的情況下，GNSS系統(tǒng)可以實時定位，但在衛(wèi)星信號很差甚至沒有的時候，如汽車進入隧道，GNSS系統(tǒng)就不能進行準確定位，如何在沒有衛(wèi)星失鎖的情況下進行定位也是本系統(tǒng)需要研究的重點內(nèi)容。

1．時間同步

本文中的移動測量系統(tǒng)中，GNSS接收機和IMU接收的數(shù)據(jù)使用GPS時，而激光掃描儀、全景相機與里程計采集到的數(shù)據(jù)并沒有時間標記，故需要通過一定方式為其采集到的數(shù)據(jù)加上時間標記并統(tǒng)一為GPS時，從而實現(xiàn)時間同步。本文中使用的方法是使用一臺NTP協(xié)議的GPS時鐘來進行授時。時間同步的示意圖如圖3所示。

圖3 時間同步

激光掃描儀支持NTP協(xié)議，將其通過路由器與GPS時鐘連接后，可以接收GPS時間信息，并將時間標記自動加在數(shù)據(jù)尾部。全景相機和里程計連接筆記本電腦，通過數(shù)據(jù)接收程序給數(shù)據(jù)加上時間標記，該時間為筆記本電腦的系統(tǒng)時間。筆記本電腦的系統(tǒng)時間同樣是通過GPS時鐘授時得到。如此，各個傳感器的數(shù)據(jù)便統(tǒng)一到同一個時間系統(tǒng)下。

2．空間同步

在實際使用中，所有的傳感器數(shù)據(jù)都需要統(tǒng)一到同一坐標系(一般為地方坐標系)中。系統(tǒng)中，3臺激光掃描儀需要進行坐標系統(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系中角度與距離信息，通過定義掃描儀坐標系將角度與距離信息解碼為坐標信息。掃描儀空間同步工作就是確定掃描儀坐標系與地方坐標系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地方坐標系下。由于掃描儀是在行駛中的汽車上進行數(shù)據(jù)采集的，因此掃描儀坐標系相對于地方坐標系是不斷變化的，直接求取兩坐標系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)不是很方便。本系統(tǒng)定義了車載坐標系，借助于車載坐標系來完成兩坐標系之間的參數(shù)求解，具體過程如圖4所示。

圖4 空間同步過程

掃描儀坐標系與車載坐標系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)可以通過掃描儀外參數(shù)的標定來確定，本系統(tǒng)3臺掃描儀坐標系轉(zhuǎn)換到車載坐標系參數(shù)見表1，其中，ΔX、ΔY、ΔZ為3個平移參數(shù);α、β、γ為3個旋轉(zhuǎn)參數(shù):分別表示繞X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，順時針旋轉(zhuǎn)為正;尺度參數(shù)取1。車載坐標系與地方坐標系的平移參數(shù)由GNSS系統(tǒng)提供，旋轉(zhuǎn)參數(shù)由IMU提供。

表1 3臺掃描儀坐標系轉(zhuǎn)換到車載坐標系的參數(shù)

3臺掃描儀坐標系與車載坐標系定義如圖5所示，其中坐標系的Z軸方向垂直向上。

圖5 掃描儀坐標系與車載坐標系定義

3．里程計與IMU推算位置

在衛(wèi)星信號良好的路段，通過GNSS接收機可以很好地解算出激光掃描儀的空間位置，但是當衛(wèi)星信號失鎖時，GNSS接收機無法完成定位解算，此時本系統(tǒng)組合使用里程計和IMU，可以有效地對空間位置信息缺失的路段進行補償［10］。同時，可以利用有衛(wèi)星信號的定位解對里程計與IMU推算的位置進行校正。通過試驗證明里程計與IMU結(jié)合進行位置推算可以達到很好的效果，解決了本系統(tǒng)在GNSS接收機無法進行實時定位時候的定位問題。

四、試驗及分析

在移動測量系統(tǒng)搭建完成后，在上海市逸仙高架路進行了路測試驗。

逸仙高架路上衛(wèi)星信號良好，試驗過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與IMU組合進行位置推算，最終將處理得到的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到PointTools軟件中并與試驗中的行駛軌跡對比，如圖6所示。

圖6 行車軌跡與點云數(shù)據(jù)對比

通過激光點云回波強度信息，提取到的道路信息得到了非常直觀的顯示，同時可以輕易地判別出道路的標識標線信息。對試驗中的一個高架路匝道和左轉(zhuǎn)車道點云數(shù)據(jù)進行放大，如圖7所示，高架路兩邊的路燈、直行箭頭、速度標識，左轉(zhuǎn)車道禁止掉頭、左轉(zhuǎn)標識等道路信息都已被采集。

圖7 逸仙路高架路匝道點云

但對點云數(shù)據(jù)進行觀察發(fā)現(xiàn)，某些地方會出現(xiàn)不屬于道路面的一些錯誤點，這些點可能是掃描儀在采集數(shù)據(jù)時旁邊有汽車經(jīng)過所致，也可能是道路旁的植被等物體的數(shù)據(jù)。同時，點云結(jié)果中出現(xiàn)了一些沒有數(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)采集的問題，設(shè)計并搭建了一套車載移動測量系統(tǒng)。然后，利用文中提出的關(guān)于系統(tǒng)時間同步、空間同步及衛(wèi)星失鎖情況下的定位問題的解決方法成功使車載移動測量系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來。最后，使用該移動測量系統(tǒng)進行了路測試驗，獲取了點云結(jié)果，并對結(jié)果進行了分析，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)還有許多可以改進的地方，如對處理得到的點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，過濾掉雜點，尤其是旁邊汽車。另外，通過設(shè)計檢校場來對傳感器標定的外參數(shù)進行校正，使得到的點云數(shù)據(jù)精度更高。

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