CN109375196B - 一种基于时空变换的激光雷达标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于时空变换的激光雷达标定装置，用于全固态三维面阵激光雷达的标定，包括：待标定三维面阵激光雷达安装部分；合作标定目标安装部分；环境光屏蔽箱体；定向接收主动光源导管以及时间延迟模块；待标定三维面阵激光雷达安装部分、合作标定目标安装部分、环境光屏蔽箱体、定向接收主动光源导管以及时间延迟模块使用固定螺丝、定位孔方式固定，组成一个一体化三维面阵激光雷达标定装置。还公开了相应的标定方法。简单、方便、快捷的标定装置和标定方法，能对三维面阵激光雷达进行快速、精确标定，标定精度高，标定距离范围广，且不要求特殊的标定环境和合作标定目标。

Description

一种基于时空变换的激光雷达标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及激光雷达标定技术，且特别涉及一种基于时空变换的三维面阵激光雷达标定装置及标定方法。

背景技术

全固态三维面阵激光雷达是一种新兴的三维测距成像设备，作为智能装备的“眼睛”，在工业生产、交通物流、安防监控等领域中得到越来越广泛的应用，为诸如流水线产品分拣、机械臂抓取、AGV无人车避障、汽车无人驾驶、三维人脸识别和行为预测等应用实时提供高分辨率的距离信息。

基于ToF(Time of Flight)全固态三维面阵激光雷达，通过向目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间获取目标物距离。为了测量整个场景表面所有目标点的距离信息，传统的距离测量系统将逐点(线)的ToF传感器安装在一个扫描机构上，通过机械扫描方式获取整个场景表面的距离信息。全固态三维面阵激光雷达则是通过将很多ToF传感器集成到一个阵列面上，形成一个矩阵，通过矩阵式ToF传感器一次拍摄成像，即可实时获取整个场景的表面距离信息。

与传统的扫描式激光雷达相比，由于全固态三维面阵激光雷达集成了很多ToF传感器，而单个传感器的AD转换效能、温度漂移特性存在差异，同时受主动光源的不均匀性、同距离目标物回波强度差异等外部因素影响，各传感器获取目标点的距离误差也各不相同。因此，如何解决对ToF传感器上众多像素点同时进行精确标定，修正TOF传感器各像素点的系统误差，提高整体测量精度，是全固态三维面阵激光雷达应用要解决的核心关键技术之一。

现有的全固态三维面阵激光雷达ToF传感器的标定通常采用比较标定法。在距全固态三维面阵激光雷达的视距范围内放置一个材质相同的平整目标物，调整激光ToF传感器像平面与平整目标物平行，在确保稳定的环境光照条件下，采集距离数据该处的距离数据；接着，使用精确的测量工具，获取三维面阵激光雷达与目标物的实际值。在不同距离，重复上述过程，获取另一组测量值与实际值。通过分析计算，得到测量值与实际值的关系，做出误差补偿，完成标定。这种借鉴单点ToF传感器的标定思想的方法，对标定环境要求苛刻，环境条件对标定精度影响显著，更主要的是无法发现在同一工作环境下ToF传感器各像素点差异导致的误差。现有的全固态三维面阵激光雷达ToF传感器标定方法的固有特点决定了它们的局限性，主要表现为：

1)无法消除ToF传感器各像素点的个体差异。传统的标定方法，通过整体标定的方法，没有考虑像素点的个体差异，对所有像素点进行标定后生成一个相同的误差校正值，无法消除不同像素点的个体测量误差。

2)标定精度严重依赖标定使用的合作目标。应用传统方法标定全固态三维面阵激光雷达ToF传感器时，对标定所使用的合作目标的依赖性主要表现在：一是要求在ToF传感器成像区域上的合作目标必须是平整的；二是目标平面必须与传感器像平面平行；三是在任意标定距离下都要求合作目标充满整个ToF成像平面。

3)对标定环境要求苛刻。传统方法标定三维面阵激光雷达ToF传感器时，要在不同标定距离处安装与像平面平行的、且能在该视线距离完全覆盖像平面的标定合作目标，在视场范围内无遮挡，对标定所需的场地和合作标定目标安装条件非常苛刻。同时，为得到精确的标定结果，在标定时要求过滤同波段环境光，在实际应用中，很难满足此标定条件。

