CN112346035B - 一种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置及方法，能够满足不同应用场景的标定需求，实现多角度、变反射率等多模态的高精度标定。这种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置，其包括：高精度标尺平移台(1)、固定架(2)、固态面阵激光雷达(3)、标定筒(4)、标定板(5)；固定架(2)与标定筒(4)采用万向节铰接相连，且固定架(2)在高精度标尺平移台(1)上滑动，从而改变标定筒(4)到标定板(5)之间的距离以及轴向角度；固态面阵激光雷达(3)采用嵌入式安装方式与标定筒(4)进行安装固定，使固态面阵激光雷达(3)的发射器的光路与标定筒(4)的轴线保持平行。
Description
技术领域
本发明属于固态面阵激光雷达标定的技术领域，尤其涉及一种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置，以及一种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定方法。
背景技术
固态面阵激光雷达采用iTOF原理进行距离测量，测量过程一般分为调制激光发射、被测目标反射回波、激光回波解调等三个部分。在调制激光发射过程中，光斑质量会因发射器功率、发射角、数量等参数变化而产生差异，由于标定过程中对发射器发射光斑质量具有较高要求，为此会直接影响测距精度；此外，当调制激光散斑投射至被测目标上时，会因被测目标表面形状以及反射率不同，致使回波信号强度、入射角等均具有差异，很难保证回波信号按照水平方向入射到TOF芯片中，因此对测距精度干扰较大。
当前固态面阵激光雷达标定过程主要分为两类方法。第一类需要在较大空间区域内进行测量，在前方放置标定板，通过移动标定板至不同位置处测量并计算误差值，通过拟合生成误差补偿曲线。这种标定方法通常需要较大的空间区域，标定效率低。另一类就是：将标定板与固态面阵激光雷达固定在一定距离处，无需改变二者之间距离，利用延时模块模拟不同距离。这种方法虽然实现了装置小型化，提高了标定效率，但是由于延时装置的步长固定，标定距离间隔不可变，无法对特定区域内距离进行精确标定。其次延时模块步长易受外界环境干扰，一致性较差，因此在标定过程中也存在误差较大等问题。
此外，工作过程中，根据固态面阵激光雷达应用场景不同，对其性能要求也不尽相同。应用于目标探测场景时，对距离范围要求较高，则需要长距离区间大场景标定；应用于目标识别场景时，对特定距离范围内精度要求较高，则需要短距离区间高精度标定。然而，当前的标定方法难以同时满足两种应用需求。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置，其能够满足不同应用场景的标定需求，实现多角度、变反射率等多模态的高精度标定。
本发明的技术方案是：这种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置，其包括：高精度标尺平移台(1)、固定架(2)、固态面阵激光雷达(3)、标定筒(4)、标定板(5)；
固定架(2)与标定筒(4)采用万向节铰接相连，且固定架(2)在高精度标尺平移台(1)上滑动，从而改变标定筒(4)到标定板(5)之间的距离以及轴向角度；固态面阵激光雷达(3)采用嵌入式安装方式与标定筒(4)进行安装固定，使固态面阵激光雷达(3)的发射器的光路与标定筒(4)的轴线保持平行。
本发明通过采用关联成像方式，所述标定筒的长度以及距标定板的距离、方位均为可调，以此可寻求最优质量光斑进行多入射角标定，减少了标定过程的环境误差的影响，通过改变标定装置的物理参数即可兼容不同功率、发射角、数量的发射器，提高了标定装置的适配性，解决了传统标定过程中操作复杂，工作效率低等问题，因此能够满足不同应用场景的标定需求，实现多角度、变反射率等多模态的高精度标定。
还提供了这种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置的使用方法，其包括以下步骤：
(1)将固态面阵激光雷达通过螺栓固定到标定筒上，初步设置标定筒与标定板之间距离d1；
(2)启动固态面阵激光雷达，根据发射器投射到标定板上的散斑状态调节标定筒的长度d2以及距离d1，寻找最优质量光斑；
(3)设置自适应调节延时装置中延时时长，动态模拟不同距离，实现长距离区间大场景标定；选取特定工作距离范围，实现短距离区间内的高精度标定；
