一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境感知技術(shù)領域，具體的說是一種提高三維激光測距系統(tǒng)采集全景 數(shù)據(jù)精度的方法和裝置，尤其涉及一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光傳感器屬于主動傳感器，抗干擾能力強，可以提供準確的深度信息，能詳細描 述環(huán)境幾何特征，直接快速獲取環(huán)境的三維模型，因此在三維環(huán)境感知中占據(jù)主導地位，在 包括復雜地形機器人導航、工程測量等領域具有較大應用價值。目前，世界上有多家銷售三 維激光檢測系統(tǒng)的制造廠商，如：奧地利Riegl、瑞士Leica、日本Topcon、美國Faro等，這 些傳感器價格昂貴，并且往往結(jié)構(gòu)復雜，不利于維護與檢修。
[0003] 為了降低成本，多數(shù)的三維激光傳感器是在二維激光的基礎上添加一 維旋轉(zhuǎn)，從而獲得三維激光數(shù)據(jù)（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,Anthony MandowjAlejandroPequeno-Botert,andAlfonsoGarcla-Cerezoj^Designand DevelopmentofaFastandPreciseLow-Cost3DLaserRangefinder^,inProceedings ofthe2011IEEEInternationalConferenceonMechatronics, 2011) 〇 由于在安裝二 維激光傳感器的時候，無法避免角度和位置上的偏差，所以為了獲取準確的三維激光數(shù)據(jù)， 在使用這種三維激光傳感器之前，需要對傳感器自身參數(shù)進行標定。
[0004] 文獻（余祖俊，楊婭楠，朱力強，〃三維激光掃描測量系統(tǒng)標定方法研究〃，電子 測量與儀器學報，21 (6)，31-35, 2007)中的標定對象由一個LMS200二維激光傳感器以及一 個平移裝置組成，利用兩種標定模板實現(xiàn)三維激光傳感器坐標系與外界測量基準坐標之間 的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，該參數(shù)并不能矯正由于安裝問題所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。
[0005] 文獻（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,AnthonyMandow，Antonio J.Reina,AlejandroPequeno-BoterandAlfonsoGarcla-Cerezo,^Boresight CalibrationofConstructionMisalignmentsfor3DScannersBuiltwitha2DLaser RangefinderRotatingonItsOpticalCenter",Sensors, 14(11)，20025-20040,2014.) 利用Nelder-Mead方法對平面數(shù)據(jù)進行平整度和面積最大優(yōu)化處理，標定二維激光傳感器 相對于三維數(shù)據(jù)坐標系的兩個旋轉(zhuǎn)角度，雖然可以獲得比較準確的三維數(shù)據(jù)，但是由于忽 略了部分三維激光內(nèi)部參數(shù)，當存在安裝誤差的時候，仍然會引入一定的數(shù)據(jù)誤差。同樣， 文獻（谷曉杰，卜春光，陳成，周浚哲，〃三維激光測距系統(tǒng)設計與標定方法研究〃，沈陽 理工大學學報，33 (5)，10-14, 47, 2014)只考慮了三維激光傳感器的部分內(nèi)部參數(shù)，不能作 為通用的方法對各種三維激光傳感器進行標定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明要解決的問題是提出一種全景三維激光 傳感器數(shù)據(jù)校準方法和裝置。
[0007] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準 裝置包括三維激光傳感器和標定裝置；所述三維激光傳感器包括旋轉(zhuǎn)云臺以及設置于旋轉(zhuǎn) 云臺上的二維激光傳感器；所述標定裝置位于三維激光傳感器前方的設定距離內(nèi)。
[0008] 所述標定裝置為相紙，相紙表面噴繪有nXm個相互交替的正方形黑格和白格；每 個黑格和白格的正中心有鏤空。
[0009] 所述鏤空的形狀為圓形。
[0010] 一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準方法，包括以下步驟：
[0011] 1)將二維激光傳感器的掃描數(shù)據(jù)按^軸的正負平均分為兩個部分，構(gòu)成激光的掃 描平面；當旋轉(zhuǎn)云臺帶動二維激光傳感器旋轉(zhuǎn)360度時，^軸的正負兩部分激光數(shù)據(jù)組成 兩個空間三維點云數(shù)據(jù)；
[0012] 2)從兩個空間三維點云數(shù)據(jù)中提取標定所需的激光數(shù)據(jù)特征點；
[0013] 3)對兩個空間三維點云數(shù)據(jù)中激光點的距離進行優(yōu)化得到標定參數(shù)。
[0014] 所述兩個部分的掃描角度相等，且大于等于90度。
[0015] 所述從兩個空間三維點云數(shù)據(jù)中提取標定所需的激光數(shù)據(jù)特征點，包括以下步 驟：
[0016] 2-1)根據(jù)標定裝置與二維激光傳感器之間的距離，以及兩個空間三維點數(shù)據(jù)與激 光掃描序列索引值之間的映射關系，得到標定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)；
[0017] 2-2)根據(jù)標定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)得到標定裝置的平面；
[0018] 2-3)根據(jù)平面對標定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行二值化；
