CN103134594A - 一种用于面特征标定算法的热像仪与3d激光雷达温控标定靶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，该标定靶包括标定平面、发热网、支撑架、温度控制器、温度传感器、三脚架、隔热手柄、俯仰转轴、水平转轴和电源线。水平转轴和俯仰转轴用于调整标定靶的姿态；三脚架用于调节标定靶的高度，温度控制器通过控制流过发热网的电流调整发热网的发热功率，从而调节发热网的温度。发热网的十字交叉处为热像仪提供红外特征角点，利用热像仪采集标定靶上的红外特征角点，进而得到热像仪坐标系中的标定面特征值；标定平面为3D激光雷达提供共面点云数据，使其能够得到激光雷达坐标系中的标定平面的面特征；最后通过基于面特征的标定算法完成热像仪与3D激光雷达的标定。

Description

一种用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶

技术领域

本发明涉及一种测量用的标定装置，具体涉及一种用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶。

背景技术

3D激光雷达与热像仪的空间标定是构建低光照条件下的空间组合感知系统的基础。“热像仪—激光雷达”系统的标定采用的算法与“可见光摄像机—激光雷达”系统的标定算法大体一致，主要可以分为三种：基于平面特征的标定、基于轮廓线特征的标定以及基于特征点的标定。目前国内外学者已经在上述三种算法的设计方面取得了很多成果。

由于自然环境中缺乏结构化的、拥有精确尺寸特征的物体，利用自然环境特征进行标定是困难的。因此多数标定算法都需要特制的标定靶来进行配合。目前，“可见光摄像机—激光雷达”系统的标定靶已经比较成熟，例如使用面的法向量特征进行标定的棋盘格标定面靶、使用角点特征进行标定的镂空棋盘格标定靶等。

“热像仪—3D激光雷达”系统与传统的“可见光摄像机—激光雷达”系统对于标定靶的要求非常不同。由于可见光摄像机主要接收可见光，因此在可视情况下皆可进行标定；而热像仪主要接收红外光，对可见光不敏感，因此常规的不发射红外光的标定靶不适用于“热像仪—激光雷达”系统的标定。

目前已知的用于“热像仪—激光雷达”系统的标定靶主要有以下几类：

（1）使用易反射和易吸收红外光的材料在平面上拼成棋盘格形成标定靶。这种方案中，标定靶没有加热装置，其在热像仪中的成像主要依靠两种材料对于红外光的反射程度不同而造成明暗程度的不同，主要适用于基于面特征的标定算法。其缺点是：在红外干扰比较严重的环境下，比如日照下的室外环境，由于自身不能发热，难以被识别，因此不适合室外标定作业。

（2）标定靶使用面状红外热源+有孔遮挡板的形式，该种标定靶适用于基于面特征的标定算法。其缺点是：由数层板压制而成的手持式标定板，一般温度比较低，抗干扰能力比较弱；由于孔的衍射作用，精确度受到一定的影响；能够提供的面比较小，难以为激光雷达的标定提供足够的共面点。

（3）使用镂空板+红外发射源的标定靶，其原理是在一块镂空的板子后面放上一个面状或者点状的红外发射源，主要适用于基于点特征的标定算法。其缺点是：由于与热源的远近不同以及红外线的透射方向问题，造成了每个楼空格的亮度不同，不利于标定；没有实现温控功能；红外光强度较低，不利于室外标定。

将“热像仪—3D激光雷达”系统与传统的“可见光摄像机—激光雷达”系统相比较可以发现，两者对于标定靶的要求非常不同。由于可见光摄像机主要接收可见光，因此在可视情况下皆可进行标定；而热像仪主要接收红外光，对可见光不敏感，因此常规的不发射红外光的标定靶不适用于“热像仪—激光雷达”系统的标定。