(4)分别设置不同单一型反射率标定板以及变反射率标定板，提高不同反射率下固态面阵激光雷达的测距精度，提高工作时环境适应性；
(5)变换固定架与固态面阵激光雷达间的万向节，改变标定筒与标定板之间的相对空间方位，对不同入射角进行标定；
(6)计算不同距离下差值，存入误差查找表中，采用多项式样条插值算法对查找表中离散点值进行拟合求解，最终形成标定距离范围内连续值误差标定曲线。
附图说明
图1为根据本发明的基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置的结构示意图。
图2为根据本发明的基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置中标定筒的局部剖面图。
图3为根据本发明的基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置中双头配件示意图。
图4为根据本发明的固态面阵激光雷达发射器投射到标定板上的散斑示意图。
图5为根据本发明的基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置的计算公式的示意图。
图6为根据本发明的基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置的变发射率标定板示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
如图1所示，这种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定装置，其包括：高精度标尺平移台1、固定架2、固态面阵激光雷达3、标定筒4、标定板5；
固定架2与标定筒4采用万向节铰接相连，且固定架2在高精度标尺平移台1上滑动，从而改变标定筒4到标定板5之间的距离以及轴向角度；固态面阵激光雷达3采用嵌入式安装方式与标定筒4进行安装固定，使固态面阵激光雷达3的发射器6的光路与标定筒4的轴线保持平行。
本发明通过采用关联成像方式，所述标定筒的长度以及距标定板的距离、方位均为可调，以此可寻求最优质量光斑进行多入射角标定，减少了标定过程的环境误差的影响，通过改变标定装置的物理参数即可兼容不同功率、发射角、数量的发射器，提高了标定装置的适配性，解决了传统标定过程中操作复杂，工作效率低等问题，因此能够满足不同应用场景的标定需求，实现多角度、变反射率等多模态的高精度标定。
优选地，所述固态面阵激光雷达3嵌入式安装到标定筒4时，四周用螺栓紧固。保证固态面阵激光雷达3发射器的光路与标定筒4的轴线保持平行。
优选地，如图2所示，所述标定筒4内壁有内螺纹，与双头配件的有外螺纹的一端连接，双头配件的另一端为内螺纹，双头配件的长度分多个梯度(如图3所示)，根据具体标定情况需要通过安装或拆卸双头配件改变标定筒4的长度。
优选地，所述标定筒4的面板上具有发射器出光孔，可根据固态面阵激光雷达3实际需求而定。
优选地，所述标定筒4内壁具有黑色涂层，涂层的表面粗糙。用以吸收反射到内壁上的光线，防止其经过多次反射后进入TOF芯片7，以此降低杂散光对标定效果的影响。
优选地，该装置还包括自适应调节延时部件，进行两种工作场景的标定：长距离区间大场景标定，短距离区间高精度标定；根据固态面阵激光雷达应用场景不同，通过设定不同延时时长模拟不同的标定距离：应用于目标识别则需要短距离区间高精度标定提高测距精度；应用于目标探测则需要长距离区间快速标定实现宽范围目标探测。
还提供了一种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定方法，其包括以下步骤：
(1)将固态面阵激光雷达通过螺栓固定到标定筒上，初步设置标定筒与标定板之间距离d1；
(2)启动固态面阵激光雷达，根据发射器投射到标定板上的散斑状态调节标定筒的长度d2以及距离d1，寻找最优质量光斑；
(3)设置自适应调节延时装置中延时时长，动态模拟不同距离，实现长距离区间大场景标定；选取特定工作距离范围，实现短距离区间内的高精度标定；
(4)分别设置不同单一型反射率标定板以及变反射率标定板，提高不同反射率下固态面阵激光雷达的测距精度，提高工作时环境适应性；
(5)变换固定架与固态面阵激光雷达间的万向节，改变标定筒与标定板之间的相对空间方位，对不同入射角进行标定；
(6)计算不同距离下差值，存入误差查找表中，采用多项式样条插值算法对查找表中离散点值进行拟合求解，最终形成标定距离范围内连续值误差标定曲线。
优选地，所述步骤(2)中，固定架与标定筒在高精度标尺平移台上进行移动，利用连接处万向节改变与标定板之间相对空间方位，进而需求最优光斑成像位置。