[0019] 2-4)對二值化后的數(shù)據(jù)提取標定裝置上的角點。
[0020] 所述根據(jù)平面對標定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行二值化，包括以下步驟：
[0021] 根據(jù)標定裝置的平面以及二維激光傳感器到標定裝置的平面的距離d對區(qū)域內(nèi) 的數(shù)據(jù)進行二值化處理：
[0023] 其中，區(qū)域內(nèi)i點二值化后的取值，I為經(jīng)驗距離閾值。
[0024] 所述對二值化后的數(shù)據(jù)提取標定裝置上的角點，包括以下步驟：
[0025] 標定裝置上鏤空區(qū)域的數(shù)據(jù)為0,其他區(qū)域數(shù)據(jù)為255,按列統(tǒng)計0和255的點數(shù) 分布直方圖，按行統(tǒng)計得到列坐標
[0027]其中，i，j分別表示行列下標；函數(shù)1(0為0-1函數(shù)，如果括號內(nèi)條件為真則值 為1，否則為〇 ;median()為中值選擇函數(shù)，Iu表示二值化取值；
[0028] 根據(jù)每列的列坐標確定鏤空中心坐標，并得到每四個相鄰的黑格和白格的交點坐 標作為角點坐標。
[0029] 所述對兩個空間三維點云數(shù)據(jù)中激光點的距離進行優(yōu)化得到標定參數(shù)，包括以下 步驟：
[0033] a、0、y為二維激光坐標系與三維激光坐標系之間繞軸，yt軸，zt軸旋轉(zhuǎn)的誤 差角度。
[0034] 所述迭代優(yōu)化算法為最小二乘法或牛頓下降法。
[0035] 本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點：
[0036] 1.本發(fā)明僅以三維激光傳感器作為測量裝置，以從環(huán)境中選定的特征為計算依 據(jù)，實現(xiàn)對全景三維激光數(shù)據(jù)的校準。
[0037] 2.本發(fā)明解決了全景三維激光傳感器內(nèi)部參數(shù)標定問題，僅通過一次數(shù)據(jù)采集就 可以方便的實現(xiàn)多個特征點自動提取。
[0038] 3.本發(fā)明解決了手動點選匹配對所引入的人為誤差不可控和時間開銷大問題，充 分考慮影響數(shù)據(jù)精度的可能因素，提高傳感器標定精度，并提升了標定方法的通用性。
[0039] 4.本發(fā)明為全景三維激光傳感器標定奠定基礎，可用在復雜地形機器人導航、工 程測量等領域。
[0040] 5.本發(fā)明所提出的校準方法全面考慮可能存在的二維激光坐標系與三維激光坐 標系之間的位置和旋轉(zhuǎn)誤差，提升了方法的通用性。
[0041]6.本發(fā)明所采用的標定裝置便于制作，攜帶方便，可重復使用。
【附圖說明】
[0042] 圖1為全景三維激光傳感器模型示意圖；
[0043] 圖2為三維激光傳感器3個角度誤差示意圖一；
[0044] 圖3為三維激光傳感器3個角度誤差示意圖二；
[0045] 圖4為三維激光傳感器3個角度誤差示意圖三；
[0046] 圖5為標定裝置示意圖；
[0047] 圖6為標定裝置角點提取示意圖；
[0048] 圖7為三維激光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049] 圖8為全景三維激光傳感器；
[0050] 圖9為矯正前室內(nèi)全景三維激光點云數(shù)據(jù)實驗結(jié)果圖；
[0051] 圖10為矯正后的點云數(shù)據(jù)實驗結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0052] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0053] 本發(fā)明最大的創(chuàng)新點在于全面考慮在安裝過程中可能存在的角度和位置誤差，適 用于多種全景三維激光傳感器參數(shù)標定。為此本發(fā)明將二維激光坐標系和三維激光坐標系 之間的三個角度參數(shù)和一個偏轉(zhuǎn)心距離參數(shù)作為待標定參數(shù)，經(jīng)過平面擬合、激光數(shù)據(jù)二 值化、角點提取處理，從采集的兩部分三維激光數(shù)據(jù)中分別提取出屬于標定裝置的特征點， 采用迭代優(yōu)化方法對待標定參數(shù)進行求解，從而得到二維激光坐標系和三維激光坐標系之 間的角度和位置參數(shù)。
[0054] 本發(fā)明方法以二維激光坐標系與三維激光坐標系之間的3個角度參數(shù)和1個位置 參數(shù)作為待標定參數(shù)，利用兩部分激光數(shù)據(jù)中標定裝置上的角點不能重合的現(xiàn)象，采用迭 代優(yōu)化方法對標定參數(shù)進行求解，該標定參數(shù)可以滿足多種全景三維激光傳感器的數(shù)據(jù)矯 正需求。具體步驟如下：
[0055]a)將標定裝置放在實驗區(qū)域內(nèi)，標定裝置與三維激光傳感器之間距離的合適范圍 為2m_10m之間；
[0056]b)將SICKLMS200激光傳感器的掃描數(shù)據(jù)按^的正負平均分為兩個部分，每部分 掃描角度為90度，當旋轉(zhuǎn)云臺帶動LMS200激光旋轉(zhuǎn)360度的時候，正負兩部分激光數(shù)據(jù)正 好組成兩個空間三維點云數(shù)據(jù)；
[0057]c)根據(jù)標定裝置的擺放位置，篩選出標定裝置區(qū)域的數(shù)據(jù)，并進行平面擬合，依據(jù) 標定裝置區(qū)域激光點數(shù)據(jù)到所擬合平面的距離值d來對區(qū)域數(shù)據(jù)進行二值化處理
[0059]其中1$區(qū)域內(nèi)i點二值化后的取值，。為經(jīng)驗距離閾值，二值化后，鏤空圓孔區(qū) 域的數(shù)據(jù)為〇,其他區(qū)域數(shù)據(jù)為255,按列統(tǒng)計0和255的點數(shù)分布直方圖，按行統(tǒng)計得到列 坐標
[0061]其中i，j分別表示行列下標，函數(shù)1 (?)為0-1函數(shù)，如果括號內(nèi)條件為真則值為 1，否則為〇，median〇為中值選擇函數(shù)，^表示二值化取值，從而確定了鏤空中心坐標，并 可進一步根據(jù)四鄰域關系確定黑白格角點坐標；
[0062]d)兩部分三維激光點云中對應角點