CN110109127B - 一种增加激光雷达点云稠密度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种增加激光雷达点云稠密度的装置及方法。在装置中增加了平面镜，在计算时便能求出反射矩阵；在本发明中，使用标定板平面的法向量和边缘直线方向向量作为特征，用SVD分解的方式标定旋转矩阵；使用标定板边缘直线的交点，即标定板的角点坐标标定平移矩阵。外参数标定得到的结果为(R|t)，标定结果利用计算公式即可映射非兴趣区域点云到兴趣区域，有效的增加激光雷达点云稠密度。

Description

一种增加激光雷达点云稠密度的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种增加激光雷达点云稠密度的装置及方法。

背景技术

激光雷达作为感知类传感器，对于提高无人系统的自主能力有很大的作用。现有的多线旋转式激光雷达，存在着价格与激光雷达垂直分辨率之间的矛盾，垂直分辨率高的激光雷达价格昂贵，而线数低的激光雷达垂直分辨率较低。旋转式激光雷达一般具有360°的水平FOV(field of view)，但一些应用，比如机载激光雷达，既无法承载过于笨重的多线激光雷达，也不需要360°的水平FOV，却要求较高的垂直分辨率。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种增加激光雷达点云稠密度的装置及方法，能够有效的增加激光雷达点云稠密度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种增加激光雷达点云稠密度的装置，包括上固定板、下固定板、第一平面镜、第二平面镜、固定夹以及激光雷达，所述的上固定板通过支撑杆平行设于下固定板的正上方，所述的第一平面镜的两端通过固定夹分别与上固定板和下固定板连接；所述的第二平面镜的两端通过固定夹分别与上固定板和下固定板连接；在所述的上固定板和下固定板上均设有安装滑槽，所述的固定夹滑动设于安装滑槽内；所述的第一平面镜和第二平面镜均与固定夹转动连接；所述的激光雷达安装于下固定板上，且位于第一平面镜与第二平面镜之间。第一平面镜和第二平面镜通过固定夹固定在上固定板和下固定板之间，上固定通过支撑杆平行设于下固定板的正上方；第一平面镜和第二平面镜均与固定夹转动连接，这样便于调整第一平面镜和第二平面镜的角度，而固定夹又是可滑动设于安装滑槽内的，通过滑动固定夹，调整第一平面镜和第二平面镜相对于激光雷达的距离；通过调整角度值以及距离值可以使得非兴趣区域点云投射到兴趣区域的标定板上。

作为优选的，所述的下固定板上的安装滑槽设有多个，多个安装滑槽对称设于下固定板中轴线的两侧，所述的激光雷达设于下固定板的中轴线上；所述的上固定板上设有与下固定板上的安装滑槽一一对应的安装滑槽。固定夹可拆卸设于安装滑槽内，设置多个安装滑槽，可以根据实际需求，旋转合适距离的安装滑槽。

一种增加激光雷达点云稠密度的方法，包括以下步骤：

S1.获取标定数据，利用权力要求2所述的增加激光雷达点云稠密度的装置，调整第一平面镜和第二平面镜的位置使得非兴趣区域点云投射到兴趣区域的标定板上，调整标定板的朝向与位置，记录多帧点云文件；

S2.计算特征，根据水平FOV的范围进行点云分类，第一类为未经镜面反射的激光点云，第二类为经过镜面反射后的激光点云；对各部分点云进行标定板特征检测，标定板特征包括点云平面的法向量，标定板点云的四条边缘方向，标定板点云的四个角点三维坐标；

S3.对多帧点云特征进行配准，计算出旋转平移矩阵，将非兴趣区域点云投射到兴趣区域。

进一步的：所述的S1步骤具体包括：

S11.设定环境：将权利要求2所述的装置安装完毕，使激光雷达正面朝向兴趣区域；将标定板放置在兴趣区域，调整第一平面镜和第二平面镜的角度，使得非兴趣区域的点云投射到兴趣区域，并将第一平面镜和第二平面镜固定；

S12.记录数据：调整标定板的朝向，记录下N帧数据；确定兴趣区域的点云水平角度范围(θ_a1，θ_a2)，镜像点云水平角度范围(θ_b1，θ_b2)。

进一步的：所述的S2步骤具体包括：

S21.将整体点云根据其水平角度范围，分成兴趣区域原始点云和非兴趣区域镜像点云两个部分，使用上标o、r分别代表所属的点云；使用下标i(i＝1,2…，N)表示第i帧点云，使用下标j(j＝1,2,3,4)表示第j条直线，使用下标k(k＝1,2,3,4)表示第k个标定板角点；使用下标p表示平面特征，使用下标l表示直线特征；使用n代表法向量或方向向量，使用C代表标定板角点；如：

