CN107167790B - 一种基于标定场的激光雷达两步标定方法 - Google Patents

一种基于标定场的激光雷达两步标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，包括步骤：建立标定场、定标、角度标定准备、经纬仪组网、激光雷达扫描、经纬仪测量、建立角度修正方程、计算角度修正系数、建立基线场、激光雷达测量、经纬仪测量、建立距离修正方程、计算距离修正系数；本发明通过采用不需要精密设计与加工的标定装置作为标定基准，实现了对激光雷达的快速标定；解决了常规方法对测试场地、标定场以及标定装置要求过高的问题；通过转台配合实现整个测试过程，降低了测试难度，克服了常规方法难以保证全视场角度修正精度的难题；通过标定场与基线场的分步测试，达到了从标定模型中，分离距离修正的效果，弥补了常规方法距离参数与角度参数相互耦合的缺陷。

Description

一种基于标定场的激光雷达两步标定方法
技术领域
本发明涉及一种激光雷达的标定方法，属于成像敏感器标定技术领域。
背景技术
激光雷达是用于对空间非合作目标进行目标捕获、距离和角度测量、位置和姿态测量以及三维重构的新型激光测量敏感器。为保证激光雷达对非合作目标的成功捕获概率，要求该敏感器在整个测程内，均具有较高的角度测量精度。因此，如何高精度的修正激光雷达的测角和测距误差、确定激光雷达测量本体系的位置和姿态，是实现敏感器高精度测量的前提，也是激光雷达标定需解决的问题。
现有技术中，常规方法多采用平面度较好的平板、利用平面特征约束标定激光雷达，上述方法一方面对标定装置具有较高的设计和加工要求；另一方面，虽然能够在一定程度上，修正激光雷达测量的系统误差，但由于标定时，距离测量参数与角度参数相互耦合，使得其角度标定受到距离测量精度的影响难以保证其标定精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，通过采用不需要精密设计与加工的标定装置作为标定基准，实现了对激光雷达的快速标定；解决了常规方法对测试场地、标定场以及标定装置要求过高的问题；通过转台配合实现整个测试过程，降低了测试难度，克服了常规方法难以保证全视场角度修正精度的难题；通过标定场与基线场的分步测试，达到了从标定模型中，分离距离修正的效果，弥补了常规方法距离参数与角度参数相互耦合的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，包括如下步骤：
步骤一：将N个反射目标布设在黑色背景板上，建立激光雷达角度标定场；
步骤二：利用摄影测量相机定标标定场，测量N个反射目标的几何中心在标定场本体坐标系下的位置，坐标值设为(XCi，YCi，ZCi)；
步骤三：将激光雷达安装于转台上，设置激光雷达的初始扫描范围及转台角度，并在激光雷达的出光方向上放置标定场；
步骤四：架设第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3进行绝对定向；
步骤五：定义激光雷达基准镜坐标系，利用第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3准直建立激光雷达基准镜坐标系；
步骤六：从N个反射目标中选取U个目标，利用第二经纬仪A2和第三经纬仪A3测量U个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的位置，对应的坐标值分别设为(XJPk，YJPk，ZJPk)，XJPk，YJPk，ZJPk分别为第k个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
步骤七：根据步骤二和步骤六获得的数据，计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
步骤八：激光雷达扫描测量标定场，测量N个反射目标的三维点云数据；
步骤九：对三维点云数据进行处理，计算激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)，Li表示第i个反射目标的几何中心距激光雷达的距离，βi和αi分别表示第i个反射目标的几何中心相对于激光雷达的垂直角和水平角；
步骤十：标定场固定不动，调整激光雷达的扫描角度和转台的俯仰、偏航角，重复步骤四至步骤九，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描测量；
步骤十一：将步骤七和步骤九的测量数据一一对应，建立角度修正方程，计算激光雷达角度修正系数；
步骤十二：按照不同的间隔距离设置目标，建立激光雷达距离标定用基线场；
步骤十三：架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1进行绝对定向；
步骤十四：按照步骤五定义的激光雷达基准镜坐标系，通过第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1建立激光雷达基准镜坐标系；
步骤十五：利用全站仪C1测量基线场的基线长度；
步骤十六：通过激光雷达定角测量基线场中的每一段基线距离；
步骤十七：将步骤十五和步骤十六的测量数据一一对应，建立测距修正方程，并计算激光雷达距离修正系数。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤一中，标定场由目标和背景板两部分组成，目标为白色圆形漫反射目标，目标的直径dT与激光光斑的束腰直径dS相同；背景板由黑色阳极氧化处理的铝板制成，尺寸不小于1m×1m；将N个圆形漫反射目标，N不少于100，以不小于4*dT的间隔布设在背景板上。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤三至步骤十中，将激光雷达视场Fov×Fov分为p×p个子区域，每个大小的视场子区域对应激光雷达的一组扫描参数，包括扫描中心角度(MotorX,MotorY)和扫描角度范围其中：MotorX和MotorY分别为X电机和Y电机转动的中心角度值，两个电机转动时，分别在MotorX±D范围内和MotorY±D范围内转动；
