Ocena jakości obserwacji skanera laserowego velodyne w oparciu o dane symulowane

• Autorzy: Pałęcki Adam , Jóżków Grzegorz

Identyfikatory

DOI

10.15199/50.2024.06.4

Warianty tytułu

EN

Assesing the quality of velodyne laser scanner observations based on simulated data

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Tanie skanery z wieloma wiązkami laserowymi takie jak Velodyne, Ouster, Hesai często wykorzystywane są do budowy niedrogich systemów skaningu kinematycznego, w tym systemów plecakowych i bezzałogowych. Niski koszt skutkuje mniejszą jakością pozyskiwanych danych, a parametry dokładnościowe podawane przez producentów często odbiegają od rzeczywistych. Z tego powodu problem oceny dokładności danych pozyskanych za pomocą takich skanerów jest ciągle podnoszony przez naukowców. Metody przez nich stosowane mają na celu ocenę dokładności położenia punktów skaningu i opierają się głownie na punktach i powierzchniach referencyjnych. Należy jednak zaznaczyć, że na dokładność położenia tych punktów wpływ mają różne czynniki, w tym te wynikające z błędów instrumentalnych, wynikające z charakteru mierzonego obiektu, a także danych z innych sensorów (np. dane o trajektorii stosowane w skaningu mobilnym). W tym artykule proponujemy metodę, która pozwala na ocenę jakości obserwacji (odległości i kątów), których błędy wynikają głównie z pierwszego z wymienionych czynników, czyli instrumentu. Metoda ta bazuje na porównaniu obserwacji rzeczywistych z teoretycznymi powstającymi poprzez symulację. Do symulacji rzeczywistych obserwacji stosowany jest wirtualny skaner Velodyne, który umieszczany jest w takiej samej pozycji i orientacji jak rzeczywisty. Obserwacje teoretyczne dla skanera wirtualnego tworzone są w oparciu o znany mechanizm działania skanera oraz dokładną i bardzo gęstą chmurę punktów naziemnego skaningu laserowego. Wykonane dla skanera Velodyne HDL-32E eksperymenty wykazały, że dokładność pomiaru odległości jest porównywalna z podawaną przez producenta, jednak inna dla różnych diod laserowych, a dokładność pomiaru kąta poziomego wynosi około 0,04°. Ponadto wykazano, że częstotliwość wirownia skanera, od której zależy wartość kąta poziomego jest różna od wartości nominalnej i nie jest stała w trakcie całego obrotu. Opracowana metoda symulacji obserwacji może być w przyszłości wykorzystana do kalibracji podobnych skanerów tego typu.

EN

Inexpensive scanners with multiple laser beams such as Velodyne, Ouster, Hesai are often used to build low-cost kinematic scanning systems, including backpack and unmanned systems. Low costs result in lower quality of the acquired data. In addition, the accuracy parameters provided by manufacturers are often different from the actual ones. For this reason, the problem of assessing the accuracy of data obtained using such scanners is investigated by scientists. The methods used for this purpose aim at assessing the accuracy of the position of scanning points and use mainly reference points and surfaces. However, that the accuracy of the location of these points is influenced by various factors, including those resulting from instrumental errors, from the nature of the measured object, as well as data from other sensors (e.g. trajectory data used in mobile scanning). In this article, we propose a method that allows for the assessment of the quality of observations (distances and angles) which errors result mainly from the first of the mentioned factors, i.e. the instrument. Proposed method bases on the comparison of real observations with theoretical ones created through simulation. To simulate real observations, a virtual Velodyne scanner is used, which is placed in the same position and orientation as the real one. Theoretical observations for the virtual scanner are created based on the known mechanism of scanner operation and an accurate and very dense terrestrial laser scanning point cloud. Experiments executed for the Velodyne HDL-32E scanner proved that the accuracy of distance measurement is comparable to that provided by the manufacturer, but different for different laser diodes, while the accuracy of horizontal angle measurement is equal to about 0.04°. Moreover, it was shown that the scanner's rotation frequency, which determines the value of the horizontal angle, is different from the nominal value and is not constant during the entire rotation. The developed observation simulation method can be used in the future to calibrate similar scanners of this type.

