CN108775864B - 一种基于反光板的激光标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于反光板的激光标定系统及标定方法，该系统包括待标定物体、激光扫描标定装置和用于激光定位且物理位置固定的激光定位反光板，待标定物体上设置有待标定点和与待标定点对应的激光定位反光板，该激光定位反光板用于对其所对应的待标定点的世界坐标系下的坐标和激光坐标系下的坐标进行物理吻合和校准；该方法为：进行激光扫描标定装置应用初始化；在每个待标定物体上铺设反光板；每次对一个待标定物体进行校准；根据校准结果更正待标定物体的坐标。本发明实现了将物体的世界坐标和激光系坐标方便映射功能，将待标定点的世界坐标系坐标和激光坐标系坐标进行物理吻合和校准，解决了物体摆放施工中部署困难、部署成本高的难题。

Description

一种基于反光板的激光标定系统及标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光定位技术领域，尤其涉及一种基于反光板的激光标定系统及标定方法。

背景技术

在激光导航系统的实际应用中，往往存在这样的问题：一般的激光AGV在实验阶段运行良好，但是在实际投入使用时，会遇到部署上的困难。所述部署上的困难首先涉及到激光AGV应用中的定位地图和设施地图：定位地图可以类比为获取经纬度，设施地图可以类比为定义设施的位置。

定位地图也可以称之为反光板地图，AGV在使用激光定位时，得到的“原始数据”是AGV距离每个反光板的距离。再将这一“原始数据”通过激光坐标系和世界坐标系的转换，最终可以获得AGV在世界坐标系下的坐标，这张地图解决了“我在哪”的问题。设施地图用于指示某个货架在什么位置，比如(2000,2000)这个位置是货架A，(4000,2000)这个位置是货架B……，这张地图解决了“货架在哪”，或者说“我要去哪”的问题。但是，因为施工的原因，不可能完美无缺，经常会有偏差：例如：一排有5个货架，假如货架和货架之间没有间隙的话，每个货架宽1米(1000毫米)，第一个货架在(1000,1000)位置，第五个货架在(5000,1000)位置。但很可能因为施工原因，第一个货架摆斜了，使得第二个货架不是在(2000，1000)的位置，而是在(2050,1000)的位置，以此类推，第三、四、五个货架均由于摆斜了，各自向右偏移50毫米，使得第五个货架就变成(5200,1000)位置了，偏了20厘米，已经差很远了。以上所述部署上的困难，既是指由于以上货架摆斜了等施工原因，致使预先设定的设施地图不准确，不能解决“货架在哪”，或者说“我要去哪”的问题。彻底解决的办法当然是操作AGV，去每个货架上取放一次货，然后标记出货架的位置，但大型的仓库有成千上万的货架，每个都操作一遍成本非常高。

诸如此类的“部署困难”、“部署成本非常高”的情况在其它行业也是普遍存在的：凡是通过人力施工摆放的物品均有可能发生偏离预先设定位置的情况，这就存在一个普遍的问题，如何在环境设施的部署阶段，解决物体的实际世界坐标发生偏离、如何校准物体的世界坐标问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于反光板的激光标定系统及标定方法，其将物体的世界坐标和激光系坐标方便映射，用以解决解决物体摆放实际施工中部署困难、部署成本高的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于反光板的激光标定系统，包括至少一个待标定物体、至少一个激光扫描标定装置，至少三个用于激光定位且物理位置固定的激光定位反光板，所述至少一个待标定物体上设置有至少一个待标定点和与待标定点对应的至少一个激光定位反光板，该至少一个激光定位反光板用于对其所对应的待标定点的世界坐标系下的坐标和激光坐标系下的坐标进行物理吻合和校准。

所述的激光扫描标定装置包括激光扫描器和与其连接的激光处理器，所述激光处理器用于记录激光扫描器扫描的数据并处理这些数据直至得到标定值；所述待标定物体为在激光标定系统中使用激光定位反光板进行标定的物体，该待标定物体包括仓储货架以及自动化装配台；所述的扫描标定装置安装于激光AGV车体上，或安装在人工手推车上。