表示第i帧原始点云平面法向量，

表示第i帧镜像点云第j条直线的方向向量；

S22.利用点云水平角度范围(θ_a1，θ_a2)，通过遍历每一个点云(x，y，z)，分离出

的点云，得到兴趣区域原始点云，由于雷达的噪声为±3cm，将阈值设置为3cm，使用RANSAC算法检测出标定板平面点云，对于该平面点云，使用SVD分解，拟合出点云平面的法向量

选取每条扫描线的两端边缘点，使用SVD分解边缘点坐标，拟合出4条直线，将直线投影到标定板平面上，得到直线特征

相邻直线的交点就是标定板的边缘点，记为

S23.利用点云水平角度范围(θ_b1，θ_b2)，分离出非兴趣区域镜像点云，对镜像点云使用RANSAC算法检测出标定板平面镜像点云，对于该平面点云，使用SVD分解拟合出点云平面的法向量

四条直线特征

标定板的边缘点记为

进一步的：所述的S3步骤具体包括：

S31.计算旋转平移矩阵：将原始点云的特征：N个法向量和4*N个方向向量排列成一个3*5N的矩阵，记为：

将镜像点云的特征按照相同的顺序排列成一个3*5N矩阵，记为：

对F^r*F^oT做SVD分解，[u，s，v]＝SVD(F^r*F^o′)，即可计算得到旋转反射矩阵：

R＝v*u^T (3)

特别指出该矩阵R不是旋转矩阵，而是旋转矩阵与反射矩阵的复合，即：

R＝R_rotate*R_reflect (4)

其行列式|R|＝-1；

S32.对于具有对应关系的一组边缘点

和

在假设无噪声的情况下，有：

S33.对于4*N组边缘点所计算出的

求均值，计算得到平移矩阵t；

S34.利用下式的旋转平移矩阵将水平角度范围(θ_b1，θ_b2)的非兴趣区域的点云；通过公式(7)投射到兴趣区域上；所述的旋转平移矩阵为：

其中，[x₀ y₀ z₀ 1]^T为非兴趣区域点云原始坐标的齐次表示，[x₁ y₁ z₁ 1]^T为投射到兴趣区域后的新坐标。

在本发明中，使用标定板平面的法向量和边缘直线方向向量作为特征，用SVD分解的方式标定旋转矩阵；使用标定板边缘直线的交点，即标定板的角点坐标标定平移矩阵。外参数标定得到的结果为(R|t)，表示反射变换与欧式变换的复合，该结果为4×4的矩阵，最后一行为[0，0，0，1]。标定结果利用公式(7)即可映射非兴趣区域点云到兴趣区域。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种增加激光雷达点云稠密度的装置及方法，在装置中增加了平面镜，在计算时便能求出反射矩阵；在本发明中，使用标定板平面的法向量和边缘直线方向向量作为特征，用SVD分解的方式标定旋转矩阵；使用标定板边缘直线的交点，即标定板的角点坐标标定平移矩阵。外参数标定得到的结果为(R|t)，标定结果利用计算公式(7)即可映射非兴趣区域点云到兴趣区域，有效的增加激光雷达点云稠密度。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是本发明上固定板和下固定板的结构示意图。

图3是本发明装置的工作示意图。

图4是本发明方法流程图。

图5是本发明实施例中兴趣区域点云和镜像点云示意图。

图6是本发明实施例中检测到的点云特征示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种增加激光雷达点云稠密度的装置，包括上固定板、下固定板、第一平面镜、第二平面镜、固定夹以及激光雷达，所述的上固定板通过支撑杆平行设于下固定板的正上方，所述的第一平面镜的两端通过固定夹分别与上固定板和下固定板连接；所述的第二平面镜的两端通过固定夹分别与上固定板和下固定板连接；在所述的上固定板和下固定板上均设有安装滑槽，所述的固定夹滑动设于安装滑槽内；所述的第一平面镜和第二平面镜均与固定夹转动连接；所述的激光雷达安装于下固定板上，且位于第一平面镜与第二平面镜之间。第一平面镜和第二平面镜通过固定夹固定在上固定板和下固定板之间，上固定通过支撑杆平行设于下固定板的正上方；第一平面镜和第二平面镜均与固定夹转动连接，这样便于调整第一平面镜和第二平面镜的角度，而固定夹又是可滑动设于安装滑槽内的，通过滑动固定夹，调整第一平面镜和第二平面镜相对于激光雷达的距离；通过调整角度值以及距离值可以使得非兴趣区域点云投射到兴趣区域的标定板上。

