CN105717499A - 激光测距仪偏转角测量与校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测距仪偏转角测量与校正系统及方法，该系统包括载体装置、数据处理单元、控制单元、激光测距单元、标定板和位置固定标件；本发明系统的外部组件仅仅包括一标定板，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偏转角是否符合要求可在确定俯仰角为0后进行，简化了偏转角的计算，更是简单方便益于掌握，多次测量结果准确性高，具有成本低、操作简单、精度满足实用要求等优点。

Description

激光测距仪偏转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偏转角测量与校正系统及方法。

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在技术的不足，提供一种激光测距仪偏转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：一种激光测距仪偏转角测量与校正系统，其特征在于，包括载体装置、数据处理单元、控制单元、激光测距单元、标定板和位置固定标件；

所述载体装置作为安装激光测距单元、控制单元、数据处理单元的载体；

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；

所述激光测距单元用于发射并接收反射的激光，产生各激光扫描点的数据；

所述标定板用于反射激光，使激光束在标定板形成反射；

所述位置固定标件用于固定载体装置，使载体装置上安装的激光测距单元正对标定板。

进一步地，所述标定板高度可调，用于适应激光测距单元的高度。

进一步地，所述位置固定标件为一平行标定板设置的卡槽，载体装置安装在卡槽上。

一种激光测距仪偏转角测量与校正方法，该方法基于上述的测量系统，根据同一竖直平面内激光扫描点在载体装置坐标系下坐标的几何关系，获取偏转角。

进一步地，所述竖直平面为标定板所在平面，所述几何关系为标定板上的各激光扫描点在载体装置坐标系下坐标到载体装置中心所在平面的距离相同。

进一步地，所述激光扫描点在载体装置坐标系下坐标通过将激光测距单元坐标系下激光扫描点的坐标转换为载体装置坐标系下坐标获得，激光测距单元坐标系下的坐标为P^L＝(x^L，y^L，z^L)^T，载体装置坐标系下的坐标为P^V＝(x^V，y^V，z^V)^T，激光测距单元坐标系下的坐标和载体装置坐标系下的坐标之间的转换关系为P^V＝R_L-＞VP^L+T_L-＞V，其中，T_L-＞V为激光测距单元相对载体装置坐标原点的偏移，R_L-＞V为旋转矩阵。

进一步地，确定俯仰角为0后，所述 $R_{L->V}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ \sin \mathrm{\ψ}& cos\mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right),$ 通过求解最优化函数获得偏转角，其中ψ为激光测距单元绕激光测距单元坐标系下z轴旋转的偏转角，参数d_y为激光测距单元相对载体装置坐标原点y轴上的偏移，V_y为载体装置坐标系下竖直平面到载体装置坐标系原点的距离，x_i、y_i为激光测距单元坐标系下激光扫描点的坐标。

进一步地，所述俯仰角的测量与校正方法包括如下步骤：

步骤S1，安装俯仰角测量与校正系统，在权利要求1所述的标定板前d₀位置平行设置俯仰角标定板，标定板与俯仰角标定板距离工作平面的高度不同；

步骤S2，获取至少一次激光测距单元与标定板、俯仰角标定板的距离；

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，所述步骤S2中，所述距离通过拟合激光测距单元与标定板、俯仰角标定板之间激光扫描点形成的直线获取，所述拟合采用标准最小二乘算法。

进一步地，通过残差与阈值比较，判断所述直线是否存在，所述残差大小为 E_th为设定阈值，参数x_i、y_i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。

本发明的有益效果是：本发明系统的外部组件仅仅包括一标定板，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偏转角是否符合要求可在确定俯仰角为0后进行，简化了偏转角的计算，更是简单方便益于掌握，多次测量结果准确性高，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偏转角测量与校正系统结构框图；

图2为本发明激光测距仪偏转角测量与校正方法原理图；

图3(a)为两个标定板正视图，(b)为两个标定板侧视图；

图4为俯仰角测量与校正方法原理图；

图中，位置固定标件1、标定板2、数据处理单元3、激光测距单元4、载体装置5、控制单元6、俯仰角标定板21。

具体实施方式

激光测距仪偏转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，包括载体装置5、数据处理单元3、控制单元6、激光测距单元4、标定板2和位置固定标件1。

所述载体装置5作为安装激光测距单元4、控制单元6、数据处理单元4等的载体，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；

