CN112068108A - 一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法 - Google Patents

一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法 Download PDF

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CN112068108A
CN112068108A CN202010803513.1A CN202010803513A CN112068108A CN 112068108 A CN112068108 A CN 112068108A CN 202010803513 A CN202010803513 A CN 202010803513A CN 112068108 A CN112068108 A CN 112068108A
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袁诚
吕品
雍成优
赖际舟
季博文
方玮
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Abstract

本发明公开了一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法。本发明包括以下步骤：（1）全站仪扫描车体，确定车体坐标系与全站仪坐标系的转换关系；（2）全站仪扫描参考物，确定参考物在全站仪坐标系下的表达式，进一步求解参考物在车体坐标系下的方程表达式；（3）使用全站仪扫描激光雷达中心点在全站仪坐标系下的坐标，并根据步骤1的结果，转换到车体坐标系中；（4）激光雷达扫描参考物，确定参考物在激光雷达坐标系下的方程表达式；（5）根据参考物在车体坐标系、激光雷达坐标系下的方程表达式，求解车体坐标系与激光雷达坐标系的转换关系。本发明的有益效果：通过本发明可以在全站仪的辅助下，实现激光雷达坐标系与车体坐标系的统一。

Description

一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法
技术领域
本发明涉及一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，属于机器人自主导航技术领域。
背景技术
二维激光雷达不依赖于外界光照条件，是一种主动式探测传感器，且具备高精度的测距信息，是移动机器人常用的导航传感器。全站仪是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，它通过提前完成设置好的基站，完成坐标系的建立，通过测量棱镜在坐标系的坐标和角度，求解出其坐标。
在实际的安装过程中激光雷达坐标系和车体坐标系下并不重合，因此才需要采取合适的方式将激光雷达坐标系与车体坐标系统一。
目前，研究比较多的是激光雷达与相机以及相机与载体的联合标定，而使用全站仪作为辅助对激光雷达与车体进行标定则鲜有人涉及到。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，以解决安装过程中激光雷达坐标系与车体坐标系的不统一的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，包括如下步骤：
步骤1，全站仪扫描车体，利用车体中心在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000011
以及辅助测量点
Figure BDA0002628262680000012
首先计算车体在全站仪系下的航向
Figure BDA0002628262680000013
确定车体坐标系与全站仪坐标系的转换关系[xc yc]；
步骤2，全站仪扫描具有平面结构的参考物，获得点云数据Sw(k)，通过最小二乘进行平面拟合，确定参考物在全站仪坐标系下的方程表达式LW，进一步求解参考物在车体坐标系下的方程表达式
Figure BDA0002628262680000014
步骤3，使用全站仪扫描激光雷达中心点在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000015
并根据步骤1的结果，将其转换到车体坐标系中
Figure BDA0002628262680000016
步骤4，激光雷达扫具有平面结构的描参考物，获得点云Sm(k)，将其从极坐标系转换为直角坐标系后，通过最小二乘法拟合，确定参考物在激光雷达坐标系下的方程表达式
Figure BDA0002628262680000021
步骤5，根据参考物在车体坐标系、激光雷达坐标系下的方程表达式，求解车体坐标系与激光雷达坐标系的转换角度θ'以及平移向量
Figure BDA0002628262680000022
进一步地，所述步骤1的具体过程如下：
使用全站仪测量车体中心，得到车体中心在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000023
设车体中心点为车体坐标系原点，车体右方、前方、上方分别设为x轴、y轴、z轴，使用全站仪扫描车体与x轴平行的一条直线上距离较远的两点在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000024
所以AGV小车在全站仪系下的航向为
Figure BDA0002628262680000025
由此可以得到车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系。
