CN105717498B - 激光测距仪俯仰角测量与校正系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光测距仪俯仰角测量与校正系统及方法，所述系统包括第一标定固件、第二标定固件、数据处理单元、激光测距单元、载体装置和控制单元；第一标定固件用于固定载体装置的位置；第二标定固件用于使激光测距单元发出的激光产生反射；数据处理单元用于处理并计算激光测距单元传回的激光扫描点数据；激光测距单元用于发射并接收激光；控制单元用于控制激光测距单元的激光的发射与接收。系统的外部组件仅包括第一标定固件和第二标定固件，系统的制作和操作十分简单，应用本系统测量激光测距仪的俯仰角，通过标准统计学方法分析测量结果，具有成本低、操作简单、精度满足实用要求等优点。

Description

激光测距仪俯仰角测量与校正系统及方法
技术领域
本发明涉及一种激光测距仪俯仰角测量与校正系统。
背景技术
随着计算机和机器人技术的发展，移动机器人得到了快速发展和广泛应用，几乎渗透到了社会生活的各个领域。激光测距仪具有测距快、体积小、性能可靠等优点。近年来，随着其成本不断下调，被越来越广泛的应用于移动机器人的定位与导航。
在使用之前，激光测距仪需要与车体坐标进行标定，以便更好的用于定位导航。在具体使用过程中，需要使激光测距仪保持水平；需要测量激光测距仪的偏角；需要测量激光测距仪在车体坐标系中的位置，以便与其它传感器如摄像头、里程计等进行信息融合，如安装激光测距仪时，激光测距仪存在俯仰角与偏转角，会导致测量结果不准确，从而导致定位信息不准确。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种激光测距仪俯仰角测量与校正系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种激光测距仪俯仰角测量与校正系统，包括第一标定固件、第二标定固件、数据处理单元、激光测距单元、载体装置和控制单元；
所述第一标定固件用于固定载体装置的位置；
所述第二标定固件用于使激光测距单元发出的激光产生反射，包括第一标定板与第二标定板，所述第一标定板与第二标定板处于不同高度，且前后相距d0平行放置，d0＞0；
所述数据处理单元用于处理并计算激光测距单元传回的激光扫描点数据；
所述激光测距单元用于发射并接收激光；
所述载体装置作为安装激光测距单元、控制单元和数据处理单元的载体；
所述控制单元用于控制激光测距单元的激光的发射与接收，并将激光测距单元传出的数据传递给数据处理单元进行数据的计算。
进一步地，所述第一标定固件为一平行第二标定固件的载体装置卡槽。
进一步地，所述第一标定板和第二标定板距离平面的高度可调。
一种激光测距仪俯仰角测量与校正的方法，包括以下步骤：
步骤S1，固定安装有激光测距单元的载体装置；
步骤S2，获取至少一次激光测距单元与第二标定固件的距离；
步骤S3，对比标准距离，判断俯仰角偏差是否符合标准；
步骤S4，调整激光测距单元校正俯仰角。
进一步地，所述激光测距单元安装距离符合l为第二标定板的宽度，d为激光测距单元距离第二标定固件中第二标定板的距离，θ0为俯仰角偏差。
进一步地，所述步骤S2中，所述距离通过直线检测模块拟合激光测距单元与第二标定固件之间激光扫描点形成的直线获取。
进一步地，所述拟合采用最小标准二乘算法，所述距离近似等于其中，xi、yi为激光测距单元坐标系下激光扫描点的坐标，m为激光扫描点个数。
进一步地，通过残差与设定阈值比较，判断是否存在直线。
进一步地，所述残差大小为 Eth为设定阈值；
本发明的有益效果是：本发明系统的外部组件仅仅包括第一标定固件和第二标定固件，而载体装置、激光测距单元、数据处理单元、控制单元是产品本身固有的装置，因此本系统的制作和操作都十分简单，应用本系统测量激光测距仪的俯仰角，通过标准统计学方法分析测量结果，具有成本低、操作简单、精度满足实用要求等优点。
附图说明
图1为本发明激光测距仪俯仰角测量与校正系统结构框图；
图2为第一标定固件的结构图，(a)为两个标定板正视图，(b)为两个标定板侧视图；
图3为本发明激光测距仪俯仰角测量与校正方法原理；
图中，第一标定固件1、第二标定固件2、第一标定板21、第二标定板22、数据处理单元3、激光测距单元4、载体装置5、控制单元6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
激光测距仪俯仰角测量与校正系统用以校正安装有激光传感器的任何智能运动系统中激光传感器的位置是否与预期一致，图1根据本发明的原理构造的系统示意图，包括第一标定固件1、第二标定固件2、激光测距单元4、控制单元6、载体装置5和数据处理单元3；
所述载体装置5作为安装激光测距单元4、控制单元6和数据处理单元3的载体，可在控制单元6作用下在一平面内自由移动；
所述数据处理单元3用于处理并计算激光测距单元4传回的激光扫描点数据；
所述控制装置6用于控制激光测距单元4的激光的发射与接收，并将激光测距单元4传出的数据传递给数据处理单元3进行数据的计算；
所述第一标定固件1用于固定载体装置5，使载体装置5上安装的激光测距单元4正对第二标定固件2，具体实施例中，第一标定固件1为一平行第二标定固件2设置的载体装置卡槽；
如图2所示，所述第二标定固件2包括第一标定板21和第二标定板22，用于反射激光；所述第一标定板21和第二标定板22距离平面的高度可调，第一标定板21与第二标定板22前后相距d0平行放置，第一标定板21与第二标定板22的距离平面的高度h2、h1，且从平面视图方向，第一标定板21与第二标定板22之间没有缝隙，激光测距单元4对准第二标定板22中点，此处平行和垂直不需要特别精确，肉眼判断即可。
激光测距单元4发射并接收反射的激光，其安装在载体装置5高度与第二标定板22中线等高位置，激光发射端面向第二标定固件2，即本发明需要测定其俯仰角；
本发明提供的激光测距单元俯仰角角度测量与校正方法，包括以下步骤：
步骤S1：固定安装有激光测距单元4的载体装置5
所述载体装置5通过于第一标定固件1的卡槽固定，激光测距单元4发射激光的面朝向第二标定固件2，此时激光测距单元4可能与预期水平；
进一步地，激光测距单元4安装时可接受的俯仰角偏差范围为±θ0，则激光测距单元4与第二标定固件2中第二标定板22的距离需满足如下约束：
其中，l为第二标定板22的标准宽度，d为激光测距单元4距离第二标定固件2中第二标定板22的距离，如图2、图3所示，通常根据实际应用需要，取值如下，θ0＝0.3度，d＝5米，d0＝0.2米。
步骤S2：获取至少一次激光测距单元4与第二标定固件2的距离；
具体地，所述距离通过数据处理单元3对激光测距单元4传回的激光扫描点相关数据计算获得；
所述激光测距单元4发射出的激光经被第二标定固件2反射后被激光测距单元4接收，激光测距单元4记录激光往返的时间，时间的一半与光速的乘积即为激光测距单元4与第二标定固件2之间的距离。
另一种实施方式为，激光测距单元4记录激光测距单元4与第二标定固件2之间激光扫描点坐标，数据处理单元3内包括直线检测模块，通过直线检测模块拟合激光测距单元4与第二标定固件2之间激光扫描点形成的直线获取距离，拟合采用标准最小二乘算法，即：
直线参数通过以下公式获得：
其中，xi、yi为激光测距单元4坐标系下激光扫描点的坐标；m为激光扫描点个数。
通过残差与设定阈值相比较，判断是否存在直线，其中，所述残差大小为 Eth为设定阈值；
当时，直线存在；第二标定固件2与激光测距单元4的距离近似用直线参数代替，具体实施时，激光扫描点大约有20个，即m＝20。
步骤S3：对比标准距离，判断俯仰角偏差是否符合标准
具体地，如图3所示，标准距离为d，当直线检测模块检测到距离为d时，俯仰角偏差θ0符合要求；当检测到距离为d-d0或d+d0的直线或当没有检测到直线或检测到其它距离的直线时，俯仰角偏差θ0均不符合要求。
步骤S4：调整激光测距单元4校正俯仰角。
具体地，通过增加或减少激光测距单元4下的垫片，使俯仰角偏差θ0符合要求。

