CN110940358A - 一种激光雷达和惯导联合标定的装置及标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达和惯导联合标定的装置及标定方法，所述激光雷达和惯导联合标定的装置，其包括托盘、液压缸Ⅰ、液压缸Ⅱ；所述的托盘下端的四个角各垂直连接一个液压缸Ⅰ；所述的托盘下端中部通过万向头连接液压缸Ⅱ。所述激光雷达和惯导联合标定的标定方法通过上述装置使车辆在各个维度上都能有较大变化，并记录惯导位姿数据，然后通过激光雷达点云匹配算法获得获得激光雷达的帧间位姿，最后通过非线性优化求解标定结果，获得精确的激光雷达和惯导的外参，进而提高激光雷达和惯性导航的联合标定的标定精度。

Description

一种激光雷达和惯导联合标定的装置及标定方法
技术领域
本发明属于监控技术领域，具体涉及一种激光雷达和惯导联合标定的装置及标定方法。
背景技术
多传感器标定是自动驾驶以及机器人领域的一项重要技术，激光雷达和惯性导航的联合标定一直是一个重点，激光雷达的运动补偿，高精度地图的创建都需要准确的二者之间的标定参数。传统的标定方法通常通过驾驶车辆绕八字行驶，并同时记录惯导及激光雷达数据，并利用激光雷达里程计技术获得帧间位姿，对比相同时刻间的惯导的位姿变化，通过手眼标定法可获得二者之间的相对位姿，即外参。
但是通常的绕8字行驶使得车辆并不会在roll、pitch角度上有较大变化，而不论是惯导测量的位姿还是激光雷达点云匹配得到的位姿都会存在一定噪声，如果roll、pitch角变化不大的话，噪声的影响将会过大使标定失效，不能标定二者之间的roll、pitch角。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种能使车辆在各个维度上都有较大变化的激光雷达和惯导联合标定的装置，同时提出一种激光雷达和惯导联合标定的标定方法，该标定方法可以精确标定激光雷达和惯导的外参，提高标定精度。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种激光雷达和惯导联合标定的装置，其包括托盘、液压缸Ⅰ、液压缸Ⅱ；所述的托盘下端的四个角各垂直连接一个液压缸Ⅰ；所述的托盘下端中部通过万向头连接液压缸Ⅱ。
进一步的，所述液压缸Ⅰ和托盘通过弹簧或橡胶垫连接。液压缸Ⅰ和托盘之间连接的弹簧或橡胶垫可以保证升降过程中托盘不受剧烈震动。
进一步的，所述激光雷达和惯导联合标定的装置还包括控制系统，所述控制系统包括依次连接的输入模块、中央处理器、输出模块，所述输出模块分别与液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ连接；所述输入模块用于设定托盘的目标姿态，所述中央处理器用于计算液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ的升降量和升降速度，所述输出模块用于控制液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ的升降。
一种激光雷达和惯导联合标定的标定方法，其包括以下步骤：
1）托盘姿态调节：将上述激光雷达和惯导联合标定的装置的液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ水平固定在地面上，然后将车辆固定在托盘上，接着根据设定的托盘目标姿态，计算出液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ的升降量和升降速度，然后调节液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ升降至设定的位置，使托盘到达指定姿态；
2）采集数据：当托盘到达指定姿态稳定后，分别记录惯导位姿数据以及原始激光点云数据；
3）重复步骤：按顺序重复上述步骤至少10次，每次设定不同的托盘目标姿态，并且获得相对应的惯导位姿数据和原始激光点云数据；
