CN104483664A - 单线阵激光雷达设备中心标定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法。该方法针对激光雷达设备中心高精度标定问题，采用激光雷达三角形反射靶标，通过对激光雷达三角反射靶标多次扫描成像，将激光雷达设备中心定标问题，改化为直线与直线求交问题，从而降低激光雷达设备中心定标与设备工作原理相关性，简化激光雷达设备中心定标流程，从而提高激光雷达设备中心定标与测距评估的精度。

Description

单线阵激光雷达设备中心标定的方法

技术领域

本发明涉及光电子行业激光雷达技术领域，尤其涉及一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法。

背景技术

随着三维激光扫描技术的进一步发展以及逆向工程、机械制造与高分辨率航天航空应用需求的不断增长，对激光雷达扫描设备进行高精度定标、测距精度评价的重要性日益突出。

激光雷达设备高精度定标与测距精度评价首要确认激光雷达设备中心的精确位置。实际应用中，由于激光雷达扫描设备其本身制造工艺，加工装调以及整器(包括激光雷达设备的各个部件)运输震动都会激光雷达设备中心偏离设计位置，而对于高精度三维数据获取相关的应用需求来说，上述设备中心偏差所带来的测距误差是难以接受的。

此外，目前应用于实践的三维激光扫描仪种类很多，按工作原理大致分三类：采用脉冲测距技术的三维激光扫描设备、采用相位干涉扫描系统与采用立体光或结构光的三角法扫描系统，虽然各种成像体制都有相关设备中心的设计参考位置，但难以直接引出，不同工作原理激光雷达设备中心定标方法不同且复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法，以提高标定的精确性和普适性。

(二)技术方案

本发明单线阵激光雷达设备中心标定的方法包括：步骤A：提供正方形靶标，在该正方形靶标的一对角线分布两相同的等腰直角三角形，该两等腰直角三角形分别关于该对角线对称，且直角顶点均位于该对角线上，该两等腰直角三角形内部区域及正方形靶标的两对角线的区域为激光信号反射区域，外部的区域为激光信号吸收区域；步骤B：在正方形靶标上的等腰直角三角形的区域设置四个标记点-A、B、C、D，该四个标记点过同一条直线，且该直线平行于等腰直角三角形的对称线，由两等腰直角三角形的顶点坐标及边长，求取该四个标记点在正方形靶标上的二维坐标的表达式；步骤C：将激光雷达设备放置于转台上；将全站仪放置于激光雷达设备与靶标能同时通视处；求取正方形靶标放置于第一位置时，四个标记点在三维空间的对应点-P_A、P_B、P_C、P_D在全站仪坐标系下的坐标；步骤D：朝向远离激光雷达设备的方向移动正方形靶标至第二位置，求取正方形靶标放置于第二位置时，四个标记点在三维空间的对应点-P_A′、P_B′、P_C′、P_D′在全站仪坐标系下的坐标；步骤E：在全站仪坐标系下，对于四个标记点中的每一个标记点，求取过P_i点与P_i′点的直线P_i，i’的方程，其中，i＝A、B、C、D；以及步骤F：在全站仪坐标系下，求取四条直线-P_A，A′、P_B，B′、P_C，B′、和P_D，D′的交点，该交点即为激光雷达坐标系中心在全站仪坐标系下的坐标值，完成单线阵激光雷达设备中心标定。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明单线阵激光雷达设备中心标定的方法不关注工作机理，仅通过设计的激光反射三角靶标，严格标定激光雷达设备中心，能有效的抑制激光雷达设备生产应用过程中对高精度数据获取与验证的要求。同时，由于目前激光雷达设备多采用线阵接收装置，所以本发明具有很强的普适性。

附图说明

图1为根据本发明实施例单线阵激光雷达设备中心标定的方法的流程图；

图2为图1所示方法所采用的正方形靶标的示意图；

图3为图1所示方法所采用的正方形靶标中四个标记点的示意图；

图4为图1所示方法中正方形靶标在第一位置和第二位置时，四个标记点在三维空间对应点连线的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明针对激光雷达设备中心高精度标定问题，通过对特制反射靶标多次扫描成像，将激光雷达设备中心定标问题，改为直线与直线求交问题，降低了激光雷达设备中心定标与设备工作原理相关性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法。图1为根据本发明实施例单线阵激光雷达设备中心标定的方法的流程图。如图1所示，本实施例单线阵激光雷达设备中心标定的方法包括：