Figure BDA0002628262680000026
进一步地，所述步骤2的具体过程如下：
选取具有平面结构的物体为参考物(如墙、纸板等)。
步骤:2.1使用全站仪扫描参考物，将全站仪扫描出的点投影到水平面上。
记Sw(k)为k时刻参考物的点云数据，通过最小二乘法对Sw(k)点云信息进行直线拟合，其目标函数为LW：aWxE+bWyE-1＝0。
设
Figure BDA0002628262680000027
是Sw(k)中第i个点
Figure BDA0002628262680000028
是Sw(k)中点的数量，
Figure BDA0002628262680000029
是
Figure BDA00026282626800000210
在全站仪系下的坐标，参数aW，bW的计算公式如下：
Figure BDA00026282626800000211
Figure BDA0002628262680000031
步骤2.2根据步骤1求出的车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系，可以求出参考物在车体坐标系下的直线方程：
Figure BDA0002628262680000032
其中，
Figure BDA0002628262680000033
Figure BDA0002628262680000034
进一步地，所述步骤3的具体过程如下：
使用全站仪测量激光雷达中心点，得到激光雷达中心点在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000035
根据步骤1求出的车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系，将其转换到车体坐标系中，得到激光雷达中心点在车体坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000036
Figure BDA0002628262680000037
进一步地，所述步骤4的具体过程如下：
步骤4.1激光雷达扫描参考物，记Sm(k)为k时刻激光雷达的点云数据，将Sm(k)中的点云信息由极坐标系转换为直角坐标系。
设Pi是Sm(k)中第i个激光点(i＝1,2,3,…,Nm)，Nm是Sm(k)中激光雷达点的数量。(ρi,θi)是Pi在极坐标系下的坐标，则Pi在直角坐标系的坐标
Figure BDA0002628262680000038
的计算公式如下：
Figure BDA0002628262680000039
Figure BDA00026282626800000310
步骤4.2对Sm(k)中的点云信息进行直线拟合，可以得到参考物在激光雷达坐标系下的直线方程，
具体过程如下：
首先对通过最小二乘法对Sm(k)中的点云信息进行直线拟合，其目标函数为
Figure BDA0002628262680000041
记Pi是Sm(k)中的第i个激光点(i＝1，2，3，…,Nm)，Nm是Sm(k)中激光点的数量，
Figure BDA0002628262680000042
是Pi在激光雷达坐标系下的坐标。参数
Figure BDA0002628262680000043
的计算公式如下：
Figure BDA0002628262680000044
Figure BDA0002628262680000045
由此可以得到参考物在激光雷达坐标系下的直线方程：
Figure BDA0002628262680000046
进一步地，所述步骤5的具体过程如下：
根据步骤2得到的参考物在车体坐标系下的直线方程表达式、步骤3中得到的激光雷达中心点在车体坐标系中的坐标和步骤4得到的参考物在激光雷达坐标系下的直线方程表达式，求解车体坐标系与激光雷达坐标系的转换关系。
设激光雷达坐标系和车体坐标系的坐标转换方程如下式所示：
Figure BDA0002628262680000047
式中，xC、yC和xL、yL分别是车体坐标系和激光雷达坐标系下的坐标，θ是两个坐标系之间的夹角。则
Figure BDA0002628262680000048
其中θ'为θ或者θ±π。
设
Figure BDA0002628262680000051
和
Figure BDA0002628262680000052
是
Figure BDA0002628262680000053
的起点和终点，
Figure BDA0002628262680000054
和
Figure BDA0002628262680000055
是
Figure BDA0002628262680000056
的起点和终点。令
Figure BDA0002628262680000057
所以，
Figure BDA0002628262680000058
本方法的有益效果为：通过本发明可以在全站仪的辅助下，实现激光雷达坐标系与车体坐标系的统一，克服传统激光雷达无法快速应用于车体导航的难点。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的关系图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，流程图如图1所示，包括如下步骤：
步骤1，将全站仪、车体及参考物体如图2所示摆放，全站仪扫描车体，确定车体坐标系与全站仪坐标系的转换关系；
使用全站仪测量车体中心，得到车体中心在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000059