所述至少一个待标定物体上设置有至少一个待标定点和与待标定点对应的至少一个激光定位反光板的方法为；用标定一个点的一个反光板标定待标定物体上一个点的坐标，用标定一条线的两个反光板标定待标定物体上的一条线，用标定物体的两个以上的反光板标定待标定物体的轮廓；所述标定一条线的两个反光板铺设在靠近通道的同一侧，且相互间隔一定距离。

所述待标定点的世界坐标系下的坐标为人工给定的世界坐标系坐标，所述激光坐标系下的坐标为采用激光扫描定位装置实际测得的待标定物体的世界坐标系坐标。

一种基于反光板的激光标定系统的标定方法，包括以下步骤：

步骤一、进行激光扫描标定装置应用初始化；

步骤二、在每个待标定物体上铺设至少一个反光板；

步骤三、每次对一个待标定物体进行校准；

步骤四、根据校准结果更正待标定物体的坐标。

所述步骤一包括以下处理过程：

①建立激光定位反光板映射地图和应用环境设施映射地图；

②建立用于激光定位的世界坐标系和激光坐标系。

所述激光定位反光板映射地图包括至少三块用于激光定位的反光板在世界坐标系下的坐标，所述应用环境设施映射地图包括每个待标定物体在世界坐标系下的坐标和角度。

所述世界坐标系为以应用环境中某个点为原点的世界坐标系，所述激光坐标系为以激光扫描器内设某个点为原点的激光坐标系。

所述步骤三包括以下处理过程：

①获得当前激光扫描定位装置在世界坐标系下的位姿；

②获得当前激光扫描定位装置和当前待校准的货架反光板的相对位姿；

③获得当前待校准的待标定物体反光板在世界坐标系下的位姿；

所述步骤四的处理方法为：在应用环境设施映射地图中，用校正后的待标定物体坐标值和角度值去修正初始化时的待标定物体的坐标值和角度值；所述坐标值和角度值均为在世界坐标系下的坐标值和角度值。

本发明的优点和效果：

1、本发明通过设置基于反光板标定的待标定物体和待标定物体上至少一个待标定点、通过采用至少三个用于激光导航的反光板、以及采用激光扫描器和激光处理器，实现了将物体的世界坐标和激光系坐标方便映射这样一个系统，将待标定点的世界坐标系坐标和激光坐标系坐标进行物理吻合和校准，解决了物体摆放实际施工中部署困难、部署成本高的难题。

2、本发明将激光导航和激光测距这两种技术进行组合，构成了一项解决物体标定这样一个新的技术方案，达到了将物体的世界坐标和激光坐标系坐标进行吻合和校准的效果，通过这两种技术方案的相互支持、相互依赖的有机结合，相比组合以前单一的技术效果，如单一的激光导航或单一的激光测距其效果要优越得多。

3、本发明克服了本领域技术人员长期以来的技术偏见，即采用激光标定车对每个待标定物体进行标定的传统作法，采用本领域技术人员不曾想到的基于反光板标定的系统，这项技术应用于成千上万个货位的大型仓储系统，无疑是施工部署效率的有效提高和施工成本的有效降低。

附图说明

图1为本发明的基于反光板的激光标定系统示意图；

图2为本发明实施例一的示意图；

图3为本发明实施例二的示意图；

图4为本发明实施例三的示意图；

图中，1：基于反光板的激光标定系统；2：仓储货架；3-1：激光定位反光板；3-2：标定一个点的反光板；3-3：标定一条线的两个反光板；3-4：标定物体的两个以上的反光板；4：激光AGV；4-1：激光扫描器；4-2：激光处理器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