4)标定操作复杂，过程繁琐，效率低下。从上述三点的描述，可以发现，传统的标定方法的标定操作复杂繁琐，标定效率底，很难满足产品化要求。

5)标定精度差。传统的标定方法的标定受像素点个体差异、合作标定目标、标定环境和标定过程与步骤等不确定因素的影响，标定结果存在很大的随机性，标定结果不精确。

发明内容

针对现有激光雷达标定方法和手段的不足，本发明提供了一种标定装置和简单、方便、快捷的标定方法，能对三维面阵激光雷达进行快速、精确标定，且不要求特殊的标定环境和合作标定目标。

为了实现上述目的，本发明的目的在于提供一种基于时空变换的激光雷达标定装置，包括：

待标定三维面阵激光雷达安装部分；

合作标定目标安装部分；

环境光屏蔽箱体；

定向接收主动光源导管；

以及时间延迟模块；

所述待标定三维面阵激光雷达安装部分、合作标定目标安装部分、环境光屏蔽箱体；定向接收主动光源导管以及时间延迟模块使用固定螺丝、定位孔方式固定，组成一个一体化三维面阵激光雷达标定装置。

优选的，所述三维面阵激光雷达安装部分为标定箱体的前面板，包括：第一黑色面板(1)、定向主动光源导管安装孔(2)、待标定面阵激光雷达固定孔(3)以及箱体安装孔(4)；所述定向主动光源导管安装孔(2)设置在所述第一黑色面板(1)中心位置，用于安装主动光源导管，在所述主动光源导管安装孔(2)四周设置4个所述待标定面阵激光雷达固定孔(3)，用于固定待测面阵激光雷达，确保待标定的面阵阵列ToF传感器被主动光源导管包围；在所述第一黑色面板(1)边缘设置4个所述箱体安装孔(4)，用于固定面板与标定箱体。

优选的，所述合作标定目标安装部分为标定箱体的后面板，包括：第二黑色面板(5)、箱体通光窗(6)以及箱体和合作标定目标安装孔(7)，所述箱体通光窗(6)设置在所述第二黑色面板(5)的中心位置，在所述第二黑色面板(5)边缘设置4个所述箱体和合作标定目标安装孔(7)，用于固定面板与标定箱体，同时固定标定合作目标。

优选的，所述环境光屏蔽箱体包括：第三黑色面板(8)、安装孔(9)以及灰色吸光材料层(10)，所述第三黑色面板(8)含上面板(8-1)、下面板(8-2)、前面板(8-3)、后面板(8-4)、左面板(8-5)以及右面板(8-6)共6块，所述环境光屏蔽箱体的左右面板和上下面板共4块，每块面板上各设置6个所述安装孔(9)，用于固定面板与标定箱体；在所述第三黑色面板(8)内表面粘帖所述灰色吸光材料层(10)，减小所述环境光屏蔽箱体发射光对标定的影响。

优选的，所述定向接收主动光源导管包括：黑色管体(11)以及内部磨砂层(12)，合作标定目标反射的主动光源经所述定向接收主动光源导管多次反射后，被ToF传感器接收；所述内部磨砂层(12)设置在所述黑色管体(11)的内壁，形成漫反射，防止过强的反射光导致ToF传感器饱和。

优选的，所述时间延迟模块，包括延迟DLL芯片组(13)和连接器(14)，所述延迟芯片组(13)由多个延迟DLL芯片组成，在待标定的三维面阵激光雷达处理器的控制下，将输入的脉冲信号延迟给定的插入时间后输出控制激光器，通过所述连接器(14)与待标定的三维面阵激光雷达的电源、控制信号和数据信号连接，与激光器发光控制连接。

优选的，所述第一黑色面板(1)、第二黑色面板(5)、第三黑色面板(8)为亚克力板，所述黑色管体(11)为PVC管材。

优选的，所述延迟芯片为高精度可编程延迟芯片DS1023，所述连接器(14)为2.54mm间距的双列直插排座。

本发明的目的还在于提供一种为解决三维面阵激光雷达快速、精确标定的技术问题而设计的步骤简单、设计合理、标定距离广、标定精确的基于时空变换，即时间延迟的三维面阵激光雷达标定方法，所述标定方法过程包括如下步骤：