设车体中心点为车体坐标系原点，车体右方、前方、上方分别设为x轴、y轴、z轴，使用全站仪扫描车体与x轴平行的一条直线上距离较远的两点在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA00026282626800000510
所以AGV小车在全站仪系下的航向为
Figure BDA0002628262680000061
由此可以得到车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系。
Figure BDA0002628262680000062
步骤2，全站仪扫描参考物，确定参考物在全站仪坐标系下的方程表达式，进一步求解参考物在车体坐标系下的方程表达式；
选取具有平面结构的物体为参考物(如墙、纸板等)。
步骤2.1使用全站仪扫描参考物，将全站仪扫描出的点投影到水平面上。
记Sw(k)为k时刻参考物的点云数据，通过最小二乘法对Sw(k)点云信息进行直线拟合，其目标函数为LW：aWxE+bWyE-1＝0。
设
Figure BDA0002628262680000063
是Sw(k)中第i个点
Figure BDA0002628262680000064
是Sw(k)中点的数量，
Figure BDA0002628262680000065
是
Figure BDA0002628262680000066
在全站仪系下的坐标，参数aW，bW的计算公式如下：
Figure BDA0002628262680000067
Figure BDA0002628262680000068
步骤2.2根据步骤1求出的车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系，可以求出参考物在车体坐标系下的直线方程：
Figure BDA0002628262680000069
其中，
Figure BDA00026282626800000610
Figure BDA0002628262680000071
步骤3，使用全站仪扫描激光雷达中心点在全站仪坐标系下的坐标，并根据步骤1的结果，将其转换到车体坐标系中；
使用全站仪测量激光雷达中心点，得到激光雷达中心点在全站仪坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000072
根据步骤1求出的车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系，将其转换到车体坐标系中，得到激光雷达中心点在车体坐标系下的坐标
Figure BDA0002628262680000073
Figure BDA0002628262680000074
步骤4，激光雷达扫描参考物，确定参考物在激光雷达坐标系下的方程表达式；
步骤4.1激光雷达扫描参考物，记Sm(k)为k时刻激光雷达的点云数据，将Sm(k)中的点云信息由极坐标系转换为直角坐标系。
设Pi是Sm(k)中第i个激光点(i＝1,2,3,…,Nm)，Nm是Sm(k)中激光雷达点的数量。(ρi,θi)是Pi在极坐标系下的坐标，则Pi在直角坐标系的坐标
Figure BDA0002628262680000075
的计算公式如下：
Figure BDA0002628262680000076
Figure BDA0002628262680000077
步骤4.2对Sm(k)中的点云信息进行直线拟合，可以得到参考物在激光雷达坐标系下的直线方程，
具体过程如下：
首先对通过最小二乘法对Sm(k)中的点云信息进行直线拟合，其目标函数为
Figure BDA0002628262680000078
记Pi是Sm(k)中的第i个激光点(i＝1，2，3，…,Nm)，Nm是Sm(k)中激光点的数量，
Figure BDA0002628262680000081
是Pi在激光雷达坐标系下的坐标。参数
Figure BDA0002628262680000082
的计算公式如下：
Figure BDA0002628262680000083
Figure BDA0002628262680000084
由此可以得到参考物在激光雷达坐标系下的直线方程：
Figure BDA0002628262680000085
步骤5，根据参考物在车体坐标系、激光雷达坐标系下的方程表达式，求解车体坐标系与激光雷达坐标系的转换关系；
根据步骤2得到的参考物在车体坐标系下的直线方程表达式、步骤3中得到的激光雷达中心点在车体坐标系中的坐标和步骤4得到的参考物在激光雷达坐标系下的直线方程表达式，求解车体坐标系与激光雷达坐标系的转换关系。
设激光雷达坐标系和车体坐标系的坐标转换方程如下式所示：
Figure BDA0002628262680000086
式中，xC、yC和xL、yL分别是车体坐标系和激光雷达坐标系下的坐标，θ是两个坐标系之间的夹角。则
Figure BDA0002628262680000087
其中θ'为θ或者θ±π。
设
Figure BDA0002628262680000088
和
Figure BDA0002628262680000089
是
Figure BDA00026282626800000810
的起点和终点，
Figure BDA00026282626800000811
和
Figure BDA00026282626800000812
是
Figure BDA00026282626800000813
的起点和终点。令
Figure BDA00026282626800000814
所以：
Figure BDA0002628262680000091

