CN111208493A - 一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，首先利用水平仪测量激光雷达坐标系的X’轴和Y’轴与水平面的夹角，再利用几何关系求得旋转轴和旋转角度使激光雷达坐标系Z’轴旋转至与整车坐标系的Z轴平行；其次将旋转轴和旋转角度转换为旋转向量，并进一步转换为欧拉角导入激光雷达可视化软件并获取激光数据，再将车辆移动至直角墙面，并使车辆正前方与某一墙面平行，然后在软件中测量参考线与墙面直线的角度；最后利用所测角度与之前旋转向量共同计算旋转矩阵R，同时，使用量尺测量激光雷达中心在整车坐标系下的坐标，从而得到最终平移向量t，完成整个标定过程。与现有技术相比，本发明具有节省成本、标定快速、标定准确等优点。

Description

一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光雷达的快速标定方法，尤其是涉及一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法。

背景技术

激光雷达在智能驾驶技术的环境感知系统中发挥着重要的作用。随着激光雷达的量产及大幅度降低售价，激光雷达已经在多个领域进行了大量研究并得到了广泛应用。其他主流传感器，如视觉相机，能够提供丰富语义信息的高分辨率图片以获取物体的整体轮廓形状和颜色，但其无法获取精确的深度信息，从而难以对检测的物体进行精确定位。毫米波雷达通过多普勒效应测量周围物体的距离和纵向移动速度，并且在恶劣天气下具有很强的鲁棒性，但物体横向移动时，测量的分辨率不高。相比于其他主流传感器，激光雷达通过测量激光束的反射信息精确获取每个反射点的空间位置，尤其是多线束头的连续扫描，能够获取比较密集的环境点云，从而精确扫描出环境物体的轮廓及位置。另外，通过激光束的反射率，可以初步区分不同材质，更有利于对目标属性的判断。

激光雷达在车体上通常为刚性连接，二者之间的位置与姿态相对固定不变。为了获取激光雷达与整车的坐标转换关系，需对激光雷达在整车坐标系下进行标定，从而使得被检测环境物体的位置信息可转换至整车坐标系中，车辆可根据各障碍物的信息实现路径规划和紧急避障等功能。激光雷达基于传感器自身的坐标系下生成测量数据，但是传感器的感知数据是用于车辆获取周围环境物体的信息，使车辆与环境物体不发生碰撞，以达到稳定地安全行驶。此外，对于车载多传感器系统，为保证传感器之间的数据形成融合，可以将各传感器的测量数据转换到统一的整车坐标系下，以方便各传感器实现数据融合，从而形成冗余和互补的感知系统。目前的激光雷达在整车坐标系下的标定方法主要表现为：

第一、利用平面方格板或立体靶标等标定装置放置在整车坐标系下的固定几个位置。通过激光雷达的点云数据检测标定装置的位置，与在整车坐标系的坐标位置建立几何约束关系。通过约束关系转换成线性方程，最后利用最小二乘法求得最后的标定参数。该方法需要特殊的靶标等标定装置，且立体的靶标通常难以加工，加工精度过低将直接影响标定的精度。

第二、利用激光雷达反射强度信息快速筛选点云，其次利用筛选出的点云估计平面法向量，进而利用估计得到的平面法向量建立两激光雷达坐标系之间的变换关系。由于基于反射强度信息筛选点云信息速度较快，且平面法向量为比较容易获得的特征，因此能够有效加快多激光雷达位置关系的标定过程。然而该方法需要采集大量的标定数据，且在获得初始值的基础上，需要更为精确的点云匹配，以得到优化的标定结果，因此标定速度仍然不够高。

第三、直接利用水平仪测量X’、Y’坐标轴与水平面的角度和在可视化软件中测量参考线与墙面直线的角度作为最终的欧拉角。由于欧拉角包含三个角度，分别代表绕坐标系的X、Y、Z三个轴旋转的角度，通过欧拉角生成旋转矩阵，旋转顺序不同，将获得不同的旋转矩阵，即该方法直接将倾斜角作为欧拉角计算出外参旋转矩阵，但未考虑旋转轴的顺序，因此该方法获取的外参旋转矩阵不够准确，具有较大的标定误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，包括如下步骤：