步骤一，将待标定三维面阵激光雷达安装在标定装置上；

步骤二，运行标定软件，并设置三维面阵激光雷达的标定参数；

步骤三，三维面阵激光雷达开始按设定距离的步长，自动标定不同距离点的系统误差，形成误差补偿数据；

步骤四，完成标定，生成并保存误差补偿数据文件。

优选的，所述步骤一将待标定三维面阵激光雷达安装在标定位置的方法包括：

步骤11，如果待标定的三维面阵激光雷达装有镜头和镜头座，先拆卸镜头和镜头座，使ToF传感器能直接与导光管接触；

步骤12，用清洗剂清洁ToF传感器感光部位，确保传感器表面洁净；

步骤13，调整激光雷达位置，使ToF传感器完全置于定向主动光源导管内，并确保定向主动光源导管与激光雷达完全贴合，两者之间无缝隙；

步骤14，用螺丝将三维面阵激光雷达固定在标定盒前面板的4个所述待标定面阵激光雷达固定孔(3)上，完成安装。

优选的，所述步骤二包括：

步骤21，运行参数设置软件并选择三维面阵激光雷达待标定的频率点；

步骤22，参数设置软件自动采集三维面阵激光雷达像平面所有像素点的幅值数据；

步骤23，参数设置软件自动计算像平面所有幅值数据的平均值；

步骤24，判断当前幅值平均值是否大于1000，如果大于1000直接运行步骤25，如果小于1000，增大三维面阵激光雷达的积分时间，重复步骤22；

步骤25，判断当前幅值平均值是否小于1500，如果小于1500直接运行步骤26，如果大于1500，降低三维面阵激光雷达的积分时间，重复步骤22；

步骤26，锁定当前设置的“调制频率”和“积分时间”两个三维面阵激光雷达工作参数，发送“开始标定”指令，三维面阵激光雷达接收到指令后，自动进行标定。

优选的，所述步骤三包括：

步骤31，去除ToF传感器的成像区域参数设置，将ToF传感器的采集区域设置为全像平面区域；

步骤32，先预热ToF传感器，达到稳定的工作温度；

步骤33，初始化标定参数，将所述延迟DLL芯片的初始延迟步长设置为0，即不插入任何延迟步长；

步骤34，在对应于相应的延迟DLL步长的一个距离处，进行多次采集，并计算采集结果的平均值，开始采集时，先将采集次数计数清0；

步骤35，开始采集像平面所有点的回波信号，并基于该信号的幅值，计算对应点的距离值；

步骤36，如果采集次数达到设定值，结束本次采集，转到步骤37；如果未达到设定值，转到步骤35，继续采集并计算该步长的距离值；

步骤37，计算所述步骤35得到的距离值的平均值，形成对应于相应的延迟DLL步长的该距离处ToF传感器的误差补偿参数；

步骤38，判断插入的DLL步长个数是否达到设置值，如果达到设定值，结束本次标定；如果未达到设定值，将延迟步长增加1，重复步骤34，在下一个距离点的采集、计算误差补偿参数。

优选的，所述步骤32包括：

步骤321，设置ToF传感器稳定工作温度参数T0；

步骤322，延迟1秒，采集ToF传感器当前工作温度T，并计算当前稳定T与稳定工作稳定T0的差值△T；

步骤323，判断稳定差值△T，如果连续多次，△T都小于给定的设置值，判定ToF工作稳定或趋于稳定，进入标定；如果△T未满足上述要求，转到步骤322重新采集当前温度，重复上述过程，直至ToF传感器工作稳定。

本发明的有益效果为能方便快捷地完成三维面阵激光雷达的精确标定，标定精度高，标定距离范围广，不受标定环境约束。有益效果表现为：

1)本标定方法，在计算标定结果时，针对每个ToF传感器上所有像素点统计系统测量误差，计算误差补偿值；在实际测量时，对不同的像素点使用生成的误差补偿表进行测量值修正，很好解决了各像素点因AD转换效能、温度漂移特性不同带来的系统误差；

