CN109765567B - 基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法，涉及激光测距技术领域，主要包括以下步骤：将制作好的标定物放在激光测距仪的发射器的侧下方，发射器在扫描面内转动并向标定物发射激光，激光经过标定物反射后被激光测距仪接收到，得到标定物表面上的被测点，拟合被测点得到四条直线段，根据直线段计算标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换矩阵，并根据转换方程确定标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换关系。本发明的方法只需使用三个长方体标定物，并且在这些标定物中只需要知道其中一个的高度，在获得一组轮廓数据后，通过后续步骤明确的计算，即可获得测距仪位置。标定物极易制作，计算方法也易于实现，具有很强的实用性。

Description

基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，特别是涉及基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法。

背景技术

激光测距仪通过发射激光来测量光源和被照射点的距离，根据发射方向分为一维、二维和三维等类别。其中二维激光测距仪在一个平面内连续发出多个角度的激光脉冲，获得一组距离数据，代表了被扫描物体(场景)的一条表面轮廓线，由于价格适中，因此广泛用于轮廓测量、区域监控和定位。

测距仪发出的激光分为两种，可见光和不可见光，其中不可见光由于没有明显的视觉特征，因此不能用传统的基于图像的方法进行测距仪的标定；另外由于获取的轮廓数据虽然对应于周边场景，但是数据量偏小，如果事先无法确定场景形状，则给标定测距仪带来很大困难。

发明内容

本发明实施例提供了基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将制作好的标定物放在激光测距仪的发射器的侧下方，其中所述标定物的数量为三个，均为长方体，其中两个长方体标定物相互紧贴并放在其余一个长方体标定物的上表面上，位于上方的两个所述长方体标定物中靠近所述发射器的长方体标定物的高度已知，且该已知高度的长方体标定物高度小于远离所述发射器的长方体标定物的高度；

步骤2，所述发射器在扫描面内转动并向所述标定物发射激光，激光经过标定物反射后被激光测距仪接收到，得到标定物表面上多个被测点，拟合这些被测点得到四条直线段；

步骤3，根据拟合得到的直线段计算标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换矩阵，并根据下式确定标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换方程：

C＝RM+T

其中C为标定物坐标系中的坐标，表示为C＝(X,Y,Z)，M为测距仪坐标系中的坐标，表示为M＝(x,y,z)，R和T均为转换矩阵，二者分别表示为：

其中，(r₁ r₂ r₃)^T、(r₄ r₅ r₆)^T和(r₇ r₈ r₉)^T分别是测距仪坐标系中x、y和z轴在标定物坐标系中的单位向量，(t_x t_y t_z)^T是测距仪坐标系的原点o在标定物坐标系中的坐标。

本发明实施例中的基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法，只需使用三个长方体标定物，并且在这些标定物中，只需要预先知道其中一个的高度数值即可，在获得一组轮廓数据后，通过后续步骤明确的计算，即可获得测距仪位置。标定物极易制作，计算方法也易于实现，具有很强的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法的流程图；

图2为定位过程中使用的长方体标定物和激光测距仪的发射器的示意图；

图3为扫描平面内轮廓线和发射器的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

激光扫描测距仪能够通过旋转的光学部件发射二维扫描面，返回被测物体表面点和光心的距离，以实现轮廓测量功能。具体原理为：测距仪内部的发射器发出激光脉冲，内部定时器开始计时，当激光脉冲碰到物体后，部分能量返回。当接收器收到返回激光时，定时器停止计时。从发射器光心到物体的距离通过光速和时差计算获得。在扫描面内的每个被测点以极坐标表示，即(L,β)，L表示距离光心的距离，β表示扫描线和测距仪坐标系x轴的夹角。

参照图1，本发明提供了基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将制作好的标定物放在激光测距仪的发射器的侧下方，其中所述标定物的数量为三个，均为长方体，其中两个长方体标定物相互紧贴并放在其余一个长方体标定物的上表面上，位于上方的两个所述长方体标定物中靠近所述发射器的长方体标定物的高度已知为h，且该已知高度的长方体标定物高度小于远离所述发射器的长方体标定物的高度。

在本实施例中，三个所述长方体标定物可以自行制作，需要使用具有一定反射率的材料制成，例如木头、金属或者毛玻璃等。且长方体标定物的形状要规整精确，尺寸不限，只需要提前测量其中一个的高度即可。

步骤2，所述发射器在扫描面内转动并向所述标定物发射激光，激光经过标定物反射后被激光测距仪接收到，得到标定物表面上一系列离散的被测点，拟合这些被测点即可得到四条直线段，如图2和3中的线段ab、bc、cd和de所示。

步骤3，根据拟合得到的直线段计算标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换矩阵，并根据下式确定标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换方程：

C＝RM+T

其中C为标定物坐标系中的坐标，表示为C＝(X,Y,Z)，M为测距仪坐标系中的坐标，表示为M＝(x,y,z)，R和T均为转换矩阵，二者分别表示为：

其中，(r₁ r₂ r₃)^T、(r₄ r₅ r₆)^T和(r₇ r₈ r₉)^T分别是测距仪坐标系中x、y和z轴在标定物坐标系中的单位向量，(t_x t_y t_z)^T是测距仪坐标系的原点o在标定物坐标系中的坐标。

如图2所示，标定物坐标系的原点O为已知高度的长方体坐标系的一个顶点，X轴和Y轴分别为从该顶点出发的相邻两条边，Z轴经过原点O竖直向上，测距仪坐标系的原点o位于发射器的光心处，x轴和y轴如图所示，均位于扫描面π₂内，z轴由右手坐标原则确定，与扫描面π₂垂直。

