CN112363149B - 激光雷达的测距误差标定系统和标定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种激光雷达的测距误差标定系统和标定方法，其中激光雷达的测距误差标定系统包括标定组件以及处理单元。标定组件设置于距离激光雷达预设距离的位置，激光雷达向标定组件发射激光光束，激光光束被标定组件反射，且标定组件可多次地改变反射光束的反射强度，激光雷达接收经过标定组件反射的反射光束并测量出接收不同反射强度的反射光束时对应的测量距离。处理单元根据测量距离和预设距离计算测距误差并构建测距误差和反射强度的关系函数。测距误差和反射强度这两个参数均可通过激光雷达测量并计算得到，反射强度能够直观准确地反应其对测距误差的影响，构建的这两者之间的关系函数可用于修正实际测量结果，提高激光雷达测量的准确性。
Description
技术领域
本申请属于传感器标定技术领域，更具体地说，是涉及一种激光雷达的测距误差标定系统和标定方法。
背景技术
激光雷达是通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，具有精准度高、作业速度快和效率高等优势，可作为汽车自动驾驶、机器人定位导航、空间环境测绘、安保安防等领域必不可少的核心传感器。目前，激光雷达主要是基于飞行时间原理进行测距，激光雷达一般包括一个发射器和采集器，发射器用于向目标空间发射光束，通过采集器采集由目标反射回的光束，再通过计算光束从发射到接收所需要的时间来计算物体的距离。但在实际测距过程中，受到物体距离、物体反射率以及环境光等因素的影响，通常会导致采集器采集的反射光束的光强度发生改变，从而引起测距误差。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种激光雷达的测距误差标定系统和标定方法，以解决现有技术中存在的因受到物体距离、物体反射率以及环境光等因素导致采集器采集的反射光束的光强度改变而引起测距误差的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种激光雷达的测距误差标定系统，激光雷达的测距误差标定系统包括标定组件以及处理单元。标定组件设置于距离激光雷达预设距离的位置，激光雷达向标定组件发射激光光束，激光光束被标定组件反射，且标定组件可多次地改变反射光束的反射强度，激光雷达接收经过标定组件反射的反射光束并测量出接收不同反射强度的反射光束时对应的测量距离。处理单元根据测量距离和预设距离计算测距误差并构建测距误差和反射强度的误差修正曲线。
可选地，标定组件包括衰减件和标定板，衰减件包括多个对激光光束具有不同衰减率的衰减区域，激光光束通过衰减件的不同衰减区域后光强度被不同程度地衰减，标定板用于反射激光光束。
可选地，衰减件为可旋转的调光转盘。
可选地，衰减件位于激光光束的发射光路上或者反射光路上。
可选地，标定组件包括多个具有不同反射率的标定板。
可选地，所有的标定板环绕激光雷达分布。
可选地，所有的标定板依次连接为一体。
可选地，标定板顶部或底部边沿形成倾斜直线或者预定曲率的曲线。
根据本发明的另一方面，本发明进一步提供一种激光雷达的测距误差标定方法，包括以下步骤：
设置步骤：将标定组件设置在距离激光雷达预设距离处；
测量步骤：调控激光雷达朝向标定组件发射激光光束并接收经过标定组件反射的反射光束，其中标定组件可多次地改变反射光束的反射强度，激光雷达测量出接收具有不同反射强度的反射光束时对应的测量距离；
构建关系函数步骤：计算测量距离和预设距离的测距误差，构建测距误差与反射光束的反射强度之间的关系函数。
可选地，在测量步骤中，通过激光雷达的发射器向标定组件发射脉冲信号，至少部分脉冲信号被激光雷达的采集器采集接收，采集器内置的TDC电路计算光子从发射到采集的飞行时间并形成表征飞行时间的测量信号，根据测量信号寻址采集器内置的直方图存储器中的存储位置，将直方图存储器的位置作为时间直方形成直方图，激光雷达的处理电路对直方图进行处理以确定直方图中的峰值位置从而根据峰值位置对应的飞行之间计算出测量距离，而且处理电路根据峰值位置对应的时间直方内的光子计数值表征反射光束的反射强度。