2)本发明的标定装置，能很好确定传感器像平面与标定合作目标的相对位置关系；同时，本发明标定方法通过时间补偿方法虚拟改变标定合作目标与ToF传感器的视线距离，因此不要求合作目标的大小随视线距离增大而增大；在不同视线距离标定时，也无需调整两者之间的时间位置关系；本发明的标定装置和标定方法生成的标定数据，还能修正两者之间位置偏差引入的标定误差，从而本标定装置和方法能消除合作标定目标对精度的影响；

3)本发明的标定方法，利用时间补偿的方法，无需改变成像雷达与合作标定目标的实际位置关系，仅需通过改变发射光源延后的发光时间，来调整各个不同距离点的标定，克服了合作目标安装困难、标定场地条件要求苛刻的缺陷。同时，因为成像雷达与合作标定目标可以在很短的视线距离内完成所有距离的标定，使用本发明的标定装置，可以完全隔离其他光源对ToF传感器的照射，避免了其他同波段光源对标定的影响；

4)本发明的标定方法只需把待标定的三维面阵激光雷达安装在本发明的标定装置上，运行标定软件，即可完成不同距离的标定，生成并自动保存标定文件，整个标定过程无需人工干预，标定操作简单，标定效率高；

5)本发明的标定方法，在整个标定过程中，很好排除了素点个体差异、合作标定目标、标定环境和标定过程与步骤等不确定因素的影响，且很好保证了标定过程在一个稳定的环境下进行，能大大降低了系统误差，生成精度很高的误差补偿数据，提高测量精度。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明现有技术的ToF激光雷达测距原理图。

图2所示为根据本发明实施例的基于时空转换的激光雷达标定方法原理图。

图3所示为根据本发明实施例的三维面阵激光雷达标定装置结构示意图。

图4所示为根据本发明实施例的三维面阵激光雷达安装部分的机构示意图。

图5所示为根据本发明实施例的合作标定目标安装部分的结构示意图。

图6所示为根据本发明实施例的环境光屏蔽箱体结构示意图。

图7所示为根据本发明实施例的定向接收主动光源导管结构示意图。

图8所示为根据本发明实施例的时间延迟模块结构示意图以及与激光雷达连接示意图。

图9所示为根据本发明实施例的三维面阵激光雷达标定方法流程图。

图10所示为根据本发明实施例的三维面阵激光雷达安装方法流程图。

图11所示为根据本发明实施例的三维面阵激光雷达标定参数设置方法流程图。

图12所示为根据本发明实施例的三维面阵激光雷达自主标定方法流程图。

具体实施方式

参见图1，ToF激光雷达测距原理图，基于ToF的激光雷达在测距开始时，通过控制激光器向目标场景发射信号，发射时刻记为T₀。信号经目标场景反射后，传到激光雷达的传感器，被传感器接收，传感器接收到信号的时刻时间记为T₁，发射信号与接收信号的时间差为(t₁-t₀)，结合光速c，就可以计算出目标场景距激光雷达的距离：

d＝c*(t1-t0)/2

为使标定结果更精确，需要在不同的距离处进行多次标定，传统的标定方法通过改变合作标定目标与三维面阵激光雷达的实际物理距离实现不同点的标定，这种标定方法要求大的标定空间、合作标定目标安装要求苛刻、受环境干扰因素严重、并且标定不同距离处需要调整三维面阵激光雷达的工作参数。

通过时空转换的方法，在不改变三维面阵激光雷达与合作标定目标实际物理距离，通过延迟激光器的发光时间，模拟改变两种之间的距离，实现不同距离点的标定。这样，标定无需远的标定距离，也无需大的合作标定目标；在标定过程中由于可以固定两者之间的位置关系，可以把合作标定目标与三维面阵激光雷达安装在标定装置中，该标定装置能很好地屏蔽环境因素，特别是光照变化对标定的影响；同时，由于两者间的实际位置关系是固定的，在标定过程中无需调整三维面阵激光雷达的工作参数，控制了因工作参数变化对标定结果的影响。基于时空转换的标定方法基本原理如图2所示。根据ToF原理，三维面阵激光雷达测量到的模拟距离d为：d＝c*(t1-t0)/2；