设置完成第一个视场子区域的扫描参数后，在水平和竖直方向上移动标定场，使得标定场内的反射目标能够充满第一个视场子区域，记录此时的转台角度(yaw0,pitch0)，其中：yaw0表示转台的偏航角度值，pitch0表示转台的俯仰角度值；
按照步骤四至步骤九完成第一个视场子区域的测试；然后设置激光雷达扫描参数，使激光雷达工作在第二视场子区域，第二视场子区域的扫描中心角度设为将转台的偏航角度反向调整为将转台的俯仰角度反向调整为yaw0，使得在标定场固定不动的情况下，仍能够覆盖激光雷达的第二视场子区域，并继续按照步骤四至步骤九完成第二视场子区域的测试；按照上述方式依次完成其余视场子区域的测试，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤四中，第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向架设第一经纬仪A1，第一经纬仪A1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向架设第二经纬仪A2，第二经纬仪A2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；第三经纬仪A3与第一经纬仪A1对标定场的观测夹角不小于60°。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤五中，以基准镜几何中心为坐标系原点，基准镜前端面法线指向激光雷达视场方向的一侧为+Z方向，基准镜侧端面法线沿激光出射方向为+X方向，+Y方向按照右手法则定义；
第一经纬仪A1沿Z方向准直基准镜，第二经纬仪A2沿X方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第一经纬仪A1、第二经纬仪A2的俯仰和偏航角度；第二经纬仪A2和第三经纬仪A3采用前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤六中，在标定场的上、下、左、右和中间区域选取U个漫反射目标Pk，U不少于10。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤七中，按照下式计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)；
R＝(A·BT)·(B·BT)-1
其中：
(XCPk,YCPk,ZCPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在标定场本体坐标系下的坐标值；
表示U个反射目标的重心在标定场本体坐标系下的坐标值；
(XJPk,YJPk,ZJPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值；
表示U个反射目标的重心在在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值；
定义辅助坐标系1，辅助坐标系1的原点位于U个反射目标的重心，辅助坐标系1的三轴指向与标定场本体坐标系的三轴指向一致；(X'CPk,Y′CPk,Z'CPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在辅助坐标系1下的坐标值；
定义辅助坐标系2，辅助坐标系2的原点位于U个反射目标的重心，辅助坐标系2的三轴指向与激光雷达基准镜坐标系的三轴指向一致；(X'JPk,Y′JPk,Z'JPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在辅助坐标系2下的坐标值；
A表示U个反射目标的几何中心在辅助坐标系1下坐标值的集合；
B表示U个反射目标的几何中心在辅助坐标系2下坐标值的集合；
R表示标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的旋转矩阵；
T'表示由U个反射目标中，每个反射目标的几何中心计算得到的标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的平移量；
T表示T'的平均值，即标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的平移量。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤八中，激光雷达采用扫描模式测量标定场，设置激光功率为20w，接收信号阈值不大于700mv，此时标定场中的背景板不返回测量数据，而漫反射目标返回测量数据，从而测量得到N个反射目标的三维点云数据。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤九中，每个反射目标的三维点云数据设为(Lk，βk，αk)，激光雷达对每个反射目标的几何中心进行测量的结果设为：
其中：Lk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个距离值，对Lk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的距离测量值Li；βk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个垂直角，对βk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的垂直角测量值βi；αk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个水平角，对αk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的水平角测量值αi。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤十一中，将N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)与激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)一一对应，四个测例共计4*N组数据，对每一组数据按照下式建立角度修正方程：
