技术领域
[0001] 本发明涉及特定方向的激光点云采集领域，具体涉及一种激光点云定向采集方法。
相关背景技术
[0002] 导线弧垂是确保输电线路安全的重要指标，而导线悬挂点是弧垂计算的参考基准点，一种测量导线弧垂的有效方法是在地面用激光雷达采集导线的点云，进而识别出悬挂点点云。然而，激光雷达采集的点云通常比较稀疏，从点云中辨识导线悬挂点难度较大，识别出的悬挂点点云精确度不高，导致弧垂测量精度较低。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049] 激光雷达内部的电机高速旋转，不断快速改变激光发射的偏摆角，形成一个测量面。由于当前导线激光点云采集方案无法针对特定方向聚焦扫描，对于导线悬挂点这种聚焦特定方向的数据采集效率较低，而测量效率与激光雷达测量面在聚焦特定方向上覆盖的密度成正比，因此，本发明实施例提供一种激光点云定向采集方法，将测量面从不同角度聚焦在特定方向即导线悬挂点上，提高覆盖密度，如图1所示，该方法包含以下步骤：
[0050] 101、利用双轴云台激光雷达系统采集导线点云，在所述导线点云中选取一个端点作为悬挂点。
[0051] 具体地，双轴云台激光雷达系统包括双轴云台和激光雷达，其中，激光雷达安装在双轴云台上，激光雷达的正前方朝向双轴云台的正前方，激光雷达的光学中心与双轴云台旋转中心重合，激光雷达的测量面同时平行于云台的俯仰轴、横滚轴，双轴云台的俯仰轴、横滚轴正交，双轴云台可控制俯仰角、横滚角，激光雷达可获得激光束扫描的偏摆角。利用双轴云台激光雷达系统采集导线点云，此处的导线点云为粗略导线点云，根据点云的轮廓在粗略导线点云上选定一个采样点作为导线悬挂点，该采样点为端点，可以选择通过人工方式选定悬挂点。
[0052] 102、采集经过所述悬挂点的代表线束点云。
[0053] 参照图2，具体地，该步骤中的点云采集为针对导线悬挂点的精扫，此处的线束点云数量大于1，根据该悬挂点确定一组代表线束点云，该代表线束点云穿过悬挂点。同一组中的代表线束点云角度均匀分散。
[0054] 103、通过所述代表线束点云进行数据合并，获得悬挂点点云。
[0055] 具体地，由于代表线束点云均经过悬挂点，且角度均匀分散，所以将代表线束点云进行数据合并，可获得最终的导线点云，最终的导线点云在导线悬挂点的采样密度最高，即可获得悬挂点点云。
[0056] 在本发明实施例中，本发明将激光雷达安装在双轴转台上，通过控制激光雷达的扫描方向聚焦扫描悬挂点，有助于加密悬挂点点云，增加悬挂点辨识度，有效提升了非机载地面式激光雷达扫描系统针对聚焦特定方向即导线悬挂点采集点云的效率，从而提高导线弧垂测量精度；有效提升非机载地面式激光雷达扫描系统的设备精度。
[0057] 在一种可能的实施方式中，所述利用双轴云台激光雷达系统采集导线点云之前，还包括：
[0058] 构建激光雷达坐标系、云台台面坐标系、俯仰零位坐标系以及云台零位坐标系；
[0059] 构建所述激光雷达坐标系包括：距离以激光雷达的光学中心为原点，角度以激光雷达正前方为基准，逆时针方向为正方向；
[0060] 构建所述云台台面坐标系包括：以双轴云台旋转中心为原点；X轴为双轴云台横滚轴，向前为正，横滚角旋转正向与X轴指向一致；Y轴沿着双轴云台俯仰轴，向左为正，俯仰角旋转正向与Y轴指向一致；Z轴垂直于激光雷达测量面，穿过双轴云台旋转中心，向上为正；所述云台台面坐标系在双轴云台转动时随双轴云台旋转；
[0061] 所述俯仰零位坐标系为双轴云台控制的俯仰角为0时的云台台面坐标系；
[0062] 所述云台零位坐标系为双轴云台控制的俯仰角、横滚角均为0时的云台台面坐标系。
[0063] 在一种可能的实施方式中，所述利用双轴云台激光雷达系统采集导线点云包括：
[0064] 获取导线上采样点的参数；所述参数包括距离、偏摆角、俯仰角、横滚角；所述距离、所述偏摆角为激光雷达的测量值；所述俯仰角、所述横滚角为双轴云台的测量值；
[0065] 根据所述采样点的距离、偏摆角确定所述采样点在激光雷达坐标系下的极坐标；
[0066] 根据所述采样点的俯仰角、横滚角将所述采样点在激光雷达坐标系下的极坐标转换到云台零位坐标系，获得导线点云。
[0067] 在一种可能的实施方式中，还包括：
[0068] 在利用双轴云台激光雷达系统采集导线点云的过程中，设定横滚角为0。
[0069] 具体地，俯仰角从0开始，逐步转动到预设最大俯仰角，而横滚角始终为0。在转动过程中，通过三个正交方向的旋转角度即偏摆角、俯仰角、横滚角控制激光雷达扫描导线，利用双轴云台激光雷达系统采集导线上采样点的参数，根据采样点的参数将采样点的坐标进行转换，即由激光雷达坐标系下的极坐标转换到云台零位坐标系，获得云台零位坐标系下的采样点坐标，从而可获得导线点云，此处获得的导线点云为粗扫得到的点云，也可称为粗略导线点云。
[0070] 在一种可能的实施方式中，所述根据所述采样点的俯仰角、横滚角将所述采样点在激光雷达坐标系下的极坐标转换到云台零位坐标系包括：