假设插入的延迟时间t2＝0时，模拟距离d与实际距离d0，即与标定装置长度相等；当t2≠0时，增加的模拟距离值为：d-d0＝c*t2/2；

即：d＝c*t2/2+d0

因此，我们在不改变实际距离d0的情况下，通过调整延迟时间t2改变三维面阵激光雷达与合作标定目标的距离，实现不同距离处的标定。

参见图3，本实施例的一种基于时空变换的激光雷达标定装置，包括：待标定三维面阵激光雷达安装部分；合作标定目标安装部分；环境光屏蔽箱体；定向接收主动光源导管以及时间延迟模块；待标定三维面阵激光雷达安装部分、合作标定目标安装部分、环境光屏蔽箱体、定向接收主动光源导管以及时间延迟模块使用32个固定螺丝、定位孔方式固定，各个部分之间采用四根箱体固定连接龙骨连接，组成一个一体化三维面阵激光雷达标定装置，其中含上面板(8-1)、下面板(8-2)、前面板(8-3)、后面板(8-4)、左面板(8-5)以及右面板(8-6)，其中时间延迟模块使用4个安装螺丝与待标定三维面阵激光雷达连接在一起，附图中的其他附图标记参见如下附图4-8的说明。参见图4，三维面阵激光雷达安装部分为标定箱体的前面板，包括：第一黑色亚克力面板1(但不限于亚克力面板)、定向主动光源导管安装孔2、待标定面阵激光雷达固定孔3以及箱体安装孔4；定向主动光源导管安装孔2设置在第一黑色亚克力面板1的中心位置，用于安装主动光源导管，在主动光源导管安装孔2四周设置4个待标定面阵激光雷达固定孔3，用于固定待测面阵激光雷达，确保待标定的ToF面阵阵列被主动光源导管包围；在第一黑色亚克力面板1边缘设置4个箱体安装孔4，用于固定面板与标定箱体。

参见图5，合作标定目标安装部分为标定箱体的后面板，包括：第二黑色亚克力面板5(但不限于亚克力面板)、箱体通光窗6以及箱体和合作标定目标安装孔7，箱体通光窗6设置在第二黑色亚克力面板5的中心位置，在第二黑色亚克力面板5边缘设置4个箱体和合作标定目标安装孔7，用于固定面板与标定箱体，同时固定标定合作目标。

参见图6，环境光屏蔽箱体包括：第三黑色亚克力面板8(但不限于亚克力面板)、安装孔9以及灰色吸光材料层10，第三黑色亚克力面板8含上面板(8-1)、下面板(8-2)、前面板(8-3)、后面板(8-4)、左面板(8-5)以及右面板(8-6)共6块，环境光屏蔽箱体的左右面板和上下面板共4块，每块面板上各设置6个安装孔9，用于固定面板与标定箱体；在第三黑色亚克力面板8内表面粘帖灰色吸光材料层10，减小环境光屏蔽箱体发射光对标定的影响。

参见图7，定向接收主动光源导管包括：黑色PVC管体11(但不限于PVC管材)以及内部磨砂层12，合作标定目标反射的主动光源经定向接收主动光源导管多次反射后，被ToF传感器接收；内部磨砂层12设置在黑色PVC管体11的内壁，管体内壁磨砂处理后形成漫反射，防止过强的反射光导致ToF传感器饱和。

参见图8，时间延迟模块，包括延迟DLL芯片组13和连接器14，延迟芯片组13由多个延迟DLL芯片组成，在待标定的三维面阵激光雷达处理器的控制下，将输入的脉冲信号延迟给定的插入时间后输出控制激光器，通过连接器14与待标定的三维面阵激光雷达的电源、控制信号和数据信号连接，与激光器发光控制连接。本实施例中，延迟芯片为但不限于高精度可编程延迟芯片DS1023，连接器(14)为但不限于2.54mm间距的双列直插排座。

参见图9，本实施例还提供一种为解决三维面阵激光雷达快速、精确标定的技术问题而设计的步骤简单、设计合理、标定距离广、标定精确的基于时间延迟的三维面阵激光雷达标定方法，所述标定方法过程包括如下步骤：