所述控制单元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；

所述激光测距单元4用于发射并接收反射的激光，产生各激光扫描点的数据。

所述标定板2用于反射激光，其高度可调，用于适应激光测距单元4的高度，使激光束在标定板2形成反射。

所述位置固定标件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正对标定板2，具体实施例中，位置固定标件1为一平行标定板2设置的卡槽，载体装置5安装在卡槽上。

本发明的激光测距单元偏转角测量与校正方法基于上述测量系统，根据同一竖直平面内激光扫描点在载体装置坐标系下坐标的几何关系，获取偏转角。

建立如图2所示的激光测距单元坐标系与载体装置坐标系。

其中，激光测距单元坐标系下的坐标为P^L＝(x^L，y^L，z^L)^T，以激光测距单元4在载体装置5的安装位置为原点，以激光测距单元4扫描方向的正前方为y轴，激光测距单元4扫描方向的右方为x轴，以激光测距单元4的垂直x轴、y轴的方向为z轴。

载体装置坐标系下的坐标为P^V＝(x^V，y^V，z^V)^T，以载体装置5中心为原点，所述中心根据载体装置5形状确定，以载体装置5安装激光测距单元4的方向的正前方为y轴，以载体装置5安装激光测距单元4的方向的右方为x轴，以载体装置5正上方为z轴。

激光测距单元坐标系下的坐标和载体装置坐标系下的坐标之间的转换关系如下：

P^V＝R_L-＞VP^L+T_L-＞V

R_L-＞VR_L-＞V为旋转矩阵，T_L-＞V为激光测距单元相对载体装置坐标原点的偏移。

在具体实施例中，确定俯仰角等于0的条件下，所述 $R_{L->V}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& cos\mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right),$ T_L-＞V＝(d_x，d_y，d_z)^T，ψ为激光测距单元绕激光测距单元坐标系下z轴旋转的偏转角。

同一竖直平面各激光扫描点在载体装置坐标系下坐标y值相同，所述y值为激光扫描点到载体装置中心所在平面的距离，所述载体装置中心所在平面平行标定板2。在具体实施例中，以标定板2上的激光扫描点为例，在确定俯仰角等于0的条件下，x_isinψ+y_icosψ+d_y＝V_y，1≤i≤m，其中，(x_i，y_i)^T为标定板上的激光扫描点在激光测距单元坐标系下的坐标；m表示激光扫描点个数；V_y为载体装置坐标系下标定板到载体装置坐标系原点的距离。

具体实施例中，通过求解如下最优化函数即可获得偏转角ψ，其中参数

如偏转角不符合要求，则校正至符合要求。此方法可以非常鲁棒的求得激光测距仪的偏转角，多次测量，标准差很小，测量偏转角时，激光扫描点个数约50个。

在具体实施例中，所述偏转角测量与校正在测量俯仰角并将俯仰角校正为0之后进行，所述俯仰角测量与校正方法如下：

步骤S1，安装俯仰角测量与校正系统，所述系统如图3(a)、图3(b)所示，在距离标定板2前d₀位置平行设置俯仰角标定板21，标定板2与俯仰角标定板21的距离平面的高度h2、h1，且从平面视图方向，标定板2与俯仰角标定板21之间没有缝隙。

激光测距单元4安装时可接受的俯仰角偏差范围为±θ₀，则激光测距单元与标定板的距离需满足如下约束：

${\tan }^{-1}\left(\frac{l}{2d}\right)\≤{\mathrm{\θ}}_0$

其中，l为标定板的标准宽度，d为激光测距单元距离标定板的距离，如图4所示。

步骤S2获取至少一次激光测距单元与标定板2或俯仰角标定板21的距离；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发射出的激光经被标定板2或俯仰角标定板21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与标定板2或俯仰角标定板21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与标定板2或俯仰角标定板21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与标定板2或俯仰角标定板21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：

$\underset{k,b}{\min }\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{(y_i-{\mathrm{kx}}_i-b)}^2$

直线参数通过以下公式获得：

$\begin{array}{c}\hat{b}=\frac{\left({\mathrm{\Σx}}_j^2\right)\left({\mathrm{\Σy}}_i\right)-\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)\left({\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\right)}{m\left({\mathrm{\Σx}}_i^2\right)-{(\Σx_i)}^2}\\ \hat{k}=\frac{m\left(\Σx_i{y}_i\right)-\left(\Σx_i\right)\left(\Σy_i\right)}{m\left(\Σx_i^2\right)-{\left(\Σx_i\right)}^2}\end{array}$