如图2所示，所述的下固定板上的安装滑槽设有多个，多个安装滑槽对称设于下固定板中轴线的两侧，所述的激光雷达设于下固定板的中轴线上；所述的上固定板上设有与下固定板上的安装滑槽一一对应的安装滑槽。固定夹可拆卸设于安装滑槽内，设置多个安装滑槽，可以根据实际需求，旋转合适距离的安装滑槽。

如图4所示，一种增加激光雷达点云稠密度的方法，包括以下步骤：

步骤1.获取标定数据：

S11.设定环境：将以上所述的装置安装完毕，使激光雷达正面朝向兴趣区域；将标定板放置在兴趣区域，调整第一平面镜和第二平面镜的角度，使得非兴趣区域的点云投射到兴趣区域，并将第一平面镜和第二平面镜固定；如图3和4所示，

S12.记录数据：调整标定板的朝向，记录下N帧数据；确定兴趣区域的点云水平角度范围(θ_a1，θ_a2)，镜像点云水平角度范围(θ_b1，θ_b2)。

步骤2.计算特征：

S21.将整体点云根据其水平角度范围，分成兴趣区域原始点云和非兴趣区域镜像点云两个部分，使用上标o、r分别代表所属的点云；使用下标i(i＝1,2…，N)表示第i帧点云，使用下标j(j＝1,2,3,4)表示第j条直线，使用下标k(k＝1,2,3,4)表示第k个标定板角点；使用下标p表示平面特征，使用下标l表示直线特征；使用n代表法向量或方向向量，使用C代表标定板角点；如：

表示第i帧原始点云平面法向量，

表示第i帧镜像点云第j条直线的方向向量；

S22.利用点云水平角度范围(θ_a1，θ_a2)，通过遍历每一个点云(x，y，z)，分离出

的点云，得到兴趣区域原始点云，由于雷达的噪声为±3cm，将阈值设置为3cm，使用RANSAC算法检测出标定板平面点云，对于该平面点云，使用SVD分解，拟合出点云平面的法向量

选取每条扫描线的两端边缘点，使用SVD分解边缘点坐标，拟合出4条直线，将直线投影到标定板平面上，得到直线特征

相邻直线的交点就是标定板的边缘点，记为

S23.利用点云水平角度范围(θ_b1，θ_b2)，分离出非兴趣区域镜像点云，对镜像点云使用RANSAC算法检测出标定板平面镜像点云，对于该平面点云，使用SVD分解拟合出点云平面的法向量

四条直线特征

标定板的边缘点记为

步骤3.对多帧点云特征进行配准，计算出旋转平移矩阵。

S31.计算旋转平移矩阵：将原始点云的特征：N个法向量和4*N个方向向量排列成一个3*5N的矩阵，记为：

将镜像点云的特征按照相同的顺序排列成一个3*5N矩阵，记为：

对F^r*F^oT做SVD分解，[u，s，v]＝SVD(F^r*F^o′)，u，s，v是SVD分解得到的结果，F^r*F^o′＝u*s*v^T，SVD分解方法查阅一般的线性代数书籍都可找到，据此即可计算得到旋转反射矩阵：

R＝v*u^T (3)

特别指出该矩阵R不是旋转矩阵，而是旋转矩阵与反射矩阵的复合，即：

R＝R_rotate*R_reflect (4)

其行列式|R|＝-1；

S32.对于具有对应关系的一组边缘点

和

在假设无噪声的情况下，有：

S33.对于4*N组边缘点所计算出的

求均值，计算得到平移矩阵t；

S34.利用下式的旋转平移矩阵将水平角度范围(θ_b1，θ_b2)的非兴趣区域的点云；通过公式(7)投射到兴趣区域上；所述的旋转平移矩阵为：

其中，[x₀ y₀ z₀ 1]^T为非兴趣区域点云原始坐标的齐次表示，[x₁ y₁ z₁ 1]^T为投射到兴趣区域后的新坐标。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种增加激光雷达点云稠密度的方法，其特征在于：使用增加激光雷达点云稠密度的装置，包括上固定板、下固定板、第一平面镜、第二平面镜、固定夹以及激光雷达，所述的上固定板通过支撑杆平行设于下固定板的正上方，所述的第一平面镜的两端通过固定夹分别与上固定板和下固定板连接；所述的第二平面镜的两端通过固定夹分别与上固定板和下固定板连接；在所述的上固定板和下固定板上均设有安装滑槽，所述的固定夹滑动设于安装滑槽内；所述的第一平面镜和第二平面镜均与固定夹转动连接；所述的激光雷达安装于下固定板上，且位于第一平面镜与第二平面镜之间；具体包括以下步骤：