同时不同的标定算法对于标定靶有着不同的要求。基于面特征的标定算法多使用标定平面的法向量的对应性来进行标定，因此要求标定靶提供大量位于标定平面的点云数据来得到3D激光雷达坐标系中的标定面特征，同时要求标定靶为热像仪提供足够数量的位于标定平面的红外特征点来得到热像仪坐标系中的标定面特征，最后使用各种基于面特征的标定算法进行标定。由此可知，采用面特征的标定算法进行计算时，要求标定靶能够提供足够数量的位于标定平面的红外特征点和位于标定平面的点云数据。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，该标定靶通过温度可控的发热网为热像仪提供精确的红外特征角点，能够控制热像仪的成像亮度及清晰度，有效排除环境中红外杂波的影响。

本发明的用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，包括：标定平面、发热网、支撑架、底座、温度控制器、三脚架、温度传感器和电源线。

其连接关系为：所述标定平面的中间位置加工有孔，发热网为外部包有耐高温绝缘层的发热线在标定平面中心的孔中绕制而成的网格，保证发热网所在平面与标定平面重合。所述发热网的两接线端分别与固定在三脚架上的温度控制器相连，所述温度控制器能够控制流过发热网的电流；温度传感器固定在发热网上并与发热线紧密接触，温度传感器信号输出端与温度控制器相连。所述标定平面的两个侧边框分别通过水平连接轴与支撑架的两个侧边框连接；支撑架的底部边框通过竖直连接轴与所述三脚架连接；所述电源线与温度控制器连接，外部电源通过电源线为温度控制器供电；所述发热网的十字交叉处为热像仪提供红外特征角点；所述标定平面为3D激光雷达提供共面点云数据。

该标定靶进一步包括俯仰转轴和水平转轴；所述标定平面两个侧边框的中间分别通过俯仰转轴与支撑架的两个侧边框活动连接，标定平面能够绕俯仰转轴的轴线转动；所述支撑架的底部边框通过竖直放置的水平转轴与三脚架相连，所述支撑架能够绕水平转轴的轴线转动；所述三角架三个支撑脚的长度和张开角度均可调。

该标定靶还包括隔热手柄，所述隔热手柄固定在标定平面的顶部边框上。

所述标定平面为耐热坚硬材料制成。有益效果：

1、本发明通过温度可控的发热网为热像仪提供红外角特征点，通过温度传感器和温度控制器控制发热网温度，使发热网在热像仪图像中清晰度高，可调节亮度，适合红外干扰比较严重的环境。

2、本发明通过标定平面为激光雷达提供大量共面的点云数据，从而进一步得到标定平面准确的面特征值，适用于所有基于面特征的3D激光雷达与热像仪的标定算法。

3、本发明提供的温控标定靶，高度、姿态均可调，且结构简单紧凑，使用方便，易于拆卸及运输。

附图说明

图1是本发明整体效果图；

图2为发热网上特征点效果图。

其中，1-标定平面，2-俯仰转轴、3-隔热手柄、4-发热网、5-水平转轴、6-三脚架、7-支撑架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，包括发热网4、标定平面1、隔热手柄3、支撑架7、俯仰转轴2、水平转轴5、三角架6、温度控制器、温度传感器和电源线。

