CN112526486B - 一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法 - Google Patents

一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法 Download PDF

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Abstract

一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，涉及激光传感技术领域，针对现有技术中对激光雷达的标定精度差的问题，本发明从误差的角度出发，基于二维转台的结构及测距***激光的方向与转台轴系的关系，深入研究了激光雷达的几何误差。在此基础上,基于坐标变换的原理，得出了激光雷达的坐标变换矩阵和误差矩阵。通过坐标变换矩阵与误差矩阵的运算，建立优化函数，提高三维扫描数据的精度。

Description

一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法
技术领域
本发明涉及激光传感技术领域，具体为一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐 标校准方法。
背景技术
基于激光雷达的大尺寸三维形貌的精密测量，可满足前沿基础研究、航空航天、国防、 民用等领域对于大型构件的测量需求。激光雷达采用高精度绝对距离测量配合高精密二维 转台的方式。高精度测距方法采用扫频干涉测距方法，已经实现了较高精度。克服机械装 配误差大的难题，实现二维转台的高精度定位的精度成为挑战。现阶段对激光雷达的标定 方法，主要为根据激光雷达的几何误差在激光雷达在不同测量角度引起的角度误差及测距 误差的不同，使激光雷达在不同的角度范围扫描同一平面，得到两组有偏差的点云，利用 点到面的ICP配准得到激光雷达内部参数误差矩阵的方式，提高激光雷达的精度。然而该 方法估计出激光雷达反射镜旋转中心与电机旋转中心之间的偏移，但标定后的精度仍不能 满足高精度的三维形貌测量需求，原因是转台轴系的误差未得到校准，比如俯仰轴相对方 位轴的垂直度误差、相交度误差，反射面与俯仰轴线不共面、入射光相对方位轴的不共轴 等。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中对激光雷达的标定精度差的问题，提出一种基于轴 系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法。
本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，包括以下步骤：
步骤一：利用激光雷达获取光斑，并对获取到的光斑进行定位；
步骤二：针对定位后的光斑，规划光斑的运动平面；
步骤三：获取光斑在运动平面内的运动参数及标称值；
步骤四：获取光斑的实际位置；
步骤五：根据光斑的运动参数、标称值及光斑的实际位置得到任意两个光斑的相对位 置误差Δdi；
步骤六：将任意两个光斑的相对位置误差Δdi的几何误差参数初始值设置为0，然后利 用Levenberg-Marquardt算法得到
Figure BDA0002793114370000021
时所对应的几何误差；
步骤七：根据步骤六得到的几何误差更新光斑的实际位置，完成校准。
进一步的，所述步骤一的具体步骤为；
步骤一一：将一块镀了氧化铝膜的玻璃基板与相机固定在一起作为光斑定位测头；
步骤一二：调整相机的位置，保证玻璃基板位于相机视场范围内；
步骤一三：利用镀了氧化铝膜的玻璃基板接收激光雷达产生的光斑，然后利用相机拍 摄光斑，得到光斑图像；
步骤一四：根据得到的光斑图像，利用光斑质心提取算法得到光斑质心在光斑图像中 的坐标；
步骤一五：将光斑质心调整到光斑图像中心位置。
进一步的，所述步骤二的具体步骤为：
步骤二一：将光斑定位测头安装在三坐标测量机的主轴上，并设定三坐标测量机的运 动范围；
步骤二二：在运动范围空间内，将光斑定位测头的运动轨迹分布在多个平面内，平面 之间的间隔在三坐标测量机的y轴上均分，所述平面与xoz平面平行。
进一步的，所述平面为3个。
进一步的，所述三坐标测量机的运动范围不小于1m*1m*1m。
进一步的，所述步骤三的具体步骤为：
步骤三一：将激光雷达机身位于三坐标测量机的y轴上，调整激光雷达机身高度，使 激光雷达反射镜中心与三坐标测量机坐标系下的点(0，0，1000)之间的连线与y轴平行；
步骤三二：调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使激光雷达光轴平行于三坐标 测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间 隔顺时针间歇式转动，得到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动 光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距 离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三三：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰 轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三二中方位轴与俯仰轴的旋转角度相 同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴顺时针旋转180°，俯仰轴顺 时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动， 将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三二相反的工字形轨迹，然后使三 坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿与步骤三二相反的工字形轨迹运动，得 到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离 测量值；