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点可列3个方程，4*N个点共计列方程12*N个：
构造迭代式采用高斯-牛顿法求解：
据此求得激光雷达的标定参数，其中：
q表示垂直角比例误差系数
w表示垂直角误差加系数
e表示水平角误差修正系数
c表示轴系倾斜误差修正系数
Rw(Rx,Ry,Rz)表示激光雷达测量本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的旋转矩阵，Rx,Ry,Rz分别为与旋转矩阵对应的旋转角度；
(Tx,Ty,Tz)表示激光雷达测量本体坐标系原点在激光雷达基准镜坐标系下的坐标；
激光雷达测量本体坐标系是一个坐标系原点和坐标系指向待确定的空间坐标系，激光雷达测量本体坐标系的原点位于激光出射的原点，X电机的转动轴为X方向，Y电机的转动轴为Y方向，+Z方向按照右手法则定义。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤十二中，距离标定使用的基线场按照下述方式建立：定义激光雷达电机加电工作的初始位置为电机零位，X电机和Y电机零位的角度值分别为MotorX0和MotorY0；
在激光雷达电机零位的视线方向上，从最近工作距Lmin开始，依次按照不同的间隔距离设置目标，在激光雷达和目标之间形成不同距离的基线长度用于距离标定，共计T段基线长度，T不少于10；目标采用白色圆形漫反射目标，目标直径dTl与激光雷达在目标处的激光光斑直径dL相同。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤十三中，第四经纬仪B1、第五经纬仪B2、全站仪C1的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向，即基准镜坐标系的+Z向，架设第四经纬仪B1，第四经纬仪B1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向，即基准镜坐标系的+X向，架设第五经纬仪B2，第五经纬仪B2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；全站仪C1与第四经纬仪B1对激光雷达基准镜形成的观测夹角范围设为55～65°，全站仪C1与第四经纬仪B1距激光雷达基准镜的距离相同。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤十四中，按照步骤五定义的基准镜坐标系准直基准镜，测量激光雷达基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第四经纬仪B1、第五经纬仪B2的俯仰和偏航角；全站仪C1和第四经纬仪B1采用进行前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为激光雷达基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤十五中，利用全站仪C1的自动照准功能测量基线场中的每一个目标在激光雷达基准镜坐标系下的坐标(XJi,YJi,ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
根据角度标定得到的激光雷达测量本体坐标系原点在激光雷达基准镜坐标系下的位置(Tx,Ty,Tz)计算每一段基线长度，第i条基线长度为测量精度小于1mm。
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤十六中，激光雷 达采用定角锁定工作模式，对基线场中的每一个目标进行测量，每个目标测量M次，M不少于 10，得到每一段基线长度的M次测量值lim，将每段基线长度的M次测量值lim求取平均得到激 光雷达对每段基线长度的测量值
在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤十七中，将全站仪C1和激光雷达对每一段基线长度的测量值一一对应，形成T组数据，并按照下式建立距离修正方程：
其中，k表示距离修正乘常数；m表示距离修正加常数；
每一组数据列一个方程，共计形成T个方程；采用最小二乘方法求解方程，按照下式计算距离修正系数k,m
其中：G表示激光雷达对T段基线的距离测量值的集合，b表示激光雷达对T段基线的距离测量值与真实值的偏差。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明采用标定场作为标定基准实现对激光雷达的标定，标定场简单、易于建立，打破了传统方法对标定装置较高的平面度要求，具有广阔的市场应用前景。
【2】本发明利用转台的两轴运动能力实现了对激光雷达全视场的测角修正，标定场小巧灵活，降低了测试的难度，减少了标定方法对测试设备和场地的需求，标定方法易于实现。
【3】本发明将激光雷达的距离修正从标定模型中分离，首先利用标定场完成全视场的角度标定，其次利用基线场实现距离标定，该方法使众多标定参数得到了一定程度的分离，降低了距离标定参数与角度标定参数之间的相关性，保证了激光雷达角度和距离标定的精度和准确度。
【4】本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理、步骤精简，本领域技术人员按照本发明的步骤进行试验，能够快速准确的确定激光雷达测量本体系的位置和姿态，修正角度和距离测量误差。
【5】本发明的经纬仪和全站仪均为常规零件，标准可靠、拆装方便、灵活选择，无需特制，而且便于维修和更换，大幅降低了激光雷达的标定成本，有利于技术人员进行改进提高。
附图说明
图1为本发明的流程图
图2为本发明激光雷达角度标定示意图
图3为本发明激光雷达距离标定用基线场示意图
其中：A1第一经纬仪；A2第二经纬仪；A3第三经纬仪；B1第四经纬仪；B2第五经纬仪；C1全站仪；