Słowa kluczowe

PL

skaner laserowy; Velodyne; dokładność; symulacja; parametry kalibracji

EN

laser scanner; Velodyne; accuracy; simulation; calibration parameters

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Geodezyjny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 96, nr 6
• Strony: 1--3
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz.

Twórcy

autor

Pałęcki Adam

• Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Instytut Geodezji i Geoinformatyki

• https://orcid.org/0009-0004-1314-8407

autor

Jóżków Grzegorz

• Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Instytut Geodezji i Geoinformatyki

• https://orcid.org/0000-0003-4953-9253

Bibliografia

• [1] Ayala R., i Mohd T. K. (2021). Sensors in Autonomous Vehicles: A Survey. ASME. J. Auton. Veh. Sys. 2021; 1(3). doi: 10.1115/1.4052991.
• [2] Rivera G., Porras R., Florencia R., i Sánchez-Solís J. P. (2023). LiDAR applications in precision agriculture for cultivating crops: A review of recent advances. Computers and Electronics in Agriculture, 207, 107737. doi: 10.1016/j.compag.2023.107737.
• [3] Shendryk Y., Sofonia J., Garrard R., Rist Y., Skocaj D., i Thorburn P. (2020). Fine-scale prediction of biomass and leaf nitrogen content in sugarcane using UAV LiDAR and multispectral imaging. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 92, 102177.
• [4] Jeong N., Hwang H. i Matson E. T. (2018). Evaluation of low-cost LiDAR sensor for application in indoor UAV navigation. 2018 IEEE Sensors Applications Symposium, Seoul, pp. 1-5, doi: 10.1109/SAS.2018.8336719.
• [5] Komarizadehasl S., Mobaraki B., Ma H., Lozano-Galant J-A. i Turmo J. (2022) Low-Cost Sensors Accuracy Study and Enhancement Strategy. Applied Sciences, 12(6):3186. doi: 10.3390/app12063186.
• [6] Hu T., Sun X, Su Y., Guan H., Sun Q., Kelly M., Guo Q. (2021). Development and Performance Evaluation of a Very Low-Cost UAV-Lidar System for Forestry Applications. Remote Sensing, 13(1):77. doi: 10.3390/rs13010077.
• [7] Glennie C. L. i Hartzell P. J. (2020). Accuracy Assessment And Calibration Of Low-Cost Autonomous Lidar Sensors. Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLIII-B1-2020, 371–376, doi: 10.5194/isprs-archives-XLIII-B1-2020-371-2020,
• [8] Glennie C., Lichti D. D., (2010). Static Calibration and Analysis of the Velodyne HDL-64E S2 for High Accuracy Mobile Scanning. Remote Sensing, 2(6), 1610–1624.
• [9] Lichti D. D., (2007). Error modelling, calibration and analysis of an AM–CW terrestrial laser scanner system. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 61(5), 307 - 324.
• [10] Abbas M. A., Lichti D. D., Chong A. K., Setan H., i Majid Z. (2014). An on-site approach for the self-calibration of terrestrial laser scanner. Measurement. Journal of the International Measurement Confederation, 52, 111–123. doi: 10.1016/j.measurement.2014.03.009.
• [11] Chan T. O., Lichti D. D., i Belton D. (2015). A rigorous cylinder-based self-calibration approach for terrestrial laser scanners. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 99, 84–99. doi: 10.1016/J.ISPRSJPRS.2014.11.003.
• [12] Omidalizarandi M., Kargoll B., Paffenholz J.-A., Neumann I. (2019) Robust external calibration of terrestrial laser scanner and digital camera for structural monitoring. JAG, 13, 2, 105-134. doi: 10.1515/JAG-2018-0038.
• [13] Stenz U., Hartmann J., Paffenholz J.-A., Neumann I. (2020). High-Precision 3D Object Capturing with Static and Kinematic Terrestrial Laser Scanning in Industrial Applications—Approaches of Quality Assessment. Remote Sensing, 12, 2, 290. doi: 10.3390/rs12020290.
• [14] Velodyne (2018). Velodyne HDL-32E user’s manual.
• [15] Chen Y., Medioni, G., (1991). Object Modeling by Registration of Multiple Range Images. In: Proc. IEEE Conf. on Robotics and Automation, Sacramento, 2724-2729.