S1、利用水平仪测量激光雷达坐标系X’和Y’与水平面的夹角。

测量前校核水平仪是否准确；测量时只需将水平仪分别与激光雷达坐标系的X’轴和Y’轴对齐，坐标轴指向地下为负值，指向地上为正值。

S2、利用几何关系求得旋转轴和旋转角度。

以车辆后轴中心为原点，首先构造原点与激光雷达坐标系原点重合且与整车坐标系平行的坐标系，将构造的坐标系的Z轴投影到X’OY’平面，根据几何关系可以计算Z轴在激光雷达坐标系中的方向向量以及Z轴投影的方向向量，根据所得到的两个向量可确定旋转轴和旋转角度，并使激光雷达坐标系旋转使Z’轴与所述Z轴平行。

所构造的坐标系Z轴在激光雷达坐标系的方向向量与所述Z轴投影到激光雷达坐标系X’OY’平面的方向向量求外积，外积计算的结果即为旋转轴；旋转角度为所述Z轴与所述Z轴在X’OY’平面的投影之间夹角的余角。

S3、将旋转向量转换成欧拉角导入软件，获取中间旋转矩阵，将中间旋转矩阵转换成欧拉角，并将其输入激光雷达的可视化软件中。

旋转向量由旋转轴和旋转角度计算得到，优选地，可将旋转向量再通过opencv自带的罗德里格函数进一步获取旋转矩阵。旋转矩阵可以直接通过自定义函数转换为欧拉角。

将得到的旋转向量转换成欧拉角并导入激光雷达自带可视化软件中，此时激光雷达坐标系的Z’轴与所构造坐标系的Z轴平行。

旋转向量转换成为旋转矩阵，旋转矩阵再求得欧拉角：

其中，ψ、

φ分别为绕X轴、Y轴和Z轴的旋转欧拉角；R’为中间旋转矩阵；euler2Rotation()为自定义函数，可将旋转矩阵转换为欧拉角；n为旋转轴；θ为旋转角度；||为求向量的模；cv2.Rodrigues()为opencv自带的罗德里格函数，可将旋转向量转换为旋转矩阵。

S4、在可视化软件中测量参考线与墙面的角度。

将车辆移动至竖直墙面附近，并使车辆正前方与墙面平行，随后在可视化软件中测量参考网格线与墙面直线的角度，其中将激光点云逆时针旋转后与网格线重合的角度为正值，顺时针旋转的角度为负值。

S5、计算得到最终旋转矩阵R。

将步骤S4所测量的角度γ转换成矩阵形式，并与通过旋转轴和旋转角度转换成的中间旋转矩阵R’相乘，得到最终旋转矩阵，表达式为：

S6、整个标定过程包括旋转矩阵和平移向量。在平移向量获取中，测量激光雷达中心在整车坐标系下的坐标，计算得到最终平移向量t。

优选地，使用量尺完成测量激光雷达中心在整车坐标系下的坐标，所测量的坐标值即为最终平移向量t。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明方法在标定过程中无需标定靶等标定装置，只采用水平仪测量激光雷达两个坐标轴与水平面的角度，然后通过可视化软件测量直角墙面在点云中形成的两条相交线与软件内部参考线的角度，利用三个角度即可完成标定，操作简单，节省标定成本。

2)本发明标定方法无需采集大量的标定数据，只需采集一组数据即可完成整个标定任务，且最终结果无需人工反复微调，从而缩短标定时间，形成快速标定。

3)当激光雷达底面与水平面倾斜角度较大时，直接将激光雷达各轴的测量角度作为最后的标定结果时误差更加明显，不随倾斜角度变化，从而使得标定结果更加稳定；此外，通过考虑欧拉角绕各轴的旋转顺序，可获取的旋转矩阵更加准确，有利于提高标定精度。

附图说明

图1为本发明实施例中车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中激光雷达安装零部件；

图3为本发明实施例中标定前激光雷达的数据；

图4为本发明实施例中水平仪的安装位置示意图；

图5为本发明实施例中水平仪获取坐标轴的夹角示意图；

图6为本发明实施例中坐标系的几何关系原理图；

图7为本发明实施例中Z轴重合后的激光雷达数据；

图8为本发明实施例中Z轴重合后的几何关系原理图；

图9为本发明实施例中完成标定后的激光雷达数据。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明涉及一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤一、获取激光雷达坐标系，测量激光雷达坐标系X’和Y’与水平面的夹角。