S1.获取标定数据，调整第一平面镜和第二平面镜的位置使得非兴趣区域点云投射到兴趣区域的标定板上，调整标定板的朝向与位置，记录多帧点云文件；

S2.计算特征，根据水平FOV的范围进行点云分类，第一类为未经镜面反射的激光点云，第二类为经过镜面反射后的激光点云；对各部分点云进行标定板特征检测，标定板特征包括点云平面的法向量，标定板点云的四条边缘方向，标定板点云的四个角点三维坐标；

S3.对多帧点云特征进行配准，计算出旋转平移矩阵，将非兴趣区域点云投射到兴趣区域。

2.根据权利要求1所述的一种增加激光雷达点云稠密度的方法，其特征在于，所述的下固定板上的安装滑槽设有多个，多个安装滑槽对称设于下固定板中轴线的两侧，所述的激光雷达设于下固定板的中轴线上；所述的上固定板上设有与下固定板上的安装滑槽一一对应的安装滑槽。

3.根据权利要求2所述的一种增加激光雷达点云稠密度的方法，其特征在于：所述的S1步骤具体包括：

S11.设定环境：将增加激光雷达点云稠密度的装置安装完毕，使激光雷达正面朝向兴趣区域；将标定板放置在兴趣区域，调整第一平面镜和第二平面镜的角度，使得非兴趣区域的点云投射到兴趣区域，并将第一平面镜和第二平面镜固定；

S12.记录数据：调整标定板的朝向，记录下N帧数据；确定兴趣区域的点云水平角度范围(θ_a1，θ_a2)，镜像点云水平角度范围(θ_b1，θ_b2)。

4.根据权利要求3所述的一种增加激光雷达点云稠密度的方法，其特征在于：所述的S2步骤具体包括：

S21.将整体点云根据其水平角度范围，分成兴趣区域原始点云和非兴趣区域镜像点云两个部分，使用上标o、r分别代表所属的点云；使用下标i(i＝1，2...，N)表示第i帧点云，使用下标j(j＝1，2，3，4)表示第j条直线，使用下标k(k＝1，2，3，4)表示第k个标定板角点；使用下标p表示平面特征，使用下标l表示直线特征；使用n代表法向量或方向向量，使用C代表标定板角点；如：

表示第i帧原始点云平面法向量，

表示第i帧镜像点云第j条直线的方向向量；

S22.利用点云水平角度范围(θ_a1，θ_a2)，通过遍历每一个点云(x，y，z)，分离出

的点云，得到兴趣区域原始点云，由于雷达的噪声为±3cm，将阈值设置为3cm，使用RANSAC算法检测出标定板平面点云，对于该平面点云，使用SVD分解，拟合出点云平面的法向量

选取每条扫描线的两端边缘点，使用SVD分解边缘点坐标，拟合出4条直线，将直线投影到标定板平面上，得到直线特征

相邻直线的交点就是标定板的边缘点，记为

S23.利用点云水平角度范围(θ_b1，θ_b2)，分离出非兴趣区域镜像点云，对镜像点云使用RANSAC算法检测出标定板平面镜像点云，对于该平面点云，使用SVD分解拟合出点云平面的法向量

四条直线特征

标定板的边缘点记为

5.根据权利要求4所述的一种增加激光雷达点云稠密度的方法，其特征在于：所述的S3步骤具体包括：

S31.计算旋转平移矩阵：将原始点云的特征：N个法向量和4*N个方向向量排列成一个3*5N的矩阵，记为：

将镜像点云的特征按照相同的顺序排列成一个3*5N矩阵，记为：

对Fr*F^oT做SVD分解，[u，s，v]＝SVD(F^r*F^o′)，即可计算得到旋转反射矩阵：

R＝v*u^T (3)

特别指出该矩阵R不是旋转矩阵，而是旋转矩阵与反射矩阵的复合，即：

R＝R_rotate*R_reflect (4)

其行列式|R|＝-1；

S32.对于具有对应关系的一组边缘点

和

在假设无噪声的情况下，有：

S33.对于4*N组边缘点所计算出的

求均值，计算得到平移矩阵t；

S34.利用下式的旋转平移矩阵将水平角度范围(θ_b1，θ_b2)的非兴趣区域的点云；通过公式(7)投射到兴趣区域上；所述的旋转平移矩阵为：

其中，[x₀ y₀ z₀ 1]^T为非兴趣区域点云原始坐标的齐次表示，[x₁ y₁ z₁ 1]^T为投射到兴趣区域后的新坐标。

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