步骤三四：测量完毕后，改变激光雷达机身位置，将激光雷达沿x轴正方向平移1m，调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔逆时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得 到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三五：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰 轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三四中方位轴与俯仰轴的旋转角度相 同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴逆时针旋转180°，俯仰轴顺 时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动， 将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三四相反的工字形轨迹，然后使三 坐标测量机主轴带动光斑定位测头再三个平面内沿与步骤三四相反的工字形轨迹运动，得 到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离 测量值；
步骤三六：记录步骤三二、步骤三三、步骤三四和步骤三五中激光雷达每次的运动参 数，所述运动参数包括激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值，同时记录三坐标测量机带动光斑定位测头每次跟随并定位光斑时三坐标测量机的移动参数，即任意光斑之间的距离作为标称值。
进一步的，所述步骤四中光斑的实际位置表示为：
Figure BDA0002793114370000031
其中b为反射光出光点坐标，l为反射光出光点到目标点的距离，e为反射光向量，
Figure BDA0002793114370000032
表示激光雷达方位角测量值，lc表示距离测量值，
Figure BDA0002793114370000033
表示俯仰角测量值，m＝1,2…5， ε表示角度误差，δ表示平移误差，m表示误差的序号。
进一步的，所述几何误差的具体获取步骤为：
取任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应的两组运动参数及两组运动参数所 对应的两个光斑位置，根据两个光斑位置及两个光斑位置所对应的三坐标测量机移动两次 后两点间的距离d0i得到两个光斑的相对位置误差Δdi，然后设置误差参数初始值为0，最 后利用Levenberg-Marquardt算法得到
Figure BDA0002793114370000041
时所对应的几何误差。
进一步的，所述任意两个光斑的相对位置误差Δdi表示为：
Δdi＝(Pi–Pj)-d0i，其中，Pi和Pj表示任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应 的两组运动参数所对应的两个光斑位置，i≠j。
本发明的有益效果是：
本发明从误差的角度出发，基于二维转台的结构及测距***激光的方向与转台轴系的 关系，深入研究了激光雷达的几何误差。在此基础上,基于坐标变换的原理，得出了激光雷 达的坐标变换矩阵和误差矩阵。通过坐标变换矩阵与误差矩阵的运算，建立优化函数，提 高三维扫描数据的精度。
附图说明
图1为光斑定位过程；
图2为激光雷达与光斑定位测头的运动平面位置关系示意图；
图3为测头跟随并定位光斑示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于 轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，包括以下步骤：
步骤一：利用激光雷达获取光斑，并对获取到的光斑进行定位；
步骤二：针对定位后的光斑，规划光斑的运动平面；
步骤三：获取光斑在运动平面内的运动参数及标称值；
步骤四：获取光斑的实际位置；
步骤五：根据光斑的运动参数、标称值及光斑的实际位置得到任意两个光斑的相对位 置误差Δdi；
步骤六：将任意两个光斑的相对位置误差Δdi的几何误差参数初始值设置为0，然后利 用Levenberg-Marquardt算法得到
Figure BDA0002793114370000042
时所对应的几何误差；
步骤七：根据步骤六得到的几何误差更新光斑的实际位置，完成校准。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式一的区别是所述步骤一的具体步骤为；
步骤一一：将一块镀了氧化铝膜的玻璃基板与相机固定在一起作为光斑定位测头；
步骤一二：调整相机的位置，保证玻璃基板位于相机视场范围内；
步骤一三：利用镀了氧化铝膜的玻璃基板接收光斑，然后利用相机拍摄光斑，得到光 斑图像；
步骤一四：根据得到的光斑图像，利用光斑质心提取算法得到光斑质心在光斑图像中 的坐标；
步骤一五：将光斑质心调整到光斑图像中心位置。测头跟随并定位光斑如图3所示。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式二的区别是所述步骤二的具体步骤为：
步骤二一：将光斑定位测头安装在三坐标测量机的主轴上，并设定三坐标测量机的运 动范围；