步骤一，将待标定三维面阵激光雷达安装在标定装置上；

步骤二，运行标定软件，并设置三维面阵激光雷达的标定参数；

步骤三，三维面阵激光雷达开始按设定距离的步长，自动标定不同距离点的系统误差，形成误差补偿数据；

步骤四，完成标定，生成并保存误差补偿数据文件。

参见图10，所述步骤一将待标定三维面阵激光雷达安装在标定位置的方法包括：

步骤11，如果待标定的三维面阵激光雷达装有镜头和镜头座，先拆卸镜头和镜头座，使ToF传感器能直接与导光管接触；

步骤12，用酒精棉等清洗剂清洁ToF传感器感光部位，确保传感器表面洁净；

步骤13，调整激光雷达位置，使ToF传感器完全置于定向主动光源导管内，并确保定向主动光源导管与激光雷达完全贴合，两者之间无缝隙；

步骤14，用螺丝将三维面阵激光雷达固定在标定盒前面板的4个所述待标定面阵激光雷达固定孔3上，完成安装。

参见图11，所述步骤二包括：

步骤21，运行参数设置软件并选择三维面阵激光雷达待标定的频率点；

步骤22，参数设置软件自动采集三维面阵激光雷达像平面所有像素点的幅值数据；

步骤23，参数设置软件自动计算像平面所有幅值数据的平均值；

步骤24，判断当前幅值平均值是否大于1000，如果大于1000直接运行步骤25，如果小于1000，增大三维面阵激光雷达的积分时间，重复步骤22；

步骤25，判断当前幅值平均值是否小于1500，如果小于1500直接运行步骤26，如果大于1500，降低三维面阵激光雷达的积分时间，重复步骤22；

步骤26，锁定当前设置的“调制频率”和“积分时间”两个三维面阵激光雷达工作参数，发送“开始标定”指令，三维面阵激光雷达接收到指令后，自动进行标定。

参见图12，所述步骤三包括：

步骤31，去除ToF传感器的成像区域参数设置，将ToF传感器的采集区域设置为全像平面区域；

步骤32，为提高标定结果的精确度，先预热ToF传感器，达到稳定的工作温度，具体包括：包括：

步骤321，设置ToF传感器稳定工作温度参数T0；

步骤322，延迟1秒，采集ToF传感器当前工作温度T，并计算当前稳定T与稳定工作稳定T0的差值△T；

步骤323，判断稳定差值△T，如果连续多次，△T都小于给定的设置值，判定ToF工作稳定或趋于稳定，进入标定；如果△T未满足上述要求，转到步骤322重新采集当前温度，重复上述过程，直至ToF传感器工作稳定；

步骤33，初始化标定参数，将所述延迟DLL芯片的初始延迟步长设置为0，即不插入任何延迟步长；

步骤34，为提高标定精度，在对应于相应的延迟DLL步长的一个距离处，进行多次采集，并计算采集结果的平均值，开始采集时，先将采集次数计数清0；

步骤35，开始采集像平面所有点的回波信号，并基于该信号的幅值，计算对应点的距离值；

步骤36，如果采集次数达到设定值，结束本次采集，转到步骤37；如果未达到设定值，转到步骤35，继续采集并计算该步长的距离值；

步骤37，计算所述步骤35得到的距离值的平均值，形成对应于相应的延迟DLL步长的该距离处ToF传感器的误差补偿参数；

步骤38，判断插入的DLL步长个数是否达到设置值，如果达到设定值，结束本次标定；如果未达到设定值，将延迟步长增加1，重复步骤34，在下一个距离点的采集、计算误差补偿参数。

本实施例使用时间插入的标定方法，在不改变三维面阵激光雷达与合作标定目标实际距离的情况下，标定的距离范围广，标定点多；自主标定流程和方法，标定全程无需人工干预，自主完成，标定方便快捷，标定效率高；标定装置很好的屏蔽了环境因素对标定结果的影响，排除了标定过程影响标定结果不确定因素的引入，提高标定精度；在三维面阵激光雷达上电启动过程中，自动判断并读取、使用生成的标定文件，对各像素点采集的数据自动进行误差补偿，提高了测量精度。