4）位姿解算：完成数据采集后，通过惯导直接输出姿态角，再根据姿态角得到每个托盘目标姿态的旋转矩阵，然后通过不同的旋转矩阵获得不同托盘目标姿态的惯导位姿数据之间的相对位姿δRI；不同托盘目标姿态的原始激光点云数据之间的相对位姿δRL采用点云匹配算法获得，所述点云匹配算法为点到线、点到面、GICP中任意一种点云匹配算法；
5）求解标定结果：得到δRI和δRL之后，利用手眼标定算法计算得到相机和惯导的相对位姿X。
进一步的，所述液压缸Ⅰ的顶部在升降过程中任意时刻都处于同一平面。液压缸Ⅰ的顶部任意时刻都在同一平面，减小支架对托盘的拉拽，提高系统稳定性。
进一步的，所述激光雷达和惯导联合标定的标定方法的标定场景是在室内。为保证激光点云能够正确完成前后帧的帧间点云匹配，标定需要在线面特征丰富的场景下进行，这些特征包括杆状物，墙面，地面等规则形状，本发明将标定场景限制在室内，是因为室内平整的墙壁和墙沿以及地面是很好的匹配特征，且易验证匹配效果。
上述手眼标定算法是按照以下公式计算的：
设传感器I和传感器L固连在一起，其相对旋转关系为RIL，假设在t1，t2，t3时刻三者的位姿分别为RWI1，RWI2，RWI3;；RWL1，RWL2，RWL3；在任意时刻传感器I和L的旋转变换关系为：
RWL = RWI ×RIL （1）
则t1，t2时刻的激光雷达相对位姿可以表示为：
δRL12 = RWL1 -1×RWL2 （2）
将测量数据和（1）代入可得：
RIL -1×RWI1 -1×RWI2×RIL = RWL1 -1×RWL2 （3）
令RWI1 -1×RWI2为A矩阵，RWL1 -1×RWL2 为B矩阵，RIL为X矩阵，则上式转换为：
X-1×A×X = B （4）
A×X = X×B（5）
通过（5）式可构建一个关于X的约束，t2，t3时刻同理可得一个类似（5）式的约束，通过利用多帧数据间的相对位姿建立多个约束，（5）式可通过非线性优化求解，优化的目标函数为||A×X - X×B||f，下标f表示Frobenius 范式；由于重点在于旋转角度的标定，所以上述公式不包含外参中的平移项。
与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：
1.目前标定方法不能精确标定激光雷达和惯导外参的主要原因在于传统的绕8字数据采集过程中没有充分的roll和pitch维度的运动，而本发明所述的激光雷达和惯导联合标定的装置在托盘的四角和中部安装液压缸，通过液压缸上下伸缩，提供充分的roll和pitch维度的运动，从而获得较大的位姿变化，避免受到噪声的影响而使标定失效。
2.本发明通过激光雷达和惯导联合标定的装置使车辆在各个维度上都能有较大变化，并记录惯导位姿数据，然后通过激光雷达点云匹配算法获得获得激光雷达的帧间位姿，最后通过非线性优化求解标定结果，获得精确的激光雷达和惯导的外参，进而提高激光雷达和惯性导航的联合标定的标定精度。
3.本发明主要标定场景在室内，能够增加点云匹配精度与成功率，提高标定精度。
4.本发明结构简单，实用方便。
附图说明
图1为本发明所述激光雷达和惯导联合标定的装置的立体结构示意图。
图2为本发明所述激光雷达和惯导联合标定的装置得到的俯视结构示意图。
图3为本发明所述激光雷达和惯导联合标定的标定方法的流程图。
附图标记：1-托盘Ⅰ，2-液压缸Ⅰ，21-弹簧，3-液压缸Ⅱ，31-万向头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1：
如图1～2所示，一种激光雷达和惯导联合标定的装置，其包括托盘1、液压缸Ⅰ2、液压缸Ⅱ3；所述的托盘1下端的四个角各垂直连接一个液压缸Ⅰ2；所述的托盘1下端中部通过万向头31连接液压缸Ⅱ3；所述液压缸Ⅰ2和托盘1通过弹簧21连接；所述激光雷达和惯导联合标定的装置还包括控制系统，所述控制系统包括依次连接的输入模块、中央处理器、输出模块，所述输出模块分别与液压缸Ⅰ2和液压缸Ⅱ3连接；所述输入模块用于设定托盘的目标姿态，所述中央处理器用于计算液压缸Ⅰ2和液压缸Ⅱ3的升降量和升降速度，所述输出模块用于控制液压缸Ⅰ2和液压缸Ⅱ3的升降。