本申请提供的激光雷达的测距误差标定系统和激光雷达的测距误差标定方法的有益效果在于：与现有技术相比，本申请通过将标定组件设置在距离激光雷达预设距离的位置，激光雷达发射的激光光束被标定组件反射后再次被激光雷达接收，标定组件可多次重复地改变反射光束的光强度(即反射强度)，这样激光雷达可测量不同反射强度的反射光束对应的测量距离。以这样的方式采集多组数据之后，处理单元计算测量距离和预设距离(即实际距离)之间的差值，得到测量误差，并构建测量误差和反射强度之间的关系函数和误差修正曲线。可以理解的是，测距误差和反射强度这两个参数均可以通过激光雷达测量并计算得到，数据准确可靠；相比于构建测距误差和物体距离之间的关系函数，反射强度能够更加直观和准确地反应其对测距误差的影响，因此可以提高激光雷达标定和修正的准确性。另外，由于标定组件可以多次重复地改变反射光束的反射强度，变量是反射强度而不是距离，因此标定组件是固定不动的，在激光雷达的标定过程中并不需要频繁移动标定板就可以获得多组测量数据，操作简便高效，大大提高了标定效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请第一个实施例提供的激光雷达的测距误差标定系统的结构示意图；
图2为本申请第二个实施例提供的激光雷达的测距误差标定系统的结构示意图；
图3是图2中的激光雷达的测距误差标定系统的标定组件在假定展平状态下的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
10-标定组件；11-衰减件；12-标定板；300-激光雷达；310-发射器；320-采集器；330-控制电路。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，现对本申请第一个实施例提供的激光雷达的测距误差标定系统的结构以及其对激光雷达300进行标定的工作过程进行说明。激光雷达的测距误差标定系统包括标定组件10和处理单元(图中未示出)。
标定组件10设置于距离激光雷达300预设距离为D的位置。激光雷达300包括发射器310、采集器320以及处理电路330。发射器310包括由一个或多个激光器组成的光源，发射器310向标定组件10发射激光脉冲光束，至少部分脉冲光束被标定组件10反射回到激光雷达300并被采集器320接收。采集器320包括由一个或多个感测元件组成的像素用于采集反射光束中的光子并输出光子信号，其中感测元件可以是雪崩光电二极管(Avalanche PhotoDiode，APD)、单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)、硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SiPM)等单光子器件。采集器320还包括相互连接的TDC(Time-to-Digital Converter，时间数字转换器)电路和直方图存储器。激光雷达300的处理电路330同步发射器310和采集器320的触发信号并计算光束中的光子从发射到被采集接收所需要的飞行时间。可以理解的是，在一些实施例中，TDC电路和直方图存储器也可以被设置为是处理电路330的一部分。
标定组件10可多次改变反射光束的反射强度。具体地，标定组件10包括衰减件11和标定板12，衰减件11和标定板12间隔设置。其中衰减件11包括多个对激光光束具有不同衰减率的衰减区域，使得激光光束通过衰减件11的不同衰减区域后光强度被不同程度地衰减。标定板12用于反射激光光束，标定板12可采用普通的反射板。衰减件11设置于激光光束的发射光路上，激光雷达300的发射器310发射的激光光束先通过衰减件11从而光强度被衰减后再被标定板12反射回到激光雷达300的采集器320。或者衰减件11设置于激光光束的反射光路上，激光雷达300的发射器310发射的激光光束先经过标定板12反射后再通过衰减件11从而光强度被衰减后回到激光雷达300的采集器320。在实际标定过程中，可以选择性地调控激光雷达300或者衰减件11，使得激光光束投射到衰减件11的不同衰减区域，从而可以调节反射光束的反射强度。