定义整车坐标系为：以车辆后轴中心为原点，Y轴指向车辆正前方，X轴指向水平向左方向，根据右手法则，Z轴指向车顶。大部分多线激光雷达产品坐标系定义也与此类似。在所定义的整车坐标系中，XOY面与大地水平面平行。假设X’Y’Z’坐标系为激光雷达坐标系，则要获取激光雷达与整车坐标系的相对外参，需计算得到激光雷达坐标系到整车坐标系的旋转矩阵R和平移向量t。将整车坐标系平行移动使原点与激光雷达的原点重合，本发明后续所描述的XYZ坐标系均为移动后的坐标系，则移动后的整车坐标系与原始整车坐标系只相差平移向量t。模拟车载情况将激光雷达安装至云台上，并随意调整一个位置，如图2所示。获取的原始激光雷达数据如图3所示。

测量激光雷达坐标系与水平面的夹角中，如图4所示，将水平测量仪放置在激光雷达的表面，所述水平仪可以为手机自带水平仪APP工具。在使用水平仪进行测量之前，先搭建平台验证水平仪的角度是否准确。将手机的朝向与X’平行，然后测量坐标轴X’与水平面XOY的角度为α(坐标轴X’指向地面朝上为正，指向地面朝下为负)。同样，测量坐标轴Y’与水平面XOY的角度为β(坐标轴Y’指向地面以上为正，指向地面一下为负)。

步骤二、利用几何关系求得旋转轴和旋转角度。

如图5所示，通过水平仪测量的角度，可得到∠X’OZ＝π/2-α，∠Y’OZ＝π/2-β。过Z点作平面X’OY’的垂线，垂足为H；过H分别作OX’和OY’的垂线，垂足分别为M、N。连接MZ和NZ，则很容易证明MZ垂直于OX’，NZ垂直于OY’。

根据图中所示几何关系可知：

OM＝OZ·cos∠X’OZ

ON＝OZ·cos∠Y’OZ

∠Z’OZ＝π/2-∠HOZ

其中，OM代表O点与M点之间的长度；

代表O点指向Z点的向量。

则旋转轴和旋转角度可分别表示为：

其中，×为向量之间的外积符号。

坐标系绕着

的方向旋转∠Z’OZ，则激光雷达坐标系X’Y’Z’的Z’轴与平移后的整车坐标系XYZ的Z轴将重合，如图4所示。重合后如果能够求得X’轴与X轴的夹角，则绕Z’轴旋转对应的角度，将使得X’Y’Z’坐标系与XYZ坐标系将完全重合。

步骤三、将旋转向量转换成欧拉角，并将其输入激光雷达的配置文件中。

通过旋转轴n和旋转角θ可以求得旋转向量。再通过opencv自带的罗德里格函数可以进一步旋转矩阵。旋转矩阵可以直接通过自定义函数转换为欧拉角。即有：

式中，ψ、

φ分别为绕X轴、Y轴和Z轴的旋转欧拉角；R’为中间旋转矩阵；rotation2euler()为自定义函数，可将旋转矩阵转换为欧拉角；n为旋转轴；θ为旋转角度；||为求向量的模；cv2.Rodrigues()为opencv自带的罗德里格函数，可将旋转向量转换为旋转矩阵。

将欧拉角输入至激光雷达的配置文件中，如图6所示。在可视化界面的激光雷达数据可以看出，竖直的墙面上所有的点云将沿Z轴方向重合成为一条直线，则证明之前的标定方法比较准确。

步骤四、利用激光雷达可视化软件测量参考线与墙面的角度。

如图6所示，将步骤三获取的欧拉角配置至激光雷达可视化软件中，并移动车辆使车辆的正前方与竖直墙面平行。然后在可视化软件中通过量角器测量墙面的点云线段与软件中的参考网格线的角度，该角度即为要求获取的角度γ，如图7所示，其中将激光点云逆时针旋转后与网格线重合的角度为正值，顺时针旋转的角度为负值。