Claims (6)

1.一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，全站仪扫描车体，利用车体中心在全站仪坐标系下的坐标
Figure FDA0002628262670000013
以及辅助测量点
Figure FDA0002628262670000014
首先计算车体在全站仪系下的航向
Figure FDA0002628262670000015
确定车体坐标系与全站仪坐标系的转换关系[xc yc]；
步骤2，全站仪扫描具有平面结构的参考物，获得点云数据Sw(k)，通过最小二乘进行平面拟合，确定参考物在全站仪坐标系下的方程表达式LW，进一步求解参考物在车体坐标系下的方程表达式
Figure FDA0002628262670000016
步骤3，使用全站仪扫描激光雷达中心点在全站仪坐标系下的坐标
Figure FDA0002628262670000017
并根据步骤1的结果，将其转换到车体坐标系中
Figure FDA0002628262670000018
步骤4，激光雷达扫具有平面结构的描参考物，获得点云Sm(k)，将其从极坐标系转换为直角坐标系后，通过最小二乘法拟合，确定参考物在激光雷达坐标系下的方程表达式
Figure FDA0002628262670000019
步骤5，根据参考物在车体坐标系、激光雷达坐标系下的方程表达式，求解车体坐标系与激光雷达坐标系的转换角度θ'以及平移向量
Figure FDA00026282626700000110
2.根据权利要求1所述一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：
使用全站仪测量车体中心，得到车体中心在全站仪坐标系下的坐标
Figure FDA00026282626700000111
设车体中心点为车体坐标系原点，车体右方、前方、上方分别设为x轴、y轴、z轴，使用全站仪扫描车体与x轴平行的一条直线上距离较远的两点在全站仪坐标系下的坐标
Figure FDA00026282626700000112
所以AGV小车在全站仪系下的航向为：
Figure FDA0002628262670000011
由此得到车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系为：
Figure FDA0002628262670000012
3.根据权利要求1所述一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
步骤:2.1：选取具有平面结构的物体为参考物，使用全站仪扫描参考物，将全站仪扫描出的点投影到水平面上；
记Sw(k)为k时刻参考物的点云数据，通过最小二乘法对Sw(k)点云信息进行直线拟合，其目标函数为LW：aWxE+bWyE-1＝0；
设
Figure FDA0002628262670000027
是Sw(k)中第i个点
Figure FDA0002628262670000028
Figure FDA0002628262670000029
是Sw(k)中点的数量，
Figure FDA00026282626700000210
是
Figure FDA00026282626700000211
在全站仪系下的坐标，参数aW，bW的计算公式如下：
Figure FDA0002628262670000021
Figure FDA0002628262670000022
步骤2.2：根据步骤1求出的车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系，求出参考物在车体坐标系下的直线方程：
Figure FDA0002628262670000023
Figure FDA0002628262670000024
其中，
Figure FDA0002628262670000025
Figure FDA0002628262670000026
4.根据权利要求1所述一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：
使用全站仪测量激光雷达中心点，得到激光雷达中心点在全站仪坐标系下的坐标
Figure FDA00026282626700000212
根据步骤1求出的车体坐标系和全站仪坐标系的转换关系，将其转换到车体坐标系中，得到激光雷达中心点在车体坐标系下的坐标
Figure FDA0002628262670000038
如下：
Figure FDA0002628262670000031
5.根据权利要求1所述一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程如下：
步骤4.1：激光雷达扫描参考物，记Sm(k)为k时刻激光雷达的点云数据，将Sm(k)中的点云信息由极坐标系转换为直角坐标系；
设Pi是Sm(k)中第i个激光点(i＝1,2,3,…,Nm)，Nm是Sm(k)中激光雷达点的数量，(ρi,θi)是Pi在极坐标系下的坐标，则Pi在直角坐标系的坐标
Figure FDA0002628262670000039
的计算公式如下：
Figure FDA0002628262670000037
Figure FDA0002628262670000036
步骤4.2对Sm(k)中的点云信息进行直线拟合，得到参考物在激光雷达坐标系下的直线方程；
具体过程如下：
首先对通过最小二乘法对Sm(k)中的点云信息进行直线拟合，其目标函数为
Figure FDA0002628262670000032
Figure FDA0002628262670000033
记Pi是Sm(k)中的第i个激光点(i＝1，2，3，…,Nm)，Nm是Sm(k)中激光点的数量，
Figure FDA00026282626700000310
是Pi在激光雷达坐标系下的坐标，参数
Figure FDA00026282626700000311
的计算公式如下：
Figure FDA0002628262670000034
Figure FDA0002628262670000035
由此得到参考物在激光雷达坐标系下的直线方程：
Figure FDA0002628262670000041
Figure FDA0002628262670000042
6.根据权利要求1所述一种基于全站仪的激光雷达外部参数标定方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程如下：
根据步骤2得到的参考物在车体坐标系下的直线方程表达式、步骤3中得到的激光雷达中心点在车体坐标系中的坐标和步骤4得到的参考物在激光雷达坐标系下的直线方程表达式，求解车体坐标系与激光雷达坐标系的转换关系，设激光雷达坐标系和车体坐标系的坐标转换方程如下式所示：
Figure FDA0002628262670000043
式中，xC、yC和xL、yL分别是车体坐标系和激光雷达坐标系下的坐标，θ是两个坐标系之间的夹角，则
Figure FDA0002628262670000044
其中θ'为θ或者θ±π；
设
Figure FDA0002628262670000047
和
Figure FDA0002628262670000048
是
Figure FDA0002628262670000049
的起点和终点，
Figure FDA00026282626700000410
和
Figure FDA00026282626700000411
是
Figure FDA00026282626700000412
的起点和终点，令
Figure FDA0002628262670000045
所以：
Figure FDA0002628262670000046
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