可选地，衰减件11为可旋转的调光转盘并设置于激光光束的发射光路上。通过旋转调光转盘即可使得具有不同衰减率的衰减区域处于激光光束的光路上，从而调节投射到标定板12上的发射光束的光强度，也即改变了反射光束的反射强度。调光转盘为圆形、方形、三角形或者其他任意合理的形状。调光转盘上划分的衰减区域为扇形或者其他任意合理的形状，衰减区域的数量可以为任意合理的数值，例如六个或者十个，不同衰减区域的形状和面积尺寸可以相同或者不同。
激光雷达300的采集器320接收到反射回来反射光束后，采集器320内置的TDC电路计算光子从发射到采集的飞行时间并形成表征飞行时间的测量信号，将该测量信号转化成时间码(二进制码、温度码等编码)。随后直方图存储器会根据该测量信号在其内部相应的时间单元内进行计数，比如加1，实现寻址采集器320内置的直方图存储器中的存储位置。经过多个测量之后，可以将直方图存储器的位置作为时间直方(bin)并对所有时间直方(bin)内的光子计数进行统计而绘制形成直方图。然后激光雷达300内的处理电路330对直方图进行处理以确定直方图中的峰值位置，从而根据峰值位置对应的飞行时间计算出测量距离Dn,n＝1、2、3…、n，而且处理电路330根据峰值位置对应的时间直方(bin)内的光子计数值表征反射光束的反射强度In,n＝1、2、3…、n。其中反射强度In(n＝1、2、3…、n)一一对应测量距离Dn(n＝1、2、3…、n)，n表征标定组件10改变反射光束的反射强度的次数(例如，衰减件11具有n个不同衰减率的衰减区域，则衰减件11可以改变反射光束的反射强度n次，对应可以得到n个反射强度)。关于TDC电路和直方图存储器的工作原理可以参阅专利申请号为201910889452.2中的内容。通过这样的方式，激光雷达接收到了经过标定组件10反射的反射光束并测量出接收不同反射强度的反射光束时对应的测量距离。
标定组件10和激光雷达300之间的预设距离D即为两者之间的实际距离，激光雷达300测量出来的测量距离Dn和预设距离D之差即为测距误差△Dn，△Dn＝Dn-D，n＝1、2、3、…、n。处理单元根据测量距离Dn和预设距离D计算测距误差△Dn，并通过多组标定数据分析拟合出测距误差△Dn和反射强度In之间的关系函数，从而构建测距误差和反射强度之间的关系函数和误差修正曲线。关系函数和误差修正曲线可以采用现有的多种样式，例如可以拟合多项式函数y＝aI2+bI+c，其中y为测距误差，I为反射强度，a、b、c为拟合系数。
在实际应用中，先通过激光雷达300测量出目标物体的测量距离并计算出光束的反射强度，进一步根据反射强度以及误差修正曲线确定出的测距误差就可以修正测量距离而获得更加准确的测量距离结果。
如图2所示，本申请第二个实施例提供的激光雷达的测距误差标定系统的结构和第一个实施例基本一致，不同之处在于标定组件10。标定组件10包括多个具有不同反射率的标定板12而省去了第一个实施例中的衰减件11。可以采用不同材质的标定板12或者在标定板12上涂布不同的涂层来实现标定板12反射率的不同。在一个实施例中，可以调控激光雷达使得激光光束投射到具有不同反射率的标定板12上，从而可以调节反射光束的反射强度。在另一个实施例中，也可以将所有的标定板12环绕激光雷达300分布，激光雷达300采用旋转式激光雷达。这样，调控激光雷达300旋转扫描时可向任意一个标定板12发射激光光束，激光光束经过不同的标定板12反射后，激光雷达300接收到具有不同反射强度的反射光束，从而进一步计算测量出对应的多个不同的测量距离数值。