步骤二二：在运动范围空间内，将光斑定位测头的运动轨迹分布在多个平面内，平面 之间的间隔在三坐标测量机的y轴上均分，所述平面与xoz平面平行。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式三的区别是所述平面为3个。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式四的区别是所述三坐标测量机的运动范围不小于1m*1m*1m。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式五的区别是所述步骤三的具体步骤为：
步骤三一：将激光雷达机身位于三坐标测量机的y轴上，调整激光雷达机身高度，使 激光雷达反射镜中心与三坐标测量机坐标系下的点(0，0，1000)之间的连线与y轴平行；
步骤三二：调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使激光雷达光轴平行于三坐标 测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间 隔顺时针间歇式转动，得到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动 光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距 离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三三：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰 轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三二中方位轴与俯仰轴的旋转角度相 同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴顺时针旋转180°，俯仰轴顺 时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动， 将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三二相反的工字形轨迹，然后使三 坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿与步骤三二相反的工字形轨迹运动，得 到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离 测量值；
步骤三四：测量完毕后，改变激光雷达机身位置，将激光雷达沿x轴正方向平移1m，调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔逆时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得 到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三五：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰 轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三四中方位轴与俯仰轴的旋转角度相 同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴逆时针旋转180°，俯仰轴顺 时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动， 将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三四相反的工字形轨迹，然后使三 坐标测量机主轴带动光斑定位测头再三个平面内沿与步骤三四相反的工字形轨迹运动，得 到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离 测量值；
步骤三六：记录步骤三二、步骤三三、步骤三四和步骤三五中激光雷达每次的运动参 数，所述运动参数包括激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值，同时记录三坐标测量机带动光斑定位测头每次跟随并定位光斑时三坐标测量机的移动参数，即任意光斑之间的距离作为标称值。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式六的区别是所述步骤四中光斑的实际位置表示为：
Figure BDA0002793114370000061
其中b为反射光出光点坐标，l为反射光出光点到目标点的距离，e为反射光向量，
Figure BDA0002793114370000062
表示激光雷达方位角测量值，lc表示距离测量值，
Figure BDA0002793114370000063
表示俯仰角测量值，m＝1,2…5， ε表示角度误差，δ表示平移误差，m表示误差的序号。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式七的区别是所述步骤五的具体步骤为：
取任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应的两组运动参数及两组运动参数所 对应的两个光斑位置，根据两个光斑位置及两个光斑位置所对应的三坐标测量机移动两次 后两点间的距离d0i得到两个光斑的相对位置误差Δdi，然后设置误差参数初始值为0，最 后利用Levenberg-Marquardt算法得到
Figure BDA0002793114370000071
时所对应的几何误差。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八的进一步说明，本实施方式与具体 实施方式八的区别是所述任意两个光斑的相对位置误差Δdi表示为：
Δdi＝(Pi–Pj)-d0i，其中，Pi和Pj表示任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应 的两组运动参数所对应的两个光斑位置，i≠j。
实施例：