步骤3中转换矩阵R和T的计算过程如下：

在测距仪的二维坐标系下(忽略z轴)，求四条直线段的三个交点，即ab和bc的交点b(x_b,y_b)、bc和cd的交点c(x_c,y_c)、cd和de的交点d(x_d,y_d)。

分别求出线段cb的长度|cb|、线段cd的长度|cd|、两条线段之间的夹角α。

在标定物坐标系下，线段cd对应的向量

为

标准化后成为单位向量

线段cb对应的单位向量

为

其中t为未知数，根据

可计算出t。再根据线段cb的长度|cb|和cd的长度|cd|，可求出b点、c点和d点在标定物坐标系下的坐标，分别记为X_b、X_c和X_d。

根据向量

计算出扫描面π₂的法向量，标准化后记为(r₇ r₈ r₉)^T。

在测距仪坐标系下，计算b点、c点、d点和测距仪光心o的距离，分别记作|ob|、|oc|、|od|。在标定物坐标系下，令测距仪光心o的坐标为X_o，建立如下方程组：

求得测距仪光心o在标定物坐标系下的坐标X_o，记为(t_x t_y t_z)^T。

在测距仪坐标下，选择ob、oc和od中的任意一条线段，例如ob，求得其与测距仪坐标系x轴的夹角，记为β_b。在标定物坐标系下，将向量

沿扫描面π₂的法向量顺时针旋转β_b，即可确定测距仪坐标系的x轴在标定物坐标系下的单位向量，记为(r₁ r₂ r₃)^T。

将(r₁ r₂ r₃)^T和扫描面π₂的法向量(r₇ r₈ r₉)^T做叉积运算并标准化，即可求得测距仪坐标系的y轴在标定物坐标系下的单位向量(r₄ r₅ r₆)^T。至此，测距仪坐标系和标定物坐标系的转换矩阵R和T全部确定。

实施例

本发明的方法可用于车辆轮廓的测量系统。该系统由两个二维激光测距仪组成，分别固定安装在左右两根柱子上，并且使用本发明的标定方法进行了空间定位。车辆从两根柱子中间缓慢通过时，两个激光测距仪获得运动中的汽车的连续的两组轮廓线。由于测距仪已经标定过，因此可以将两组轮廓线从各自的测距仪坐标系变换到统一的标定物坐标系，形成车辆的完整轮廓，从而计算出车辆的长、宽、高等数据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，将制作好的标定物放在激光测距仪的发射器的侧下方，其中所述标定物的数量为三个，均为长方体，其中两个长方体标定物相互紧贴并放在其余一个长方体标定物的上表面上，位于上方的两个所述长方体标定物中靠近所述发射器的长方体标定物的高度已知，且该已知高度的长方体标定物高度小于远离所述发射器的长方体标定物的高度；

步骤2，所述发射器在扫描面内转动并向所述标定物发射激光，激光经过标定物反射后被激光测距仪接收到，得到标定物表面上多个被测点，拟合这些被测点得到四条直线段；

步骤3，根据拟合得到的直线段计算标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换矩阵，并根据下式确定标定物坐标系和测距仪坐标系之间的转换方程：

C＝RM+T

其中C为标定物坐标系中的坐标，表示为C＝(X,Y,Z)，M为测距仪坐标系中的坐标，表示为M＝(x,y,z)，R和T均为转换矩阵，二者分别表示为：

其中，(r₁ r₂ r₃)^T、(r₄ r₅ r₆)^T和(r₇ r₈ r₉)^T分别是测距仪坐标系中x、y和z轴在标定物坐标系中的单位向量，(t_x t_y t_z)^T是测距仪坐标系的原点o在标定物坐标系中的坐标；

步骤3中转换矩阵R和T的计算过程为：

在测距仪的二维坐标系下，求四条直线段的三个交点，即ab和bc的交点b(x_b,y_b)、bc和cd的交点c(x_c,y_c)、cd和de的交点d(x_d,y_d)；

分别求出线段cb的长度|cb|、线段cd的长度|cd|、两条线段之间的夹角α；

在标定物坐标系下，线段cd对应的向量

为

标准化后成为单位向量

其中h为已知高度的标定物的高度；线段cb对应的单位向量

为

根据

计算出t；再根据线段cb的长度|cb|和cd的长度|cd|，求出b点、c点和d点在标定物坐标系下的坐标，分别记为X_b、X_c和X_d；

根据向量

和

计算出扫描面π₂的法向量，标准化后记为(r₇ r₈ r₉)^T；

在测距仪坐标系下，计算b点、c点、d点和测距仪光心o的距离，分别记作|ob|、|oc|、|od|，在标定物坐标系下，令测距仪光心o的坐标为X_o，建立如下方程组：

求得测距仪光心o在标定物坐标系下的坐标X_o，记为(t_x t_y t_z)^T；

在测距仪坐标下，选择ob、oc和od中的任意一条线段，假设选择ob，求得其与测距仪坐标系x轴的夹角，记为β_b，在标定物坐标系下，将向量

沿扫描面π₂的法向量顺时针旋转β_b，确定测距仪坐标系的x轴在标定物坐标系下的单位向量，记为(r₁ r₂ r₃)^T；

将(r₁ r₂ r₃)^T和扫描面π₂的法向量(r₇ r₈ r₉)^T做叉积运算并标准化，求得测距仪坐标系的y轴在标定物坐标系下的单位向量(r₄ r₅ r₆)^T。

2.如权利要求1所述的基于长方体标定物的二维激光测距仪定位方法，其特征在于，三个所述长方体标定物使用木头、金属或者毛玻璃材料制成。

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