进一步地，作为一种具体实施方式，所有的标定板12依次连接为一体，从而所有的标定板12形成一个圆筒，激光雷达300位于圆筒的中心轴线位置，圆筒的半径即为标定组件10距离激光雷达300的预设距离。圆筒的半径可以设置为激光雷达可测距范围内的任意数值。在其他实施例中，标定板12也可以不连接为一体，而是间隔环绕分布在激光雷达300的周围。在其他实施例中，所有的标定板12也可以不连接成为一个具有完整360°圆周的圆筒，而是半个圆筒或者形成任意一段圆弧面。不同反射率区域之间的划分可以按照圆心角等分或者以任意形状和尺寸划分。
作为一种具体实施方式，连接为一体的所有标定板12的顶部边沿形成倾斜直线或者预定曲率的曲线，且具有相对较高反射率的标定板12顶部边沿高于具有相对较低反射率的标定板12的顶部边沿。这样当激光雷达300旋转到低反射率的标定板12上时，激光光束形成的光斑仅有部分被标定板12反射回波，其余部分则从标定板12的顶部边沿投射出去了，这样可以进一步降低被低反射率的标定板12反射的反射光束的反射强度，也即降低回波信号强度，从而拉大反射光束的强度区分度。
根据本申请的另一方面，本申请进一步提供一种激光雷达的测距误差标定方法，包括以下步骤：
设置步骤：将标定组件10设置在距离激光雷达300的预设距离D处；
测量步骤：调控激光雷达300向标定组件10发射激光光束并接收经过标定组件10反射的反射光束，其中标定组件10可多次地改变反射光束的反射强度，激光雷达300测量出接收具有不同反射强度的反射光束时对应的测量距离；
构建关系函数步骤：计算测量距离和预设距离的测距误差，构建测距误差与反射光束的反射强度之间的关系函数。
其中在测量步骤中，通过激光雷达的发射器310向所述标定组件发射脉冲信号，至少部分脉冲信号被激光雷达的采集器320采集接收，采集器320内置的TDC电路计算光子从发射到采集的飞行时间并形成表征飞行时间的测量信号，将该测量信号转化成时间码(二进制码、温度码等编码)。
直方图存储器包括地址译码器、存储矩阵、读出/写入电路以及直方图绘制电路。其中TDC电路将获取的反映飞行时间的时间码(二进制码、温度码等编码)输入至地址译码器，并经地址译码器转换成地址信息，该地址信息将被存储到存储矩阵中。具体地，存储矩阵包括多个存储单元，即时间单元，每个存储单元被预先配置一定的地址(或地址区间)。直方图存储器会根据测量信号转化成的时间码寻址在直方图存储器中的存储位置并在其内部相应的存储单元内进行计数，比如加1。具体来说，当地址译码器所接收到的时间码地址与某个存储单元的地址一致或在该存储单元的地址区间内时，读出/写入电路将会对相应的存储单元执行+1操作，即完成一次光子计数，多次测量后各个存储单元中的数据反映的是该时间间隔所接收到的光子数量。
经过多次测量后将直方图存储器的存储矩阵中所有存储单元的数据被读出至直方图绘制电路，将直方图存储器的位置作为时间直方(bin)并对所有时间直方(bin)内的光子计数进行统计而绘制形成直方图。
激光雷达的处理电路330对直方图进行处理以确定直方图中的峰值位置从而根据峰值位置对应的飞行之间计算出测量距离，而且处理电路330根据峰值位置对应的时间直方内的光子计数值表征反射光束的反射强度。关于TDC电路和直方图存储器的工作原理可以参阅专利申请号为201910889452.2中的内容。
在构建关系函数步骤中，标定组件10和激光雷达300之间的预设距离D即为两者之间的实际距离，激光雷达300测量出来的测量距离Dn和预设距离D之差即为测距误差△Dn，△Dn＝Dn-D，n＝1、2、3、…、n。处理单元根据测量距离Dn和预设距离D计算测距误差△Dn，并通过多组标定数据分析拟合出测距误差△Dn和反射强度In之间的关系函数，从而构建测距误差和反射强度之间的关系函数和误差修正曲线。关系函数和误差修正曲线可以采用现有的多种样式，例如可以拟合多项式函数y＝aI2+bI+c，其中y为测距误差，I为反射强度，a、b、c为拟合系数。