其中，x_i、y_i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。

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E_th为设定阈值；当时，直线存在；标定板或俯仰角标定板与激光测距单元的距离近似用直线参数代替

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4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，调整激光测距单元校正俯仰角。具体地，通过增加或减少激光测距单元下的垫片，使俯仰角偏差θ₀符合要求。

Claims (10)

1.一种激光测距仪偏转角测量与校正系统，其特征在于，包括载体装置、数据处理单元、控制单元、激光测距单元、标定板和位置固定标件；

所述载体装置作为安装激光测距单元、控制单元、数据处理单元的载体；

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；

所述激光测距单元用于发射并接收反射的激光，产生各激光扫描点的数据；

所述标定板用于反射激光，使激光束在标定板形成反射；

所述位置固定标件用于固定载体装置，使载体装置上安装的激光测距单元正对标定板。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述标定板高度可调，用于适应激光测距单元的高度。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置固定标件为一平行标定板设置的卡槽，载体装置安装在卡槽上。

4.一种激光测距仪偏转角测量与校正方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的测量系统，根据同一竖直平面内激光扫描点在载体装置坐标系下坐标的几何关系，获取偏转角。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述竖直平面为标定板所在平面，所述几何关系为标定板上的各激光扫描点在载体装置坐标系下坐标到载体装置中心所在平面的距离相同。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述激光扫描点在载体装置坐标系下坐标通过将激光测距单元坐标系下激光扫描点的坐标转换为载体装置坐标系下坐标获得，激光测距单元坐标系下的坐标为P^L＝(x^L，y^L，z^L)^T，载体装置坐标系下的坐标为P^V＝(x^V，y^V，z^V)^T，激光测距单元坐标系下的坐标和载体装置坐标系下的坐标之间的转换关系为P^V＝R_{L-＞ V}P^L+T_L-＞V，其中，T_L-＞V为激光测距单元相对载体装置坐标原点的偏移，R_L-＞V为旋转矩阵。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，确定俯仰角为0后，所述 $R_{L->V}=\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& -sin\mathrm{\ψ}& 0\\ sin\mathrm{\ψ}& cos\mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right),$ 通过求解最优化函数 $\underset{\mathrm{\ψ},Y}{\min }\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\left(x_i\sin \mathrm{\ψ}+y_i\cos \mathrm{\ψ}+Y\right)}^2$ 获得偏转角，其中ψ为激光测距单元绕激光测距单元坐标系下z轴旋转的偏转角，参数d_y为激光测距单元相对载体装置坐标原点y轴上的偏移，V_y为载体装置坐标系下竖直平面到载体装置坐标系原点的距离，x_i、y_i为激光测距单元坐标系下激光扫描点的坐标。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述俯仰角的测量与校正方法包括如下步骤：

步骤S1，安装俯仰角测量与校正系统，在权利要求1所述的标定板前d₀位置平行设置俯仰角标定板，标定板与俯仰角标定板距离工作平面的高度不同；

步骤S2，获取至少一次激光测距单元与标定板、俯仰角标定板的距离；

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。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述距离通过拟合激光测距单元与标定板、俯仰角标定板之间激光扫描点形成的直线获取，所述拟合采用标准最小二乘算法。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过残差与阈值比较，判断所述直线是否存在，所述残差大小为 $\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{(y_i-\hat{k}{x}_i-\hat{b})}^2,\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{(y_i-\hat{k}{x}_i-\hat{b})}^2\≤E_{th},$ E_th为设定阈值，参数 $\begin{array}{c}\hat{b}=\frac{\left({\mathrm{\Σx}}_i^2\right)\left({\mathrm{\Σy}}_i\right)-\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)\left({\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\right)}{m\left({\mathrm{\Σx}}_i^2\right)-{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2}\\ \hat{k}=\frac{m\left({\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\right)-\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)\left({\mathrm{\Σy}}_i\right)}{m\left({\mathrm{\Σx}}_i^2\right)-{\left({\mathrm{\Σx}}_i\right)}^2}\end{array},$ x_i、y_i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。