在实际标定过程中：1)消除所有ToF传感器像素点的个体差异。按像素点索引生成各点的误差补偿数据，很好解决了各像素点因AD转换效能、温度漂移特性不同带来的系统误差；2)标定不依赖标定合作目标。标定合作目标尺寸固定，不要求合作目标的大小随视线距离增大而增大；把因三维面阵激光雷达与标定合作目标相对位置关系引起的误差作为系统误差的一个组成部分给予修正，对标定时两者之间的相对位置要求不严格。3)标定环境稳定，不会引入环境变化带来的随机误差。标定不需大的标定场地，不会受外界的环境光变化影响，使用一个标定盒就能提供稳定的标定环境。4)标定过程简单，标定效率高。整个标定过程无需人工干预，由标定软件自动完成远距离多点标定，并自动生成保存标定文件。5)标定精度高。很好保证了标定过程在一个不受外界干扰的稳定环境下进行，大大降低了系统误差，生成精度很高的误差补偿数据，提高测量精度。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (10)

1.一种基于时空变换的激光雷达标定装置，其特征在于包括：

待标定三维面阵激光雷达安装部分；

合作标定目标安装部分；

环境光屏蔽箱体；

定向接收主动光源导管；

以及时间延迟模块；

所述待标定三维面阵激光雷达安装部分、合作标定目标安装部分、环境光屏蔽箱体、定向接收主动光源导管以及时间延迟模块使用固定螺丝、定位孔方式固定，组成一个一体化三维面阵激光雷达标定装置；

所述三维面阵激光雷达安装部分为标定箱体的前面板，包括：第一黑色面板(1)、定向主动光源导管安装孔(2)、待标定面阵激光雷达固定孔(3)以及箱体安装孔(4)；所述定向主动光源导管安装孔(2)设置在所述第一黑色面板(1)中心位置，用于安装主动光源导管，在所述主动光源导管安装孔(2)四周设置4个所述待标定面阵激光雷达固定孔(3)，用于固定待测面阵激光雷达，确保待标定的面阵阵列ToF传感器被主动光源导管包围；在所述第一黑色面板(1)边缘设置4个所述箱体安装孔(4)，用于固定面板与标定箱体；

所述合作标定目标安装部分为标定箱体的后面板，包括：第二黑色面板(5)、箱体通光窗(6)以及箱体和合作标定目标安装孔(7)，所述箱体通光窗(6)设置在所述第二黑色面板(5)的中心位置，在所述第二黑色面板(5)边缘设置4个所述箱体和合作标定目标安装孔(7)，用于固定面板与标定箱体，同时固定标定合作目标；

所述时间延迟模块，包括延迟DLL芯片组(13)和连接器(14)，所述延迟DLL芯片组(13)由多个延迟DLL芯片组成，在待标定的三维面阵激光雷达处理器的控制下，将输入的脉冲信号延迟给定的插入时间后输出控制激光器，通过所述连接器(14)与待标定的三维面阵激光雷达的电源、控制信号和数据信号连接，与激光器发光控制连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于时空变换的激光雷达标定装置，其特征在于：所述环境光屏蔽箱体包括：第三黑色面板(8)、安装孔(9)以及灰色吸光材料层(10)，所述第三黑色面板(8)含上面板(8-1)、下面板(8-2)、前面板(8-3)、后面板(8-4)、左面板(8-5)以及右面板(8-6)共6块，所述环境光屏蔽箱体的左右面板和上下面板共4块，每块面板上各设置6个所述安装孔(9)，用于固定面板与标定箱体；在所述第三黑色面板(8)内表面粘贴 所述灰色吸光材料层(10)，减小所述环境光屏蔽箱体发射光对标定的影响。

3.根据权利要求2所述的一种基于时空变换的激光雷达标定装置，其特征在于：所述定向接收主动光源导管包括：黑色管体(11)以及内部磨砂层(12)，合作标定目标反射的主动光源经所述定向接收主动光源导管多次反射后，被ToF传感器接收；所述内部磨砂层(12)设置在所述黑色管体(11)的内壁，形成漫反射，防止过强的反射光导致ToF传感器饱和。

4.根据权利要求3所述的一种基于时空变换的激光雷达标定装置，其特征在于：所述第一黑色面板(1)、第二黑色面板(5)、第三黑色面板(8)为亚克力板，所述黑色管体(11)为PVC管材。