本发明设计原理如下：

1、建立反光板地图。反光板地图也称为定位地图，定位地图可以类比为获取经纬度。反光板地图一般只包括用于激光定位的三个或者多个定位反光板，因为初始化时环境中还没有货架或其他待标定物体，只有定位反光板。定位反光板开始的位置是未知的，可以随意摆放，只要数量上满足至少三块并且满足非均匀布设的规则即可。三个或者多个定位反光板在地图中的坐标位置是激光建图以后推算得到的。激光建图就是把激光头放在世界坐标系原点(假设世界坐标系原点是室内某个墙角，以墙角的两边分别为X轴和Y轴)，因为这样就直观很多，当激光头放在世界坐标系原点时，激光头转动的角度是已知的，激光头分别到反光板的距离是可以计算得到的，通过三角函数即可获得每个反光板在世界坐标系下的坐标；也可以将激光头放在世界坐标系原点附近或者任何一个地方，但是需要平移坐标系才能将激光坐标系和世界坐标系吻合，因为不论是激光定位还是货架标定，最后求得的是世界坐标系坐标，所以需要将激光坐标系平移到世界坐标系。举例，激光头从(0,0)变化为(10,0)，以(0，0)为激光坐标系原点测得的反光板A的坐标(100，0)，当以(10，0)为激光坐标系原点时测得的反光板A的坐标为(90，0)，若要将激光坐标系平移到世界坐标系，需要将反光板A的X轴坐标加上10，加上10以后的坐标为(100，0)，此种方法为平移坐标系。

2、建立设施地图：设施地图也称之为定位待标定物体位置的地图，待标定物体位置的地图包括仓储货架地图，由于仓储货架不具备反光板的性质、不能通过激光扫描推算得到，因此，设施地图中货架的物理位置必须先由人工在地图中设定一个指定位置，施工中按照这个指定位置安装货架，而实际施工中由于各种原因，货架实际坐落的位置可能会偏离地图中的位置。

3、在待标定物体上(货架或其他)铺设反光板。由于货架不具备反光板的特性，其本身的物理位置不能通过激光头扫描货架推算得到，因此，在货架上铺设反光板、借助于反光板将待标定物体(货架或其他)的世界坐标和激光标定后的坐标进行吻合和校准。

4、采用可移动的激光标定装置标定物体。由于待标定物体例如货架上的反光板往往被货架所遮挡，使得位于初始化建图时的激光坐标系原点的的激光头不能像初始化时一样扫描到每个货架上的反光板，因此，需要使用可移动的激光标定装置移动到货架反光板能够被扫描到的地方去测量相对距离，可移动的激光标定装置可以是激光AGV车，也可以是人工手推车、并在手推车上安装激光标定装置。激光标定装置工作时，不仅要求能够扫描到货架上的反光板，还要求同时能够扫描到至少三个用于激光定位的反光板，只有同时扫描到至少三个用于定位的反光板，才能得到激光标定装置当前的世界坐标，再通过其世界坐标以及与货架上反光板的相对距离，反推出货架上反光板的世界坐标。

5、在特殊情况下，货架上的反光板能够被初始化建图时的激光坐标系原点的激光头扫描到时，也可以在初始化建立反光板地图时将货架上的反光板和定位反光板一起扫描，此时，初始化反光板地图包括两种反光板的世界坐标。

基于以上原理，本发明提出了一种基于反光板的激光标定系统及标定方法。

一种基于反光板的激光标定系统，如图1所示，包括至少一个待标定物体2、至少一个激光扫描标定装置4-1、4-2，至少三个用于激光定位且物理位置固定的激光定位反光板3-1，其特点是：所述至少一个待标定物体2上设置有至少一个待标定点和与待标定点对应的至少一个激光定位反光板，该至少一个激光定位反光板用于对其所对应的待标定点的世界坐标系下的坐标和激光坐标系下的坐标进行物理吻合和校准。

所述的激光扫描标定装置包括激光扫描器4-1和与其连接的激光处理器4-2，所述激光处理器4-2用于记录激光扫描器扫描的数据并处理这些数据直至得到标定值；所述待标定物体即为在激光标定系统中使用激光定位反光板进行标定的物体，该待标定物体包括仓储货架2、以及自动化装配台；所述的扫描标定装置(4-1、4-2)可以安装于激光AGV4车体上，也可以安装在人工手推车上。

补充说明：激光标定装置包括激光扫描器(激光头)和激光处理器，有了这两样即可进行激光标定。但是激光扫描定位装置不能自动移动，可以将其安装在激光AGV车上，通过激光AGV车带动激光标定装置自动移动，或者将其安装在人工手推车上，人工推动激光标定装置进行移动。本实施例将激光扫描定位装置(4-1；4-2)安装在激光AGV4车体上。

所述的至少一个待标定物体的至少一个待标定点可以是一个、两个、或两个以上；用标定一个点的反光板3-2标定待标定物体上一个点的坐标，用标定一条线的两个反光板3-3标定待标定物体上的一条线，用标定物体的两个以上的反光板3-4标定待标定物体的轮廓；所述用标定一条线的两个反光板3-3铺设在靠近通道的同一侧，且相互间隔一定距离。

