データの LiDARデータをジオリファレンスして点群を作成する際、各フレームは正確なナビゲーションデータとペアになっていなければなりません。LiDARデバイスとINSの間の相対的な変位と方向を知る必要があります。 ナビゲーションデバイス（INSとの間の相対的な変位と姿勢を知る必要があります。これらの角度を正確に測定できなければ、最適な性能を発揮することは困難です。このプロセスは難しいものです。しかし、最高のデータを得るために必要なレベルの精度で、INSに対するLiDARの位置と向きを確認するための、迅速かつ効率的なデータ駆動方法があります。ここでは、INSとLiDARのキャリブレーションの難問を解決する方法をご紹介します。....with data.
LiDARとINSのキャリブレーションの重要性
LiDARは通常、1フレームあたり数センチの範囲精度を誇る高精度なものです。しかし、地理参照された点群でこのような精度を得ることははるかに困難です。非常に正確なナビゲーションデータが必要となります。どの程度の精度が必要かは、小さな角度の近似値を取り、範囲に角度の誤差を掛けて、見ている物体の位置の誤差を得ることで簡単に知ることができます。50mの距離では、1軸でわずか0.1°の方位誤差があれば、約9cmの誤差が生じます（0.09 = 50 x 0.1° x 2π/360）。
つまり、レンジは誤差を乗じているため、方位誤差の影響を強く受けていることがわかります。したがって、INSとLiDARのキャリブレーションは可能な限り正確に行う必要があります。
INS機器は、通常、方位に0.1°の誤差がある状態で航法データを出力します。
ポイントクラウドで正確なデータを得るためには、ナビゲーションデータが明らかに制限要因となります。しかし、さらに複雑な問題があります。LiDARとナビゲーションデータを組み合わせる場合、デバイス間の関係が必要になります。点群の中の点の位置を計算する測量士は、次のような式を使います。
世界におけるナビゲーションデバイスの位置と向き＋ナビゲーションデバイスに対するLiDARデバイスの関係＋LiDARデバイスに対するポイントの位置。
デバイス間の関係には回転が含まれています。これにより、方位の不確実性が追加されます。この不確実性は、方位やピッチ/ロールの精度と同じレベルにする必要があり、そうしないとポイントクラウドの精度の新たなボトルネックになってしまいます。
これは、単にLiDARだけでなく、別のナビゲーションデバイスを使用し、遠くから対象物を見ているすべての測量機器に適用されます。
この角度を同じ精度で測定できるかどうかが、点群の最終的な精度に大きく影響します。
この画像は、LiDARセンサーに対するINSの位置を示すハードウェア図の例です。この画像は、当社のLiDARジオリファレンス・ソフトウェアであるOxTS Georeferencer から取得したものです。
ボアサイト校正
INSに対するLiDARの回転を0.1°単位で測定することは容易ではありません。CADで印刷された取り付け方法を設計・構築するのは、費用と時間がかかり、柔軟性に欠ける解決策となります。INSに対するLiDARの回転を校正する最も効率的な方法は、データ駆動型の方法で、地理参照データと最適な点群を得るための回転を計算するアルゴリズムを使用することです。
OxTS は、いくつかの校正対象の短時間の調査を個別に（または長時間の調査の一部として）実施する方法を開発しました。この方法は、地理参照データの精度に合わせて、後処理で回転を校正するために使用されます。
方法は簡単で、2つの平らで四角い反射ターゲットを設定します。そして、LiDARを搭載した車両を操縦して、ターゲットの適切な画像が地理的に確認できるまで、3～10分かけてターゲットを調査します。ターゲットは、木製の板に反射テープを貼っただけの簡単なものでよい。
OxTS Georeferencer
OxTS Georeferencer ソフトウェアは、ジオリファレンスされたデータからターゲットに属する反射点を検索し、アルゴリズムを使ってターゲットができるだけ平らになるような回転を計算します。
必要なのは、機器同士が相対的に動かないようにするための取り付けだけです。ハードウェアのセットアップに変更がない場合は、キャリブレーションを繰り返す必要はありません。
"エンジニアとして、INSとLiDARの間の角度を10分の1度以上正確に測定できるシンプルなツールを知りません。OxTS は、LiDAR測量のために既に存在するツールを使用することで、この問題をエレガントに解決しました。2つの反射ターゲット（安価で簡単に作れる）の間で10分間のデータ収集を行うことは、最も難しい部分です。ドキュメント化されたOxTS ガイドがあれば、次のステップはOxTS Georeferencer で収集したデータファイルを選択し、「Run Boresight Calibration」ボタンを押すだけの簡単なものです。本当に簡単で、計算された角度を指定した後、点群の精度が大幅に改善され、人間の目で見てもわかるほどになりました。
Skycorp Oü社システムインテグレーションスペシャリスト、アンドリ・カロ氏
結論として
校正されていないセットアップは、地理参照された点群の不正確さの原因となります。非常に高い方位精度のナビゲーションデータだけでなく、LiDARとINSの間の回転を1度単位で把握する必要があります。これを実現するのは非常に難しいことです。ハードウェアのセットアップを較正する最も効果的で効率的な方法は、データドリブンな方法で地理参照されたLiDARデータそのものを使用することです。反射するターゲットを短時間で調査することで、数分でセットアップをキャリブレーションし、高精度の測量を行うことができます。
ジェイコブ・アマッカー
プロダクトエンジニア。OxTS
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