步骤A：提供一边长为A₀的正方形靶标，在该正方形靶标的一对角线分布两相同的等腰直角三角形，该两等腰直角三角形分别关于该对角线对称，且直角顶点均位于该对角线上，该两等腰直角三角形内部区域及正方形靶标的两对角线的区域为激光信号反射区域，外部的区域为激光信号吸收区域；

图2为图1所示方法所采用的正方形靶标的示意图。如图2所示，该靶标整体上呈正方形。该正方形的边长A₀由下式确定：

$A_0=2\mathrm{tg}\left(\frac{1}{2}\mathrm{\θ}\right)*H---\left(1\right)$

其中，θ为激光雷达设备的视场角，H为设定的试验距离。

该正方形靶标上分为黑白两色区域。其中，黑色区域为激光信号吸收区域，在此区域无法获取激光雷达距离信息；白色区域为激光信号反射区，在此区域能很好地得到距离信息。

该正方形靶标的两对角线区域为激光信号反射区域。除此之外，在两对角线其中之一上，分布着相同的两等腰直角三角形。该两等腰直角三角形的区域为激光信号反射区域。

该两等腰直角三角形的顶点在正方形靶标的一对角线上，且两等腰直角三角形分别关于该对角线对称。该等腰直角三角形的直角边的边长l由下式确定：

$l=2\mathrm{tg}\left(\frac{1}{2}\mathrm{\β}\right)*H---\left(2\right)$

其中，β为激光雷达设备的分束角，H为设定的试验距离。

除了两等腰直角三角形内部区域及正方形靶标的两对角线的区域外，正方形靶标的其他区域均为激光信号吸收区域。

需要说明的是，本实施例仅设定了特定的正方形靶标的边长及等腰直角三角形的直角边的边长。本领域技术人员还可以根据需要设定其他值，不影响本发明的实施。

步骤B：在正方形靶标上的等腰直角三角形的区域设置四个标记点-A、B、C、D，该四个标记点过同一条直线，且该直线平行于等腰直角三角形的对称线，由两等腰直角三角形的顶点坐标及边长，求取该四个标记点在正方形靶标上的二维坐标的表达式；

图3为图1所示方法所采用的正方形靶标中四个标记点的示意图。三角反射靶标上等腰直角三角形的直角边的边长设为l，设两个等腰直角三角形的直角顶点分别为(a，a)和(b，b)，其各自斜边的方程分别为：y＝2a+l-x，y＝2b+l-x，则四个标记点A，B，C，D点坐标分别为：(a，y_a)，(x_b，2a+l-x_b)，(b，y_c)，(x_d，2a+l-x_d)。

步骤C：将激光雷达设备放置于转台上；将全站仪放置于激光雷达设备与靶标能同时通视处；求取正方形靶标放置于第一位置时，四个标记点在三维空间的对应点-P_A、P_B、P_C、P_D在全站仪坐标系下的坐标；

其中，正方形靶标放置于第一位置时，标记点A对应于三维空间的P_A点，标记点B对应于三维空间的P_B点；标记点C对应于三维空间的P_C点；标记点D对应于三维空间的P_D点。

该步骤C具体包括：

子步骤C1，由激光雷达对正方形靶标上的四个标记点进行探测，记录该四个标记点与激光雷达的距离值ρ_A，ρ_B，ρ_C，ρ_D；A、B两点之间的长度L_AB和相对于激光雷达中心的分束角θ_AB；及C、D两点之间的长度L_CD和相对于激光雷达中心的分束角θ_CD；

子步骤C2：构建关于四个标记点的四元方程组，计算该四个标记点在正方形靶标上的二维坐标；

该四元方程组的第一个方程为关于A、B两标记点距离的方程：

(x_b-a)²+(2a+l-x_b-y_a)²＝L_AB ²   (3)

其中，L_AB ²＝ρ_A ²+ρ_B ²+2ρ_Aρ_Bcosθ_AB。

该四元方程组的第二个方程为关于C、D两标记点距离的方程：

(x_d-b)²+(2b+l-x_d-y_c)²＝L_CD ²   (4)

其中，L_CD ²＝ρ_C ²+ρ_D ²+2ρ_Cρ_Dcosθ_CD。

该四元方程组的第三个方程为关于A、B、D三标记点共线的方程：

$\frac{x-x_a}{x_c-x_a}=\frac{y-y_a}{y_c-y_a},\frac{x-x_a}{x_d-x_a}=\frac{y-y_a}{y_d-y_a}---\left(5\right)$