5.根据权利要求1所述的一种基于时空变换的激光雷达标定装置，其特征在于：所述延迟DLL芯片组(13)为高精度可编程延迟芯片DS1023，所述连接器(14)为2.54mm间距的双列直插排座。

6.一种使用如权利要求1-5任一所述的基于时空变换的三维面阵激光雷达标定装置进行标定的方法，包括如下步骤：

步骤一，将待标定三维面阵激光雷达安装在标定装置上；

步骤二，运行标定软件，并设置三维面阵激光雷达的标定参数；

步骤三，三维面阵激光雷达开始按设定距离的步长，自动标定不同距离点的系统误差，形成误差补偿数据；

步骤四，完成标定，生成并保存误差补偿数据文件。

7.根据权利要求6所述的标定的方法，其特征在于所述步骤一将待标定三维面阵激光雷达安装在标定装 置的方法包括：

步骤11，如果待标定的三维面阵激光雷达装有镜头和镜头座，先拆卸镜头和镜头座，使ToF传感器能直接与定向接收主动光源导管接触；

步骤12，用清洗剂清洁ToF传感器感光部位，确保传感器表面洁净；

步骤13，调整激光雷达位置，使ToF传感器完全置于定向接收主动光源导管内，并确保定向主动光源导管与激光雷达完全贴合，两者之间无缝隙；

步骤14，用螺丝将三维面阵激光雷达固定在标定盒前面板的4个所述待标定面阵激光雷达固定孔(3)上，完成安装。

8.根据权利要求6所述的标定的方法，其特征在于所述步骤二包括：

步骤21，运行参数设置软件并选择三维面阵激光雷达待标定的频率点；

步骤22，参数设置软件自动采集三维面阵激光雷达像平面所有像素点的幅值数据；

步骤23，参数设置软件自动计算像平面所有幅值数据的平均值；

步骤24，判断当前幅值平均值是否大于1000，如果大于1000直接运行步骤25，如果小于1000，增大三维面阵激光雷达的积分时间，重复步骤22；

步骤25，判断当前幅值平均值是否小于1500，如果小于1500直接运行步骤26，如果大于1500，降低三维面阵激光雷达的积分时间，重复步骤22；

步骤26，锁定当前设置的“调制频率”和“积分时间”两个三维面阵激光雷达工作参数，发送“开始标定”指令，三维面阵激光雷达接收到指令后，自动进行标定。

9.根据权利要求6所述的标定的方法，其特征在于所述步骤三包括：

步骤31，去除ToF传感器的成像区域参数设置，将ToF传感器的采集区域设置为全像平面区域；

步骤32，先预热ToF传感器，达到稳定的工作温度；

步骤33，初始化标定参数，将所述延迟DLL芯片的初始延迟步长设置为0，即不插入任何延迟步长；

步骤34，在对应于相应的延迟DLL步长的一个距离处，进行多次采集，并计算采集结果的平均值，开始采集时，先将采集次数计数清0；

步骤35，开始采集像平面所有点的回波信号，并基于该信号的幅值，计算对应点的距离值；

步骤36，如果采集次数达到设定值，结束本次采集，转到步骤37；如果未达到设定值，转到步骤35，继续采集并计算该步长的距离值；

步骤37，计算所述步骤35得到的距离值的平均值，形成对应于相应的延迟DLL步长的该距离处ToF传感器的误差补偿参数；

步骤38，判断插入的DLL步长个数是否达到设置值，如果达到设定值，结束本次标定；如果未达到设定值，将延迟步长增加1，重复步骤34，在下一个距离点采集、计算误差补偿参数。

10.根据权利要求9所述的标定的方法，其特征在于所述步骤32包括：

步骤321，设置ToF传感器稳定工作温度参数T0；

步骤322，延迟1秒，采集ToF传感器当前工作温度T，并计算当前稳定T与稳定工作稳定T0的差值△T；

步骤323，判断稳定差值△T，如果连续多次，△T都小于给定的设置值，判定ToF工作稳定或趋于稳定，进入标定；如果△T未满足上述要求，转到步骤322重新采集当前温度，重复上述过程，直至ToF传感器工作稳定。