本实施例所述的激光雷达和惯导联合标定的标定方法，其其包括以下步骤：
1）托盘姿态调节：将上述的激光雷达和惯导联合标定的装置的液压缸Ⅰ2和液压缸Ⅱ3水平固定在地面上，然后将车辆固定在托盘1上，接着根据设定的托盘目标姿态，计算出液压缸Ⅰ2和液压缸Ⅱ3的升降量和升降速度，然后调节液压缸Ⅰ2和液压缸Ⅱ3升降至设定的位置，使托盘1到达指定姿态；所述液压缸Ⅰ2的顶部在升降过程中任意时刻都处于同一平面；所述激光雷达和惯导联合标定的标定方法的标定场景是在室内；
2）采集数据：当托盘1到达指定姿态稳定后，分别记录惯导位姿数据以及原始激光点云数据；
3）重复步骤：按顺序重复上述步骤至少10次，每次设定不同的托盘目标姿态，并且获得相对应的惯导位姿数据和原始激光点云数据；
4）位姿解算：完成数据采集后，通过惯导直接输出姿态角，再根据姿态角得到每个托盘目标姿态的旋转矩阵，然后通过不同的旋转矩阵获得不同托盘目标姿态的惯导位姿数据之间的相对位姿δRI；不同托盘目标姿态的原始激光点云数据之间的相对位姿δRL采用点云匹配算法获得，所述点云匹配算法为点到线、点到面、GICP中任意一种点云匹配算法；
5）求解标定结果：得到δRI和δRL之后，利用手眼标定算法计算得到相机和惯导的相对位姿X。
实施例2：
本实施例所述的激光雷达和惯导联合标定的装置与实施例1的区别在于：所述液压缸Ⅰ2和托盘1通过橡胶垫连接；所述的激光雷达和惯导联合标定的标定方法与实施例1所述的标定方法相同。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种激光雷达和惯导联合标定的装置，其特征在于：包括托盘（1）、液压缸Ⅰ（2）、液压缸Ⅱ（3）；所述的托盘（1）下端的四个角各垂直连接一个液压缸Ⅰ（2）；所述的托盘（1）下端中部通过万向头（31）连接液压缸Ⅱ（3）。
2.根据权利要求1所述一种激光雷达和惯导联合标定的装置，其特征在于：所述液压缸Ⅰ（2）和托盘（1）通过弹簧（21）或橡胶垫连接。
3.根据权利要求1所述一种激光雷达和惯导联合标定的装置，其特征在于：所述激光雷达和惯导联合标定的装置还包括控制系统，所述控制系统包括依次连接的输入模块、中央处理器、输出模块，所述输出模块分别与液压缸Ⅰ（2）和液压缸Ⅱ（3）连接；所述输入模块用于设定托盘的目标姿态，所述中央处理器用于计算液压缸Ⅰ（2）和液压缸Ⅱ（3）的升降量和升降速度，所述输出模块用于控制液压缸Ⅰ（2）和液压缸Ⅱ（3）的升降。
4.一种激光雷达和惯导联合标定的标定方法，其特征在于：其包括以下步骤：
1）托盘姿态调节：将如权利要求1～3所述的激光雷达和惯导联合标定的装置的液压缸Ⅰ（2）和液压缸Ⅱ（3）水平固定在地面上，然后将车辆固定在托盘（1）上，接着根据设定的托盘目标姿态，计算出液压缸Ⅰ（2）和液压缸Ⅱ（3）的升降量和升降速度，然后调节液压缸Ⅰ（2）和液压缸Ⅱ（3）升降至设定的位置，使托盘（1）到达指定姿态；
2）采集数据：当托盘（1）到达指定姿态稳定后，分别记录惯导位姿数据以及原始激光点云数据；
3）重复步骤：按顺序重复上述步骤至少10次，每次设定不同的托盘目标姿态，并且获得相对应的惯导位姿数据和原始激光点云数据；
4）位姿解算：完成数据采集后，通过惯导直接输出姿态角，再根据姿态角得到每个托盘目标姿态的旋转矩阵，然后通过不同的旋转矩阵获得不同托盘目标姿态的惯导位姿数据之间的相对位姿δRI；不同托盘目标姿态的原始激光点云数据之间的相对位姿δRL采用点云匹配算法获得，所述点云匹配算法为点到线、点到面、GICP中任意一种点云匹配算法；
5）求解标定结果：得到δRI和δRL之后，利用手眼标定算法计算得到相机和惯导的相对位姿X。
5.根据权利要求4所述的激光雷达和惯导联合标定的标定方法，其特征在于：所述液压缸Ⅰ（2）的顶部在升降过程中任意时刻都处于同一平面。
6.根据权利要求4所述的激光雷达和惯导联合标定的标定方法，其特征在于：所述激光雷达和惯导联合标定的标定方法的标定场景是在室内。
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