本申请提供的激光雷达的发射器测距误差标定系统和标定方法，通过标定构建了测距误差和反射强度这两者之间的关系函数，在标定过程中测距误差和反射强度均可以通过激光雷达测量并计算得到，数据获取比较直接、准确可靠；相比于构建测距误差和物体距离之间的关系函数，反射强度能够更加直观和准确地反应其对测距误差的影响，因此可应用于修正激光雷达的实际测量结果，提高激光雷达测距的准确性。另外，由于标定组件可以多次重复地改变反射光束的反射强度，变量是反射强度而不是距离，因此标定组件是固定不动的，在激光雷达的标定过程中并不需要频繁移动标定板就可以获得多组测量数据，操作简便高效，大大提高了标定效率。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，包括：
标定组件，所述标定组件设置于距离激光雷达预设距离的位置，激光雷达向所述标定组件发射激光光束，激光光束被所述标定组件反射，且标定组件可多次地改变反射光束的反射强度，激光雷达接收经过所述标定组件反射的反射光束并测量出接收不同反射强度的反射光束时对应的测量距离，不同反射强度时所述激光雷达与所述标定组件之间的实际距离相同；其中，所述激光雷达包括发射器、采集器及处理电路，所述激光雷达通过所述采集器内置的TDC电路及直方图存储器计算光子从发射到采集的飞行时间并形成表征飞行时间的测量信号以绘制直方图，所述处理电路对直方图进行处理以确定直方图中的峰值位置，根据峰值位置对应的飞行时间计算出所述测量距离，并根据峰值位置对应的时间直方内的光子计数值表征反射光束的反射强度；
处理单元，所述处理单元根据测量距离和预设距离计算测距误差并构建测距误差和反射强度之间的关系函数。
2.如权利要求1所述的激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，所述标定组件包括衰减件和标定板，所述衰减件包括多个对激光光束具有不同衰减率的衰减区域，激光光束通过所述衰减件的不同衰减区域后光强度被不同程度地衰减，所述标定板用于反射激光光束。
3.如权利要求2所述的激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，所述衰减件为可旋转的调光转盘。
4.如权利要求2所述的激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，所述衰减件位于激光光束的发射光路上或者反射光路上。
5.如权利要求1所述的激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，所述标定组件包括多个具有不同反射率的标定板。
6.如权利要求5所述的激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，所有的标定板环绕激光雷达分布。
7.如权利要求5所述的激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，所有的标定板依次连接为一体。
8.如权利要求7所述的激光雷达的测距误差标定系统，其特征在于，所述标定板顶部边沿形成倾斜直线或者预定曲率的曲线。
9.一种激光雷达的测距误差标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置步骤：将标定组件设置在距离激光雷达预设距离处；
测量步骤：调控激光雷达向所述标定组件发射激光光束并接收经过所述标定组件反射的反射光束，其中所述标定组件可多次地改变反射光束的反射强度，所述激光雷达测量出接收具有不同反射强度的反射光束时对应的测量距离，不同反射强度时所述激光雷达与所述标定组件之间的实际距离相同；其中，所述激光雷达包括发射器、采集器及处理电路，所述激光雷达通过所述采集器内置的TDC电路及直方图存储器计算光子从发射到采集的飞行时间并形成表征飞行时间的测量信号以绘制直方图，所述处理电路对直方图进行处理以确定直方图中的峰值位置，根据峰值位置对应的飞行时间计算出所述测量距离，并根据峰值位置对应的时间直方内的光子计数值表征反射光束的反射强度；
构建关系函数步骤：计算测量距离和预设距离的测距误差，构建所述测距误差与反射光束的反射强度之间的关系函数。
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