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1～3所示，一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，包括如下步骤：
步骤一：将N个反射目标布设在黑色背景板上，建立激光雷达角度标定场；
步骤二：利用摄影测量相机定标激光雷达角度标定场，测量N个反射目标的几何中心在激光雷达角度标定场本体坐标系下的位置，对应的坐标值设为(XCi，YCi，ZCi)；
步骤三：将激光雷达安装于转台上，设置激光雷达的初始扫描范围及转台角度，并在激光雷达的出光方向上放置激光雷达角度标定场；
步骤四：架设第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3进行绝对定向；
步骤五：定义激光雷达基准镜坐标系，利用第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3准直建立激光雷达基准镜坐标系；
步骤六：从N个反射目标中选取U个目标，利用第二经纬仪A2和第三经纬仪A3测量U个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的位置，对应的坐标值分别设为(XJPk，YJPk，ZJPk)，XJPk，YJPk，ZJPk分别为第k个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
步骤七：根据步骤二和步骤六获得的数据，计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
步骤八：激光雷达扫描测量标定场，测量N个反射目标的三维点云数据；
步骤九：对三维点云数据进行处理，计算激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)，Li表示第i个反射目标的几何中心距激光雷达的距离，βi和αi分别表示第i个反射目标的几何中心相对于激光雷达的垂直角和水平角；
步骤十：标定场固定不动，调整激光雷达的扫描角度和转台的俯仰、偏航角，重复步骤四至步骤九，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描测量；
步骤十一：将步骤七和步骤九的测量数据一一对应，建立角度修正方程，计算激光雷达角度修正系数；
步骤十二：按照不同的间隔距离设置目标，建立激光雷达距离标定用基线场；
步骤十三：架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1进行绝对定向；
步骤十四：按照步骤五定义的激光雷达基准镜坐标系，通过第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1建立激光雷达基准镜坐标系；
步骤十五：利用全站仪C1测量激光雷达距离标定用基线场的基线长度；
步骤十六：通过激光雷达定角测量激光雷达距离标定用基线场中的每一段基线距离；
步骤十七：将步骤十五和步骤十六的测量数据一一对应，建立测距修正方程，并计算激光雷达距离修正系数。
优选的，步骤一中，标定场由目标和背景板两部分组成，目标为白色圆形漫反射目标，目标的直径dT与激光光斑的束腰直径dS相同；背景板由黑色阳极氧化处理的铝板制成，尺寸不小于1m×1m；将N个圆形漫反射目标，N不少于100，以不小于4*dT的间隔布设在背景板上。
优选的，步骤三至步骤十中，将激光雷达视场Fov×Fov分为p×p个子区域，每个大小的视场子区域对应激光雷达的一组扫描参数，包括扫描中心角度(MotorX,MotorY)和扫描角度范围其中：MotorX和MotorY分别为X电机和Y电机转动的中心角度值，两个电机转动时，分别在MotorX±D范围内和MotorY±D范围内转动；
设置完成第一个视场子区域的扫描参数后，在水平和竖直方向上移动激光雷达角度标定场，使得激光雷达角度标定场内的反射目标能够充满第一个视场子区域，记录此时的转台角度(yaw0,pitch0)，其中：yaw0表示转台的偏航角度值，pitch0表示转台的俯仰角度值；
按照步骤四至步骤九完成第一个视场子区域的测试；然后设置激光雷达扫描参数，使激光雷达工作在第二视场子区域，第二视场子区域的扫描中心角度设为将转台的偏航角度反向调整为将转台的俯仰角度反向调整为yaw0，使得在激光雷达角度标定场固定不动的情况下，仍能够覆盖激光雷达的第二视场子区域，并继续按照步骤四至步骤九完成第二视场子区域的测试；按照上述方式依次完成其余视场子区域的测试，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对激光雷达角度标定场的扫描。
优选的，步骤四中，第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向架设第一经纬仪A1，第一经纬仪A1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向架设第二经纬仪A2，第二经纬仪A2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；第三经纬仪A3与第一经纬仪A1对标定场的观测夹角不小于60°。
优选的，步骤五中，以基准镜几何中心为坐标系原点，基准镜前端面法线指向激光雷达视场方向的一侧为+Z方向，基准镜侧端面法线沿激光出射方向为+X方向，+Y方向按照右手法则定义；
第一经纬仪A1沿Z方向准直基准镜，第二经纬仪A2沿X方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第一经纬仪A1、第二经纬仪A2的俯仰和偏航角度；第二经纬仪A2和第三经纬仪A3采用前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。
优选的，步骤六中，在激光雷达角度标定场的上、下、左、右和中间区域选取U个漫反射目标Pk，U不少于10。
优选的，步骤七中，按照下式计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)；
R＝(A·BT)·(B·BT)-1
其中：