本发明将真实测量光AP转化为OP，以便于分析测量值与真值之间的关系来达到求解 误差对三维坐标影响的目的，并给出优化函数，提供一种标定激光雷达的方法。测量光方 向受轴系误差影响发生改变导致三维扫描原始数据的角度值与距离值有误差。为了减少系 统误差的影响，在同一坐标系下建立实际测量光与理想测量光、轴系误差之间的转换关系。
目标点P在测量坐标系o-xyz下的真实坐标值由关系式(1)得出。
[xP,yP,zP]T＝[xA,yA,zA]T+lAPeAP (1)
(xp,yp,zp)T：目标点P的理想坐标；
(xA,yA,zA)T：反射光位于反射镜的实际出射点A；
eAP：反射光的方向向量；
lAP：反射光lAP的模长，即为反射光位于反射镜的实际出射点A到被测目标点P的距离。
为了推导出P点真实坐标关系式，对(1)中等号右侧进行推导，推导过程如下。
(1)反射光方向向量eAP的求解
根据反射定律求反射镜反射光矢量l0，N为镜面反射矩阵，具体公式如下：
Figure BDA0002793114370000072
Figure BDA0002793114370000081
镜面法线方向
Figure BDA0002793114370000082
的确定
Figure BDA0002793114370000083
Ry”(β)表示坐标系O-x’”y”’z”’绕y”轴旋转β角度(右手定则)后转化为坐标系 O-x”y”z”的旋转矩阵；Rz'(α)表示坐标系O-x”y”z”绕z’轴旋转α角度后转化为坐标系 O-x’y’z’的旋转矩阵；
Figure BDA0002793114370000084
表示绕x’轴旋转
Figure BDA0002793114370000085
角度的坐标转换矩阵；Ry(ω)表示坐标 系O-x’y’z”绕y轴旋转ω角度后转化为坐标系O-xyz的旋转矩阵；
Figure BDA0002793114370000086
表示绕z轴旋 转
Figure BDA0002793114370000087
角度的坐标转换矩阵；具体表达式如下：
Figure BDA0002793114370000088
Figure BDA0002793114370000089
Figure BDA00027931143700000810
Figure BDA00027931143700000811
Figure BDA00027931143700000813
Figure BDA00027931143700000812
入射光方向向量求解激光倾斜误差是指激光器发射出的激光束与转台的垂
直轴线不重合存在空间交角。见图3。
设实际光束与方位轴有夹角θ，方向位于方位角μ的方位，此时入射光矢量可以表示 为：
Figure BDA0002793114370000091
Figure BDA0002793114370000092
Figure BDA0002793114370000093
Figure BDA0002793114370000094
Rz(z,μ)表示绕z轴旋转μ角度的坐标转换矩阵；Ry(y,θ)表示绕y轴旋转θ角度的坐标转换矩阵；e0表示理想入射光方向矢量。
则反射光方向向量为：
Figure BDA0002793114370000095
(2)反射光实际出射点A的确定
反射光实际出射点A(xA，yA，zA)由实际反射镜面方程与入射光的直线方程联立求得。
反射镜面方程求解，O’表示俯仰轴相对方位轴有相交度误差δy时，俯仰轴线与测量坐 标系Y轴交点；h表示反射面与俯仰轴端面的距离；D点表示O’点在反射面α上的投影点。 镜面方程表达式如下：
(x-xD)·nx+(y-yD)·ny+(z-zD)·nz＝0 (15)
Figure BDA0002793114370000096
Figure BDA0002793114370000097
入射光直线方程表达式如下：
Figure BDA0002793114370000098
其中，c为测距零点(光纤端面)B到全局坐标系原点O的距离值。
由(11)～(18)可得反射光实际出射点A的坐标；
Figure BDA0002793114370000101
Figure BDA0002793114370000102
(3)反射光lAP模长的求解
lAP＝lBAP-lAB (21)
lM＝lBAP-c (22)
Figure BDA0002793114370000103
由公式(21)(22)(23)可得：
lAP＝lM+c-lAB (24)
其中，lBAP表示从测距零点B到目标点P的距离值。lM为测距值。
根据(1)～(24)可求目标点P在测量坐标系o-xyz下的真实坐标值。基于向量和矩阵的表 达式如下：
Figure BDA0002793114370000104
P＝[xP,yP,zP]T (26)
若用更高精度的仪器测得同一点P的坐标(作为约定真值)为：
P0＝[xP0,yP0,zP0]T (27)
优化函数为：
Figure BDA0002793114370000105
通过多次测量迭代，直到f小于Tol，即小于误差允许范围Tol，则得到表1中涉及到的误差参数的估计值。通过补偿这些误差以达到标定激光雷达的目的。
Figure BDA0002793114370000106
Figure BDA0002793114370000111
表1 数学模型中物理量及其物理意义
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定 权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本 发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：利用激光雷达获取光斑，并对获取到的光斑进行定位；
步骤二：针对定位后的光斑，规划光斑的运动平面；
步骤三：获取光斑在运动平面内的运动参数及标称值；
步骤四：获取光斑的实际位置；
步骤五：根据光斑的运动参数、标称值及光斑的实际位置得到任意两个光斑的相对位置误差Δdi；