本发明给出的第一个实施例，如图2所示，为用标定一个点的反光板3-2标定待标定物体上一个点的坐标示意图，此时激光头要扫描到两种反光板，分别为三个定位反光板3-1、以及8个标定一个点的反光板3-2。

本发明给出的第二个实施例，如图3所示，为用标定一条线的两个反光板3-3标定货架2上的一条线示意图，此时激光扫描头要扫描到两种反光板，分别为三个定位反光板3-1，以及2个用于标定一条线的反光板3-3。

本发明给出的第三个实施例，如图4所示，为用标定物体轮廓的三个反光板3-4标定待标定物体2的轮廓的示意图，此时激光扫描头要扫描到两种反光板，分别为三个定位反光板3-1，以及3个用于标定物体轮廓的反光板3-4。

在本发明中，待标定物体的世界坐标系下的坐标为人工给定的世界坐标系坐标，所述的激光坐标系下的坐标为采用激光扫描定位装置实际测得的待标定物体的世界坐标系坐标。

需要补充说明的是：这里所述的激光坐标系是经过平移以后和世界坐标系同一个原点的坐标系，激光坐标系就是世界坐标系，因此，在激光坐标系下测得的坐标即为世界坐标系坐标。

本发明的基于反光板的激光标定系统的标定方法，包括以下步骤：

步骤一、进行激光扫描标定装置应用初始化。

本步骤的具体实现方法为：

①建立激光定位反光板映射地图、应用环境设施映射地图；

②建立用于激光定位的世界坐标系、激光坐标系。

所述激光定位反光板映射地图包括至少三块用于激光定位的反光板在世界坐标系下的坐标，所述应用环境设施映射地图包括每个待标定物体在世界坐标系下的坐标和角度。

关于激光定位反光板映射地图进一步说明如下：

初始化建图时由于货架还没有摆放，所以此时的反光板既是用于定位经纬度的至少三块反光板，不包括货架上用于标定的反光板。当然，如果货架上反光板不被遮挡，激光头除了扫描到用于定位经纬度的至少三块反光板还能够扫描到货架上用于标定的反光板，也可以一次性地在初始化建图时将这些反光板一起扫描，将两种反光板地图合并在一张地图中。

应用环境设施地图的物理坐标是人工给定，而非通过激光扫描得到的，因为应用环境中的目标物体(包括货架)没有反光板的特性，其初始坐标位置是人工设定的物理位置，而人工设定的物理位置和施工后的物理位置常常会有偏差，由于AGV需要到目标物体(包括货架)去存取货物，因此对目标物体的物理位置精准性提出了要求。

所述世界坐标系为以应用环境中某个点为原点的世界坐标系，所述激光坐标系为以激光扫描器内设某个点为原点的激光坐标系。

补充说明：关于世界坐标系进一步说明如下：世界坐标系的原点可以是室内的某个墙角，以墙角的两边分别作为X轴和Y轴，这样比较直观。也可以是墙角的附近或者室内的任何一点。激光坐标系的原点是激光扫描器内设的一个点，也可以想象成以激光头为原点的坐标系，激光坐标系是建立在激光扫描器上的，是随着激光扫描器的移动而移动的，是一个动态的坐标系，但是在初始化建图时的激光坐标系却是一个固定的位置，为了直观和方便起见，一般初始化建图时的激光坐标系和世界坐标系是重合的，也可以不重合，但是如果不重合，激光坐标系的坐标必须平移到世界坐标系。例如，初始化建图时的至少三块反光板的物理位置必须是平移以后和世界坐标系吻合后的在世界坐标系下的坐标。之所以强调在初始化时必须将激光坐标系和世界坐标系吻合，是因为初始化时的另外一张设施地图是基于世界坐标系的地图，这两个图必须是同一套坐标系。