(XCPk,YCPk,ZCPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在激光雷达角度标定场本体坐标系下的坐标值；
表示U个反射目标的重心在标定场本体坐标系下的坐标值；
(XJPk,YJPk,ZJPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值；
表示U个反射目标的重心在在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值；
定义辅助坐标系1，辅助坐标系1的原点位于U个反射目标的重心，辅助坐标系1的三轴指向与标定场本体坐标系的三轴指向一致；(X'CPk,Y′CPk,Z'CPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在辅助坐标系1下的坐标值；
定义辅助坐标系2，辅助坐标系2的原点位于U个反射目标的重心，辅助坐标系2的三轴指向与激光雷达基准镜坐标系的三轴指向一致；(X'JPk,Y′JPk,Z'JPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在辅助坐标系2下的坐标值；
A表示U个反射目标的几何中心在辅助坐标系1下坐标值的集合；
B表示U个反射目标的几何中心在辅助坐标系2下坐标值的集合；
R表示标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的旋转矩阵；
T'表示由U个反射目标中，每个反射目标的几何中心计算得到的标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的平移量；
T表示T'的平均值，即标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的平移量。
优选的，步骤八中，激光雷达采用扫描模式测量标定场，设置激光功率为20w，接收信号阈值不大于700mv，此时激光雷达角度标定场中的背景板不返回测量数据，而漫反射目标返回测量数据，从而测量得到N个反射目标的三维点云数据。
优选的，步骤九中，每个反射目标的三维点云数据设为(Lk，βk，αk)，激光雷达对每 个反射目标的几何中心进行测量的结果设为：
其中：Lk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个距离值，对Lk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的距离测量值Li；βk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个垂直角，对βk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的垂直角测量值βi；αk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个水平角，对αk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的水平角测量值αi。
优选的，步骤十一中，将N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)与激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)一一对应，四个测例共计4*N组数据，对每一组数据按照下式建立角度修正方程：
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点可列3个方程，4*N个点共计列方程12*N个：
构造迭代式采用高斯-牛顿法求解：
据此求得激光雷达的标定参数，其中：
q表示垂直角比例误差系数
w表示垂直角误差加系数
e表示水平角误差修正系数
c表示轴系倾斜误差修正系数
Rw(Rx,Ry,Rz)表示激光雷达测量本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的旋转矩阵，Rx,Ry,Rz分别为与旋转矩阵对应的旋转角度；
(Tx,Ty,Tz)表示激光雷达测量本体坐标系原点在激光雷达基准镜坐标系下的坐标；
激光雷达测量本体坐标系是一个坐标系原点和坐标系指向待确定的空间坐标系，激光雷达测量本体坐标系的原点位于激光出射的原点，X电机的转动轴为X方向，Y电机的转动轴为Y方向，+Z方向按照右手法则定义。
优选的，步骤十二中，距离标定使用的基线场按照下述方式建立：定义激光雷达电机加电工作的初始位置为电机零位，X电机和Y电机零位的角度值分别为MotorX0和MotorY0；
在激光雷达电机零位的视线方向上，从最近工作距Lmin开始，依次按照不同的间隔距离设置目标，在激光雷达和目标之间形成不同距离的基线长度用于距离标定，共计T段基线长度，T不少于10；目标采用白色圆形漫反射目标，目标直径dTl与激光雷达在目标处的激光光斑直径dL相同。
优选的，步骤十三中，第四经纬仪B1、第五经纬仪B2、全站仪C1的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向，即基准镜坐标系的+Z向，架设第四经纬仪B1，第四经纬仪B1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向，即基准镜坐标系的+X向，架设第五经纬仪B2，第五经纬仪B2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；全站仪C1与第四经纬仪B1对激光雷达基准镜形成的观测夹角范围设为55～65°，全站仪C1与第四经纬仪B1距激光雷达基准镜的距离相同。
优选的，步骤十四中，按照步骤五定义的基准镜坐标系准直基准镜，测量激光雷达基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第四经纬仪B1、第五经纬仪B2的俯仰和偏航角；全站仪C1和第四经纬仪B1采用进行前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为激光雷达基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。