[0071] 将所述采样点在激光雷达坐标系下的极坐标转换为对应的直角坐标，获得直角坐标系下的采样点坐标；
[0072] 将直角坐标系下的采样点坐标转换到云台台面坐标系，获得云台台面坐标系下的采样点坐标；
[0073] 根据所述采样点的俯仰角构造俯仰零位变换矩阵；
[0074] 根据云台台面坐标系下的采样点坐标和所述俯仰零位变换矩阵获得俯仰零位坐标系下的采样点坐标；
[0075] 根据所述采样点的横滚角构造横滚零位变换矩阵；
[0076] 根据俯仰零位坐标系下的采样点坐标和所述横滚零位变换矩阵获得云台零位坐标系下的采样点坐标。
[0077] 具体地，导线上每个采样点的距离ρi、偏摆角 构成极坐标，将激光雷达坐标系的极坐标转换为直角坐标，并且令Z轴坐标等于0，从而得到云台台面坐标系下的采样点坐标[0078]
[0079] 根据采样点对应的俯仰角构造俯仰零位变换矩阵Ry(θi)：
[0080]
[0081] 式中，θi表示俯仰角。
[0082] 俯仰零位变换矩阵乘以云台台面坐标系下的采样点坐标，得到俯仰零位坐标系下的采样点坐标[x′i,y′i,z′i]，其中，
[0083] 根据采样点对应的横滚角构造横滚零位变换矩阵Rx(γi)
[0084]
[0085] 式中，γi表示横滚角。
[0086] 俯仰零位坐标系下的采样点坐标乘以横滚零位变换矩阵，得到云台零位坐标系下的采样点坐标pi，即pi＝[xi,yi,zi]＝[x′i,y′i,z′i]Ry(θi)。
[0087] 通过以上方式将所有采样点坐标变换到云台零位坐标系下，即得到导线点云P＝{pi|i＝1…N}，N为采样点个数。
[0088] 在一种可能的实施方式中，所述采集经过所述悬挂点的代表线束点云包括：
[0089] 根据所述悬挂点确定经过所述悬挂点的代表线束；
[0090] 根据所述悬挂点和所述代表线束获得穿过所述悬挂点和所述代表线束的测量面；
[0091] 通过测量面确定代表角度；所述代表角度包括代表俯仰角和代表横滚角；所述代表俯仰角为测量所述代表线束点云时双轴云台控制的俯仰角的角度；所述代表横滚角为测量所述代表线束点云时双轴云台控制的横滚角的角度；
[0092] 将云台按照所述代表角度转动，以控制激光雷达进行点云扫描，获得所述代表线束点云。
[0093] 在一种可能的实施方式中，所述代表线束如下：
[0094]
[0095] 式中，mi表示代表线束，i＝1…Q，Q表示代表线束个数， q表示悬挂点的坐标向量，
[0096] 具体地， 为与悬挂点方向垂直但方向指向水平方向的向量， 为与悬挂点方向垂直但方向指向垂直方向的向量，q∈P。
[0097] 根据悬挂点确定一组穿过悬挂点，且与悬挂点方向垂直、角度均匀分散的线束，称其为代表线束，每个悬挂点均对应一组代表线束，如图2所示。然后根据悬挂点和代表线束确定测量面，测量面穿过导线悬挂点和代表线束，测量面的法线ni＝(mi×q)，测量面的平面方程如下：
[0098] ni·x＝nixx+niyy+nizz＝0
[0099] 进一步地，所述代表俯仰角如下：
[0100]
[0101] 式中，θi表示代表俯仰角，(nix,niy,niz)表示测量面的法线。
[0102] 进一步地，所述代表横滚角如下：
[0103]
[0104] 式中，γi表示代表横滚角。
[0105] 具体地，激光雷达内部的电机高速旋转，不断快速改变偏摆角，形成一个测量面，代表角度都是测量面与云台零位坐标系的夹角，是使得激光雷达的测量面穿过代表线束的代表角度，将双轴云台按照代表角度转动，以控制激光雷达进行点云扫描，获得代表线束点云。
[0106] 为了将测量面聚焦到导线悬挂点上，单次扫描并不一定能扫描到导线悬挂点，但是从整个时间序列的叠加效果来看，这种扫描方式可以增加测量面扫描到导线悬挂点上的概率。将云台按照代表角度转动，包括：预设一个时间序列ti，在ti时刻将云台俯仰角设置为代表俯仰角θi，将横滚角设置为代表横滚角γi，转动的同时，激光雷达持续扫描点云，即可控制双轴云台将激光雷达的测量面穿过代表线束，获取每个采样点的参数，得到代表线束点云数据。
[0107] 在一种可能的实施方式中，所述通过所述代表线束点云进行数据合并，获得悬挂点点云之前，包括：
[0108] 按照将所述采样点在激光雷达坐标系下的极坐标转换到云台零位坐标系的方法，将所述代表线束点云中采样点的坐标由激光雷达坐标系变换到云台零位坐标系。
[0109] 将所有采样点按照上述确定导线点云中的方式变换到云台零位坐标系下，即得到悬挂点点云。
[0110] 在上述实施例中，云台通过改变俯仰角、横滚角的方式改变测量面的空间位置。测量面落在聚焦特定方向即导线悬挂点上即可对其进行采样。通过控制云台的俯仰角、横滚角，使激光雷达的测量面从不同角度对导线悬挂点进行采样，如图3所示。最后将不同角度测量面对应的数据合并得到完整的导线点云，该点云中导线悬挂点的采样密度最高，即可获得导线悬挂点点云。
[0111] 本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