如图4所示，左图为光斑质量较差的一种形式，光斑仅投射到了区域I和双次重叠区域II处，但中间区域III未被照亮。右图为光斑质量较好的一种形式，区域IV被均匀照亮，且双次重叠区域V、三次重叠区域VI以及四次重叠区域VII均被均匀照亮，此外，光斑中央无黑暗区域。
优选地，所述步骤(2)中，固态面阵激光雷达中发射器投射到标定板上的散斑为朗伯反射，光斑面积为D，其中只有面积区域为S的光斑能通过标定筒反射到固态面阵激光雷达的TOF芯片上，标定过程中根据公式(1)寻找D与S最佳比例，以保证最优质量的光斑反射到TOF芯片中
D＝2(d1+d2)tanα/2+2h2+D1
S＝D1+d1/d2(D1-h1) (1)
其中光斑面积D，有效光斑面积S，标定筒直径D1，标定筒距标定板d1，标定筒长度d2，发射器的发散角α，TOF芯片高度h1，发射器距标定筒外径距离h2。
如图5所示，其中标注了光斑面积D，有效光斑面积S，标定筒直径D1，标定筒距标定板d1，标定筒长度d2，发射器的发散角α，TOF芯片高度h1，发射器距标定筒外径距离h2，发射器发射的调制激光投射到标定板上后，标定板表面形成朗伯反射，只有照射到有效光斑面积S内的光才会直射到TOF芯片中，其余的光反射到标定筒内壁即被黑色且粗糙的内壁表面所吸收，不会在筒壁上经多次反射后被TOF芯片所接收。
优选地，所述步骤(4)中，单一性反射率标定板的反射率为：10％、20％、50％、90％；变反射率标定板四周纯白色和纯黑色相间分布，中间区域从左至右分别按照黑白占比为5％、15％、25％、35％、50％五个等级进行填充。如图6所示，B代表纯黑色，W代表纯白色，①表示95％黑色占比区域，②表示85％黑色占比区域,③表示75％黑色占比区域,④表示65％黑色占比区域,⑤表示50％黑色占比区域,⑥表示50％白色占比区域,⑦表示65％白色占比区域,⑧表示75％白色占比区域,⑨表示85％白色占比区域,⑩表示95％白色占比区域。
图6所示为变反射率标定板的一种情况，与传统仅包含白/黑两种极高/极低反射率不同，因自然界中物体的反射率通常分布在极高/极低二者之间，为此，本发明所采用的变发射率标定板从左至右发射率高低交叉变换，通过变发射率标定板的标定，可实现对不同反射率目标测量过程中的统一性，降低了因被测目标反射率不同而造成的测量误差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)将固态面阵激光雷达通过螺栓固定到标定筒上，初步设置标定筒与标定板之间距离d1；
(2)启动固态面阵激光雷达，根据发射器投射到标定板上的散斑状态调节标定筒的长度d2以及距离d1，寻找最优质量光斑；
(3)设置自适应调节延时装置中延时时长，动态模拟不同距离，实现长距离区间大场景标定；选取特定工作距离范围，实现短距离区间内的高精度标定；
(4)分别设置不同单一型反射率标定板以及变反射率标定板，提高不同反射率下固态面阵激光雷达的测距精度，提高工作时环境适应性；
(5)变换固定架与固态面阵激光雷达间的万向节，改变标定筒与标定板之间的相对空间方位，对不同入射角进行标定；
(6)计算不同距离下差值，存入误差查找表中，采用多项式样条插值算法对查找表中离散点值进行拟合求解，最终形成标定距离范围内连续值误差标定曲线；
所述步骤(2)中，固定架与标定筒在高精度标尺平移台上进行移动，利用连接处万向节改变与标定板之间相对空间方位，进而寻求最优光斑成像位置；
所述步骤(2)中，固态面阵激光雷达中发射器投射到标定板上的散斑为朗伯反射，光斑面积为D，其中只有面积区域为S的光斑能通过标定筒反射到固态面阵激光雷达的TOF芯片上，标定过程中根据公式(1)寻找D与S最佳比例，以保证最优质量的光斑反射到TOF芯片中
D＝2(d1+d2)tanα/2+2h2+D1
S＝D1+d1/d2(D1-h1) (1)
光斑面积D，有效光斑面积S，标定筒直径D1，标定筒距标定板d1，标定筒长度d2，发射器的发散角α，TOF芯片高度h1，发射器距标定筒外径距离h2。
2.根据权利要求1所述的基于动态模拟的固态面阵激光雷达标定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，单一型反射率标定板的反射率为：10％、20％、50％、90％；变反射率标定板四周纯白色和纯黑色相间分布，中间区域从左至右分别按照黑白占比为5％、15％、25％、35％、50％五个等级进行填充。
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