其中，标定平面1为耐热坚硬材料制成，标定平面1用于为3D激光雷达提供共面的激光点云数据。标定平面1的中部有方形的孔，发热网4为一条完整的外部包有耐高温绝缘层的发热线在标定平面1的方形孔中绕制而成的网格，应保证发热网4所在平面与标定平面1重合。标定平面1上的方形孔为发热网4提供高强度的支撑，保证发热网4所处平面与标定平面重合，同时也保证发热网4的尺寸精度。当有电流通过发热网4时，发热网4会发出焦耳热，从而提高自身的温度。发热网4的两个接线端均与固定在三角架6上的温度控制器连接，温度控制器能够调节流过发热网4的电流大小。温度传感器捆绑在发热网4上，并与发热网4紧密接触，温度传感器的信号输出端与温度控制器相连，用于将发热网4的当前温度反馈给温度控制器。所述支撑架7为上端开口的框架结构，标定平面1两个侧边框的中部分别通过俯仰转轴2与支撑架7两个侧边框的上端活动连接，标定平面1能够绕俯仰转轴2的轴线转动，从而调整标定平面1的俯仰姿态。支撑架7的底部边框通过竖直放置的水平转轴5与三角架6的连接座相连，所述支撑架7能够绕水平转轴5的轴线转动，从而调整标定平面1的水平姿态。三角架6能够通过调整其三个支撑脚的长度和张开角度来调整标定靶的高度。隔热手柄3安装在标定平面1的顶部框架上，用于保护使用者不被烫伤。电源线连接在温度控制器上，通过电源线与外部电源连接，为标定靶提供能源。

该装置的工作原理为：

使用该标定靶前，通过水平转轴5和俯仰转轴2调整标定靶的姿态和朝向，通过三角架6调节标定靶的高度。调整至合适位置后，接通电源，设定温度控制器的目标温度。温度控制器7接收温度传感器返回的发热网4的当前温度，并将其与设定目标温度进行比较，之后通过控制流过发热网4的电流大小来调整发热网4的发热功率，从而调节发热网4的温度，使发热网4的温度稳定在设定的目标温度附近。采用该标定靶进行标定时，发热网4网格的十字交叉处（如图2中的点A）为热像仪提供足够的红外特征点。根据这些特征点能够计算出热像仪坐标系中标定平面的面特征，同时标定平面1为3D激光雷达提供足够的共面点云数据，使其能够得到激光雷达坐标系中的标定平面的面特征，最后通过基于面特征的标定算法在完成热像仪与3D激光雷达的标定。

本发明适用于各种基于面特征的3D激光雷达与热像仪的标定算法，也适用于各种基于面特征的3D激光雷达与可见光摄像机的标定算法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，其特征在于，包括：标定平面（1）、发热网（4）、支撑架（7）、底座（6）、温度控制器、三脚架（6）、温度传感器和电源线；

其连接关系为：所述标定平面（1）的中间位置加工有孔，发热网（4）为外部包有耐高温绝缘层的发热线在标定平面（1）中心的孔中绕制而成的网格，保证发热网（4）所在平面与标定平面（1）重合；所述发热网（4）的两接线端分别与固定在三脚架（6）上的温度控制器相连，所述温度控制器能够控制流过发热网（4）的电流；温度传感器固定在发热网（4）上并与发热线紧密接触，温度传感器信号输出端与温度控制器相连；所述标定平面（1）的两个侧边框分别通过水平连接轴与支撑架（2）的两个侧边框连接；支撑架（2）的底部边框通过竖直连接轴与所述三脚架（6）连接；所述电源线与温度控制器连接，外部电源通过电源线为温度控制器供电；所述发热网（4）的十字交叉处为热像仪提供红外特征角点；所述标定平面（1）为3D激光雷达提供共面点云数据。

2.如权利要求1所述的用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，其特征在于，进一步包括俯仰转轴（2）和水平转轴（5）；所述标定平面（1）两个侧边框的中间分别通过俯仰转轴（2）与支撑架（7）的两个侧边框活动连接，标定平面（1）能够绕俯仰转轴（2）的轴线转动；所述支撑架（7）的底部边框通过竖直放置的水平转轴（5）与三脚架（6）相连，所述支撑架（7）能够绕水平转轴（5）的轴线转动；所述三角架（6）三个支撑脚的长度和张开角度均可调。

3.如权利要求1所述的用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，其特征在于，还包括隔热手柄（3），所述隔热手柄（3）固定在标定平面（1）的顶部边框上。

4.如权利要求1所述的用于面特征标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶，其特征在于，所述标定平面（1）为耐热坚硬材料制成。

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