步骤五、计算得到最终旋转矩阵R。

获取角度γ后，根据中间旋转矩阵R’，通过下列公式获取外参旋转矩阵R：

通过自定义函数rotation2euler(R)求得最终的欧拉角，导入至可视化软件中，效果如图8所示。

步骤六、整个标定过程包括旋转矩阵和平移向量。在平移向量获取中，测量激光雷达中心在整车坐标系下的坐标，使用量尺完成测量激光雷达中心在整车坐标系下的坐标，所测量的坐标值即为最终平移向量t，从而完成整个标定过程。

本发明方法在标定过程中无需标定靶等标定装置，只采用水平仪测量激光雷达两个坐标轴与水平面的角度，然后通过可视化软件测量直角墙面在点云中形成的两条相交线与软件内部参考线的角度，利用三个角度即可完成标定，操作简单，节省标定成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)根据整车坐标系获取激光雷达坐标系，测量激光雷达坐标系X’和Y’与水平面的夹角；

2)根据步骤1)测得的夹角，利用几何关系获取旋转轴和旋转角度；

3)通过旋转轴和旋转角获取旋转向量，并利用旋转向量获取中间旋转矩阵，将中间旋转矩阵转换成欧拉角，并将其输入激光雷达的可视化软件中，获取点云数据及其线段；

4)在可视化软件中通过量角器测量点云线段与参考网格线的角度；

5)利用步骤4)的角度获取最终旋转矩阵，通过自定义函数获取最终的欧拉角，将其输入激光雷达的可视化软件中，获取在最终点云数据及其线段；

6)测量激光雷达中心在整车坐标系下的坐标，并采用量尺完成测量激光雷达中心在整车坐标系下的坐标，获取最终平移向量，进而完成标定。

2.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，步骤1)中，利用水平仪测量激光雷达坐标系X’和Y’与水平面的夹角，测量前校核所采用的水平仪是否准确；测量时将水平仪分别与激光雷达坐标系的X’轴和Y’轴对齐，坐标轴指向地下为负值，指向地上为正值。

3.根据权利要求2所述的一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，步骤2)的具体内容为：

以车辆后轴中心为原点，构造原点与激光雷达坐标系原点重合且与整车坐标系平行的坐标系，将构造的坐标系的Z轴投影到X’OY’平面，根据几何关系计算Z轴在激光雷达坐标系中的方向向量以及Z轴投影的方向向量，根据计算的两个向量确定旋转轴和旋转角度，并使激光雷达坐标系旋转至其Z’轴与构造的坐标系的Z轴平行。

4.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，步骤3)中，中间旋转矩阵R’及欧拉角ψ、

φ的计算式为：

式中，ψ、

φ分别为绕X轴、Y轴和Z轴的旋转欧拉角；rotation2euler()为用以将中间旋转矩阵转换为欧拉角的自定义函数；n为步骤2)得到的旋转轴；θ为步骤2)得到的旋转角度；||为求向量的模；cv2.Rodrigues()为用以将旋转向量转换为旋转矩阵的罗德里格函数。

5.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，步骤4)中，在可视化软件中通过量角器测量点云线段与参考网格线的角度是将车辆移动至竖直墙面附近，并使车辆正前方与墙面平行，然后在可视化软件中测量参考网格线与墙面直线的角度，其中将激光点云逆时针旋转后与网格线重合的角度为正值，顺时针旋转的角度为负值。

6.根据权利要求1所述的一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，步骤5)的具体内容为：

将步骤4)所测量的角度转换成矩阵形式，并与旋转轴和旋转角度转换成的中间旋转矩阵相乘，得到最终旋转矩阵。

7.根据权利要求6所述的一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，步骤5)获取的最终旋转矩阵R的表达式为：

式中，γ为步骤4)测量得到的角度，R’为步骤3)得到的中间旋转矩阵。

8.根据权利要求3所述的一种车载激光雷达在整车坐标系下的快速标定方法，其特征在于，步骤2)获取旋转轴和旋转角度的具体内容为：

所构造的坐标系Z轴在激光雷达坐标系的方向向量与所构造的坐标系Z轴的投影到激光雷达坐标系X’OY’平面的方向向量求外积，外积计算的结果即为旋转轴；旋转角度为所构造的坐标系Z轴与所构造的坐标系Z轴在X’OY’平面的投影之间夹角的余角。

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