Claims (9)

1.一种激光测距仪俯仰角测量与校正系统，其特征在于，包括第一标定固件、第二标定固件、数据处理单元、激光测距单元、载体装置和控制单元；
所述第一标定固件用于固定载体装置的位置；
所述第二标定固件用于使激光测距单元发出的激光产生反射，包括第一标定板与第二标定板，所述第一标定板与第二标定板处于不同高度，且前后相距d0平行放置，d0＞0；
所述数据处理单元用于处理并计算激光测距单元传回的激光扫描点数据；
所述激光测距单元用于发射并接收激光；
所述载体装置作为安装激光测距单元、控制单元和数据处理单元的载体；
所述控制单元用于控制激光测距单元的激光的发射与接收，并将激光测距单元传出的数据传递给数据处理单元进行数据的计算。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一标定固件为一平行第二标定固件的载体装置卡槽。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一标定板和第二标定板距离工作平面的高度可调。
4.一种利用权利要求1所述系统进行激光测距仪俯仰角测量与校正的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，固定安装有激光测距单元的载体装置；
步骤S2，获取至少一次激光测距单元与第二标定固件的距离；
步骤S3，对比标准距离，判断俯仰角偏差是否符合标准；
步骤S4，调整激光测距单元校正俯仰角。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光测距单元安装距离符合l为第二标定板的宽度，d为激光测距单元距离第二标定固件中第二标定板的距离，θ0为俯仰角偏差。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述距离通过直线检测模块拟合激光测距单元与第二标定固件之间激光扫描点形成的直线获取。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述拟合采用最小标准二乘算法，所述距离近似等于其中，xi、yi为激光测距单元坐标系下激光扫描点的坐标，m为激光扫描点个数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过残差与设定阈值比较，判断是否存在直线。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述残差大小为 Eth为设定阈值；
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