该四元方程组的第四个方程为关于B、C、D三标记点共线的方程：

$\frac{x-x_b}{x_c-x_b}=\frac{y-y_b}{y_c-y_b},\frac{x-x_b}{x_d-x_b}=\frac{y-y_b}{y_d-y_b}---\left(6\right)$

对上述四个方程组成的四元方程组，就可以得出该四个标记点在正方形靶标上的二维坐标。

子步骤C3：设过正方形靶标上坐标原点且垂直于正方形靶标平面的矢量为Z轴，该轴以沿靶标面向外为正方向，进而建立靶标三维坐标系，即可得到四个标记点在三维空间的对应点-P_A、P_B、P_C、P_D在三维靶标坐标系下的三维坐标：X_A-靶标、X_B-靶标、X_C-靶标、X_D-靶标，四点的Z值相等且为常量；

子步骤C4：利用全站仪对正方形靶标进行探测，获得全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T；

在本步骤中，利用全站仪对正方形靶标上的两等腰直角三角形的6个顶点中任意4个点进行检测，得到其全站仪坐标系下的坐标值。由该4个特殊点在靶标坐标系下的坐标值以及在全站仪坐标系下的坐标值，经过求解，就可以得到全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T。该旋转矩阵R和平移向量T对正方形靶标上所有的点均适用。

步骤C5：由全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，将四个标记点在三维空间的对应点-P_A、P_B、P_C、P_D在靶标坐标系下的三维坐标-X_A-靶标、X_B-靶标、X_C-靶标、X_D-靶标，转换为在全站仪坐标系下的三维坐标：X_A-全站仪、X_B-全站仪、X_C-全站仪、X_D-全站仪；

X_i-全站仪＝R×X_i-靶标+T   (5)

其中，i＝A、B、C或D。

步骤D：朝向远离激光雷达设备的方向移动正方形靶标至第二位置，求取正方形靶标放置于第二位置时，四个标记点在三维空间的对应点-P_A′、P_B′、P_C′、P_D′在全站仪坐标系下的坐标；

如图4所示，正方形靶标放置于第二位置时，标记点A对应于三维空间的P_A′点，标记点B对应于三维空间的P_B′点；标记点C对应于三维空间的P_C′点；标记点D对应于三维空间的P_D′点。

关于本步骤的求解过程与步骤C一致，此处不再详细说明。

步骤E：在全站仪坐标系下，对于四个标记点中的每一个标记点，求取过P_i点与P_i′点的直线P_i，i′的方程，其中，i＝A、B、C、D；

其中，对于标记点A，过P_A点和P_A′点的直线为P_A，A′。对于标记点B，过P_B点和P_B′点的直线为P_B，B′。对于标记点C，过P_C点和P_C′点的直线为P_C，C′。对于标记点D，过P_D点和P_D’点的直线为P_D，D′。

步骤F：在全站仪坐标系下，求取四条直线-P_A，A’、P_B，B’、P_C，C’、和P_D，D’的交点，如图4中S所示，该交点即为激光雷达坐标系中心在全站仪坐标系下的坐标值。

在求解出激光雷达坐标系中心在全站仪坐标系下的坐标值后，在激光器上设置永久标志，确定其在全站仪坐标下的坐标值，即可得到激光器实际发射中心到此标志的偏移量，至此完成激光雷达设备中心定标。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明单线阵激光雷达设备中心标定的方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明针对激光雷达设备中心高精度标定问题，采用激光雷达三角形反射靶标，通过对激光雷达三角反射靶标多次扫描成像，将激光雷达设备中心定标问题，改化为直线与直线求交问题，从而降低激光雷达设备中心定标与设备工作原理相关性，简化激光雷达设备中心定标流程，从而提高激光雷达设备中心定标与测距评估的精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法，其特征在于，包括：

步骤A：提供正方形靶标，在该正方形靶标的一对角线分布两相同的等腰直角三角形，该两等腰直角三角形分别关于该对角线对称，且直角顶点均位于该对角线上，该两等腰直角三角形内部区域及正方形靶标的两对角线的区域为激光信号反射区域，外部的区域为激光信号吸收区域；