优选的，步骤十五中，利用全站仪C1的自动照准功能测量基线场中的每一个目标在激光雷达基准镜坐标系下的坐标(XJi,YJi,ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
根据角度标定得到的激光雷达测量本体坐标系原点在激光雷达基准镜坐标系下的位置(Tx,Ty,Tz)计算每一段基线长度，第i条基线长度为测量精度小于1mm。
优选的，步骤十六中，激光雷达采用定角锁定工作模式，对基线场中的每一个目标进行测量，每个目标测量M次，M不少于10，得到每一段基线长度的M次测量值lim，将每段基线长度的M次测量值lim求取平均得到激光雷达对每段基线长度的测量值
优选的，步骤十七中，将全站仪C1和激光雷达对每一段基线长度的测量值一一对应，形成T组数据，并按照下式建立距离修正方程：
其中，k表示距离修正乘常数；m表示距离修正加常数；
每一组数据列一个方程，共计形成T个方程；采用最小二乘方法求解方程，按照下式计算距离修正系数k,m
其中：G表示激光雷达对T段基线的距离测量值的集合，b表示激光雷达对T段基线的距离测量值与真实值的偏差。
本实施例对30°×30°视场的激光雷达进行标定：
标定场的背景板长1.2m，宽1m，其中按照不小于60mm的间隔布置115个15mm直径的白色圆形漫反射目标。高精度摄影测量系统在距标定场2m距离对标定场定标，测量115个目标的几何中心，测量精度优于0.02mm。
将激光雷达视场分为2×2个子区域，并按照下表设置激光雷达扫描参数及转台参数。
测例序号 视场区域 扫描中心角度 扫描角度范围 转台运动角度
1 Area-A：(0°，-15°)-(+15°，0°) (MotorX0+3.75°，MotorY0-3.75°) ±3.75° (yaw0，pitch0)
2 Area-B：(0°，0°)～(+15°，+15°) (MotorX0+3.75°，MotorY0+3.75°) ±3.75° (yaw0，pitch0-15°)
3 Area-C：(-15°，0°)～(0°，+15°) (MotorX0-3.75°，MotorY0+3.75°) ±3.75° (yaw0-15°，pitch0-15°)
4 Area-D：(-15°，-15°)～(0°，0°) (MotorX0-3.75°，MotorY0-3.75°) ±3.75° (yaw0-15°，pitch0)
对每个视场子区域按照上述步骤四至步骤九完成测试；步骤六中，每个视场子区域选取12个目标点。
激光雷达全视场范围内共计测试115*4个点，列方程115*4*3个，按照步骤十一所述计算得到角度标定结果：
角度修正系数
测量本体系至基准镜系的旋转阵
测量本体系原点在基准镜系下的坐标
之后进行距离标定过程。
在激光雷达电机零位(MotorX0,MotorY0)大致对应的视线方向上，从10m工作距开始，依次按照1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，10m，11m的间隔设置目标形成基线场用于其距离标定，共计12段基线距离；目标采用白色圆形漫反射标志，16mm标志用于10m-20m范围内距离标定；20mm标志用于20m-40m范围内距离标定；25mm标志用于50m-70m范围内距离标定；30mm标志用于70m-80m范围内距离标定。
按照步骤十三至步骤十七完成测试及数据处理，得到激光雷达距离标定结果：
k＝-0.005424,b＝-0.029273。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (16)

1.一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将N个反射目标布设在黑色背景板上，建立激光雷达角度标定场；
步骤二：利用摄影测量相机定标标定场，测量N个反射目标的几何中心在标定场本体坐标系下的位置，坐标值设为(XCi，YCi，ZCi)；
步骤三：将激光雷达安装于转台上，设置激光雷达的初始扫描范围及转台角度，并在激光雷达的出光方向上放置标定场；
步骤四：架设第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3进行绝对定向；
步骤五：定义激光雷达基准镜坐标系，利用第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3准直建立激光雷达基准镜坐标系；
步骤六：从N个反射目标中选取U个目标，利用第二经纬仪A2和第三经纬仪A3测量U个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的位置，对应的坐标值分别设为(XJPk，YJPk，ZJPk)，XJPk，YJPk，ZJPk分别为第k个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
步骤七：根据步骤二和步骤六获得的数据，计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
步骤八：激光雷达扫描测量标定场，测量N个反射目标的三维点云数据；
步骤九：对三维点云数据进行处理，计算激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)，Li表示第i个反射目标的几何中心距激光雷达的距离，βi和αi分别表示第i个反射目标的几何中心相对于激光雷达的垂直角和水平角；
步骤十：标定场固定不动，调整激光雷达的扫描角度和转台的俯仰、偏航角，重复步骤四至步骤九，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描测量；
步骤十一：将步骤七和步骤九的测量数据一一对应，建立角度修正方程，计算激光雷达角度修正系数；
步骤十二：按照不同的间隔距离设置目标，建立激光雷达距离标定用基线场；
步骤十三：架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1进行绝对定向；