步骤二、在每个待标定物体上铺设至少一个反光板。

步骤三、每次对一个待标定物体进行校准。

本步骤的具体处理过程为：

①获得当前激光扫描定位装置在世界坐标系下的位姿；

②获得当前激光扫描定位装置和当前待校准的货架反光板的相对位姿；

③获得当前待校准的待标定物体反光板在世界坐标系下的位姿；

在步骤中，如果在初始化建图时就已经推算出待标定物体(例如货架)上反光板额坐标，则步骤二、步骤三在初始化建图时完成，可以取消步骤三的过程①、②、③。

步骤四、根据校准结果更正待标定物体的坐标。

本步骤的具体实现方法为：在应用环境设施映射地图中，用校正后的待标定物体坐标值和角度值去修正初始化时的待标定物体的坐标值和角度值；所述坐标值和角度值均为在世界坐标系下的坐标值和角度值。

如果在初始化建图时就已经推算出待标定物体(例如货架)上反光板的坐标，则步骤四可以在步骤一的①建立激光定位反光板映射地图时一并完成。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于反光板的激光标定系统，包括至少一个待标定物体、至少一个激光扫描标定装置，至少三个用于激光定位且物理位置固定的激光定位反光板，其特征在于：所述至少一个待标定物体上设置有至少一个待标定点和与待标定点对应的至少一个激光定位反光板，该至少一个激光定位反光板用于对其所对应的待标定点的世界坐标系下的坐标和激光坐标系下的坐标进行物理吻合和校准；

所述至少一个待标定物体上设置有至少一个待标定点和与待标定点对应的至少一个激光定位反光板的标定方法为：用标定一个点的一个反光板标定待标定物体上一个点的坐标，用标定一条线的两个反光板标定待标定物体上的一条线，用标定物体的两个以上的反光板标定待标定物体的轮廓；所述标定一条线的两个反光板铺设在靠近通道的同一侧，且相互间隔一定距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于反光板的激光标定系统，其特征在于：所述的激光扫描标定装置包括激光扫描器和与其连接的激光处理器，所述激光处理器用于记录激光扫描器扫描的数据并处理这些数据直至得到标定值；所述待标定物体为在激光标定系统中使用激光定位反光板进行标定的物体，该待标定物体包括仓储货架以及自动化装配台；所述的扫描标定装置安装于激光AGV车体上，或安装在人工手推车上。

3.根据权利要求1所述的一种基于反光板的激光标定系统，其特征在于：所述待标定点的世界坐标系下的坐标为人工给定的世界坐标系坐标，所述激光坐标系下的坐标为采用激光扫描定位装置实际测得的待标定物体的世界坐标系坐标。

4.一种如权利要求1至3任意一项所述一种基于反光板的激光标定系统的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、进行激光扫描标定装置应用初始化；

步骤二、在每个待标定物体上铺设至少一个反光板；

步骤三、每次对一个待标定物体进行校准；

步骤四、根据校准结果更正待标定物体的坐标。

5.根据权利要求4所述一种基于反光板的激光标定系统的标定方法，其特征在于：所述步骤一包括以下处理过程：

①建立激光定位反光板映射地图和应用环境设施映射地图；

②建立用于激光定位的世界坐标系和激光坐标系。

6.根据权利要求5所述一种基于反光板的激光标定系统的标定方法，其特征在于：所述激光定位反光板映射地图包括至少三块用于激光定位的反光板在世界坐标系下的坐标，所述应用环境设施映射地图包括每个待标定物体在世界坐标系下的坐标和角度。

7.根据权利要求5所述一种基于反光板的激光标定系统的标定方法，其特征在于：所述世界坐标系为以应用环境中某个点为原点的世界坐标系，所述激光坐标系为以激光扫描器内设某个点为原点的激光坐标系。

8.根据权利要求4所述一种基于反光板的激光标定系统的标定方法，其特征在于：所述步骤三包括以下处理过程：

①获得当前激光扫描定位装置在世界坐标系下的位姿；

②获得当前激光扫描定位装置和当前待校准的货架反光板的相对位姿；

③获得当前待校准的待标定物体反光板在世界坐标系下的位姿。

9.根据权利要求4所述一种基于反光板的激光标定系统的标定方法，其特征在于：所述步骤四的处理方法为：在应用环境设施映射地图中，用校正后的待标定物体坐标值和角度值去修正初始化时的待标定物体的坐标值和角度值；所述坐标值和角度值均为在世界坐标系下的坐标值和角度值。