步骤六：将任意两个光斑的相对位置误差Δdi的几何误差参数初始值设置为0，然后利用Levenberg-Marquardt算法得到
Figure FDA0003568538180000011
时所对应的几何误差；
步骤七：根据步骤六得到的几何误差更新光斑的实际位置，完成校准；
所述步骤一的具体步骤为；
步骤一一：将一块镀了氧化铝膜的玻璃基板与相机固定在一起作为光斑定位测头；
步骤一二：调整相机的位置，保证玻璃基板位于相机视场范围内；
步骤一三：利用镀了氧化铝膜的玻璃基板接收激光雷达产生的光斑，然后利用相机拍摄光斑，得到光斑图像；
步骤一四：根据得到的光斑图像，利用光斑质心提取算法得到光斑质心在光斑图像中的坐标；
步骤一五：将光斑质心调整到光斑图像中心位置；
所述三坐标测量机的运动范围不小于1m*1m*1m；
所述步骤三的具体步骤为：
步骤三一：将激光雷达机身位于三坐标测量机的y轴上，调整激光雷达机身高度，使激光雷达反射镜中心与三坐标测量机坐标系下的点(0，0，1000)之间的连线与y轴平行；
步骤三二：调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使激光雷达光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三三：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三二中方位轴与俯仰轴的旋转角度相同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴顺时针旋转180°，俯仰轴顺时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三二相反的工字形轨迹，然后使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿与步骤三二相反的工字形轨迹运动，得到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三四：测量完毕后，改变激光雷达机身位置，将激光雷达沿x轴正方向平移1m，调整激光雷达方位轴和俯仰轴的旋转角度，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，然后将方位轴以9°的间隔逆时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到光及光斑定位测头的工字形轨迹，并使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头在三个平面内沿工字形轨迹运动，得到前视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三五：光斑定位测头跟随光斑运动完三个平面后，调整激光雷达的方位轴与俯仰轴的旋转角度，使方位轴与俯仰轴的旋转角度与步骤三四中方位轴与俯仰轴的旋转角度相同，使光轴平行于三坐标测量机坐标系的y轴，并将方位轴逆时针旋转180°，俯仰轴顺时针旋转90°，使光轴再次平行于y轴，然后将方位轴以9°的间隔顺时针间歇式转动，将俯仰轴以4°的间隔顺时针间歇式转动，得到与步骤三四相反的工字形轨迹，然后使三坐标测量机主轴带动光斑定位测头再三个平面内沿与步骤三四相反的工字形轨迹运动，得到后视模式测量下任意两个光斑间的距离及激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值；
步骤三六：记录步骤三二、步骤三三、步骤三四和步骤三五中激光雷达每次的运动参数，所述运动参数包括激光雷达方位角测量值、俯仰角测量值、距离测量值，同时记录三坐标测量机带动光斑定位测头每次跟随并定位光斑时三坐标测量机的移动参数，即任意光斑之间的距离作为标称值；
所述几何误差的具体获取步骤为：
取任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应的两组运动参数及两组运动参数所对应的两个光斑位置，根据两个光斑位置及两个光斑位置所对应的三坐标测量机移动两次后两点间的距离d0i得到两个光斑的相对位置误差Δdi，然后设置误差参数初始值为0，最后利用Levenberg-Marquardt算法得到
Figure FDA0003568538180000031
时所对应的几何误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤为：
步骤二一：将光斑定位测头安装在三坐标测量机的主轴上，并设定三坐标测量机的运动范围；
步骤二二：在运动范围空间内，将光斑定位测头的运动轨迹分布在多个平面内，平面之间的间隔在三坐标测量机的y轴上均分，所述平面与xoz平面平行。
3.根据权利要求2所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述平面为3个。
4.根据权利要求1所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述步骤四中光斑的实际位置表示为：
Figure FDA0003568538180000032
其中b为反射光出光点坐标，l为反射光出光点到目标点的距离，e为反射光向量，
Figure FDA0003568538180000033
表示激光雷达方位角测量值，lc表示距离测量值，
Figure FDA0003568538180000034
表示俯仰角测量值，m＝1,2…5，ε表示角度误差，δ表示平移误差，m表示误差的序号，c表示测距零点到全局坐标系原点的距离值。
5.根据权利要求1所述的一种基于轴系误差模型的三维激光雷达空间坐标校准方法，其特征在于所述任意两个光斑的相对位置误差Δdi表示为：
Δdi＝(Pi–Pj)-d0i，其中，Pi和Pj表示任意激光雷达方位轴和俯仰轴两次运动中所对应的两组运动参数所对应的两个光斑位置，i≠j。
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