步骤十四：按照步骤五定义的激光雷达基准镜坐标系，通过第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1建立激光雷达基准镜坐标系；
步骤十五：利用全站仪C1测量基线场的基线长度；
步骤十六：通过激光雷达定角测量基线场中的每一段基线距离；
步骤十七：将步骤十五和步骤十六的测量数据一一对应，建立测距修正方程，并计算激光雷达距离修正系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤一中，标定场由目标和背景板两部分组成，目标为白色圆形漫反射目标，目标的直径dT与激光光斑的束腰直径dS相同；背景板由黑色阳极氧化处理的铝板制成，尺寸不小于1m×1m；将N个圆形漫反射目标，N不少于100，以不小于4*dT的间隔布设在背景板上。
3.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤三至步骤十中，将激光雷达视场Fov×Fov分为p×p个子区域，每个大小的视场子区域对应激光雷达的一组扫描参数，包括扫描中心角度(MotorX,MotorY)和扫描角度范围±D,其中：MotorX和MotorY分别为X电机和Y电机转动的中心角度值，两个电机转动时，分别在MotorX±D范围内和MotorY±D范围内转动；
设置完成第一个视场子区域的扫描参数后，在水平和竖直方向上移动标定场，使得标定场内的反射目标能够充满第一个视场子区域，记录此时的转台角度(yaw0,pitch0)，其中：yaw0表示转台的偏航角度值，pitch0表示转台的俯仰角度值；
按照步骤四至步骤九完成第一个视场子区域的测试；然后设置激光雷达扫描参数，使激光雷达工作在第二视场子区域，第二视场子区域的扫描中心角度设为将转台的偏航角度反向调整为将转台的俯仰角度反向调整为yaw0，使得在标定场固定不动的情况下，仍能够覆盖激光雷达的第二视场子区域，并继续按照步骤四至步骤九完成第二视场子区域的测试；按照上述方式依次完成其余视场子区域的测试，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描。
4.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤四中，第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向架设第一经纬仪A1，第一经纬仪A1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向架设第二经纬仪A2，第二经纬仪A2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；第三经纬仪A3与第一经纬仪A1对标定场的观测夹角不小于60°。
5.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤五中，以基准镜几何中心为坐标系原点，基准镜前端面法线指向激光雷达视场方向的一侧为+Z方向，基准镜侧端面法线沿激光出射方向为+X方向，+Y方向按照右手法则定义；
第一经纬仪A1沿Z方向准直基准镜，第二经纬仪A2沿X方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第一经纬仪A1、第二经纬仪A2的俯仰和偏航角度；第二经纬仪A2和第三经纬仪A3采用前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。
6.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤六中，在标定场的上、下、左、右和中间区域选取U个漫反射目标Pk，U不少于10。
7.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤七中，按照下式计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)；
R＝(A·BT)·(B·BT)-1
其中：
(XCPk,YCPk,ZCPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在标定场本体坐标系下的坐标值；
表示U个反射目标的重心在标定场本体坐标系下的坐标值；
(XJPk,YJPk,ZJPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值；
表示U个反射目标的重心在在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值；
定义辅助坐标系1，辅助坐标系1的原点位于U个反射目标的重心，辅助坐标系1的三轴指向与标定场本体坐标系的三轴指向一致；(X'CPk,YC'Pk,Z'CPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在辅助坐标系1下的坐标值；
定义辅助坐标系2，辅助坐标系2的原点位于U个反射目标的重心，辅助坐标系2的三轴指向与激光雷达基准镜坐标系的三轴指向一致；(X'JPk,YJ'Pk,Z'JPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在辅助坐标系2下的坐标值；
A表示U个反射目标的几何中心在辅助坐标系1下坐标值的集合；
B表示U个反射目标的几何中心在辅助坐标系2下坐标值的集合；
R表示标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的旋转矩阵；
T'表示由U个反射目标中，每个反射目标的几何中心计算得到的标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的平移量；
T表示T'的平均值，即标定场本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的平移量。
8.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤八中，激光雷达采用扫描模式测量标定场，设置激光功率为20w，接收信号阈值不大于700mv，此时标定场中的背景板不返回测量数据，而漫反射目标返回测量数据，从而测量得到N个反射目标的三维点云数据。