步骤B：在正方形靶标上的等腰直角三角形的区域设置四个标记点-A、B、C、D，该四个标记点过同一条直线，且该直线平行于等腰直角三角形的对称线，由两等腰直角三角形的顶点坐标及边长，求取该四个标记点在正方形靶标上的二维坐标的表达式；

步骤C：将激光雷达设备放置于转台上；将全站仪放置于激光雷达设备与靶标能同时通视处；求取正方形靶标放置于第一位置时，四个标记点在三维空间的对应点-P_A、P_B、P_C、P_D在全站仪坐标系下的坐标；

步骤D：朝向远离激光雷达设备的方向移动正方形靶标至第二位置，求取正方形靶标放置于第二位置时，四个标记点在三维空间的对应点-P_A′、P_B′、P_C′、P_D′在全站仪坐标系下的坐标；

步骤E：在全站仪坐标系下，对于四个标记点中的每一个标记点，求取过P_i点与P_i′点的直线P_i，i′的方程，其中，i＝A、B、C、D；以及

步骤F：在全站仪坐标系下，求取四条直线-P_A，A′、P_B，B′、P_C，C′、和P_D，D′的交点，该交点即为激光雷达坐标系中心在全站仪坐标系下的坐标值，完成单线阵激光雷达设备中心标定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，两个等腰直角三角形的直角顶点分别为(a，a)和(b，b)；

四个标记点A，B，C，D的坐标分别为：(a，y_a)，(x_b，2a+l-x_b)，(b，y_c)，(x_d，2a+l-x_d)，其中，y_a、x_b、y_c、x_d为未知量，l为等腰直角三角形的直角边的边长。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括：

子步骤C1，由激光雷达对正方形靶标上的四个标记点进行探测，记录该四个标记点与激光雷达的距离值ρ_A，ρ_B，ρ_C，ρ_D；A、B两点之间的长度L_AB和相对于激光雷达中心的分束角θ_AB；及C、D两点之间的长度L_CD和相对于激光雷达中心的分束角θ_CD；

子步骤C2：构建关于四个标记点的四元方程组，计算该四个标记点在正方形靶标上的二维坐标；

子步骤C3：设过正方形靶标上坐标原点且垂直于正方形靶标平面的矢量为Z轴，该轴以沿靶标面向外为正方向，建立靶标三维坐标系，得到四个标记点在三维空间的对应点在三维靶标坐标系下的三维坐标；

子步骤C4：利用全站仪对正方形靶标进行探测，获得全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T；以及

步骤C5：由全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，将四个标记点在三维空间的对应点在靶标坐标系下的三维坐标转换为在全站仪坐标系下的三维坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤C2中，所述四元方程组中：

方程一为关于A、B两标记点距离的方程：(x_b-a)²+(2a+l-x_b-y_a)²＝L_AB ²，其中，L_AB ²＝ρ_A ²+ρ_B ²+2ρ_Aρ_Bcosθ_AB；

方程二为关于C、D两标记点距离的方程：(x_d-b)²+(2b+l-x_d-y_c)²＝L_CD ²，其中，L_CD ²＝ρ_C ²+ρ_D ²+2ρ_Cρ_Dcosθ_CD；

方程三为关于A、B、D三标记点共线的方程： $\frac{x-x_a}{x_c-x_a}=\frac{y-y_a}{y_c-y_a},\frac{x-x_a}{x_d-x_a}=\frac{y-y_a}{y_d-y_a};$ 以及

方程四为关于B、C、D三标记点共线的方程： $\frac{x-x_b}{x_c-x_b}=\frac{y-y_b}{y_c-y_b},\frac{x-x_b}{x_d-x_b}=\frac{y-y_b}{y_d-y_b}.$

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤C4具体包括：

利用全站仪对正方形靶标上的两等腰直角三角形的6个顶点中任意4个点进行检测，得到其全站仪坐标系下的坐标值；以及

由该4个特殊点在靶标坐标系下的坐标值以及在全站仪坐标系下的坐标值，经过求解，得到全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤C5中，按照下式求取四个标记点在三维空间的对应点在在全站仪坐标系下的三维坐标：

X_i-全站仪＝R×X_i-靶标+T

其中，i＝A、B、C或D。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A中：

所述正方形靶标的边长A₀为：其中，θ为激光雷达设备的视场角，H为设定的试验距离。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A中：

所述等腰直角三角形的直角边的边长l为：其中，β为激光雷达设备的分束角。