9.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤九中，每个反射目标的三维点云数据设为(Lk，βk，αk)，激光雷达对每个反射目标的几何中心进行测量的结果设为：
其中：Lk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个距离值，对Lk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的距离测量值Li；βk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个垂直角，对βk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的垂直角测量值βi；αk表示激光雷达对第i个反射目标扫描测量得到的k个水平角，对αk求取平均值得到激光雷达对第i个反射目标的水平角测量值αi。
10.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤十一中，将N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)与激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)一一对应，四个测例共计4*N组数据，对每一组数据按照下式建立角度修正方程：
将上式进一步整理为如下式所述的方程，每个点可列3个方程，4*N个点共计列方程12*N个：
构造迭代式采用高斯-牛顿法求解：
据此求得激光雷达的标定参数，其中：
q表示垂直角比例误差系数
w表示垂直角误差加系数
e表示水平角误差修正系数
c表示轴系倾斜误差修正系数
Rw(Rx,Ry,Rz)表示激光雷达测量本体坐标系至激光雷达基准镜坐标系的旋转矩阵，Rx,Ry,Rz分别为与旋转矩阵对应的旋转角度；
(Tx,Ty,Tz)表示激光雷达测量本体坐标系原点在激光雷达基准镜坐标系下的坐标；
激光雷达测量本体坐标系是一个坐标系原点和坐标系指向待确定的空间坐标系，激光雷达测量本体坐标系的原点位于激光出射的原点，X电机的转动轴为X方向，Y电机的转动轴为Y方向，+Z方向按照右手法则定义。
11.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤十二中，距离标定使用的基线场按照下述方式建立：定义激光雷达电机加电工作的初始位置为电机零位，X电机和Y电机零位的角度值分别为MotorX0和MotorY0；
在激光雷达电机零位的视线方向上，从最近工作距Lmin开始，依次按照不同的间隔距离设置目标，在激光雷达和目标之间形成不同距离的基线长度用于距离标定，共计T段基线长度，T不少于10；目标采用白色圆形漫反射目标，目标直径dTl与激光雷达在目标处的激光光斑直径dL相同。
12.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤十三中，第四经纬仪B1、第五经纬仪B2、全站仪C1的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向，即基准镜坐标系的+Z向，架设第四经纬仪B1，第四经纬仪B1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向，即基准镜坐标系的+X向，架设第五经纬仪B2，第五经纬仪B2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；全站仪C1与第四经纬仪B1对激光雷达基准镜形成的观测夹角范围设为55～65°，全站仪C1与第四经纬仪B1距激光雷达基准镜的距离相同。
13.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤十四中，按照步骤五定义的基准镜坐标系准直基准镜，测量激光雷达基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第四经纬仪B1、第五经纬仪B2的俯仰和偏航角；全站仪C1和第四经纬仪B1采用进行前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为激光雷达基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。
14.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤十五中，利用全站仪C1的自动照准功能测量基线场中的每一个目标在激光雷达基准镜坐标系下的坐标(XJi,YJi,ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；
根据角度标定得到的激光雷达测量本体坐标系原点在激光雷达基准镜坐标系下的位置(Tx,Ty,Tz)计算每一段基线长度，第i条基线长度为测量精度小于1mm。
15.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤十六中，激光雷达采用定角锁定工作模式，对基线场中的每一个目标进行测量，每个目标测量M次，M不少于10，得到每一段基线长度的M次测量值lim，将每段基线长度的M次测量值lim求取平均得到激光雷达对每段基线长度的测量值
16.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤十七中，将全站仪C1和激光雷达对每一段基线长度的测量值一一对应，形成T组数据，并按照下式建立距离修正方程：
其中，k表示距离修正乘常数；m表示距离修正加常数；
每一组数据列一个方程，共计形成T个方程；采用最小二乘方法求解方程，按照下式计算距离修正系数k,m
其中：G表示激光雷达对T段基线的距离测量值的集合，b表示激光雷达对T段基线的距离测量值与真实值的偏差。
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