CN112379354A - 一种mems扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法 - Google Patents

Abstract

一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法。本发明为解决现有基于ToF法的MEMS扫描激光雷达中存在时间误差导致的成像畸变及测距误差问题。本发明首先运行待标定MEMS扫描激光雷达，扫描任意非平面非空场景，采集扫描数据，并标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差；然后运行已标定同步时间误差后的MEMS扫描激光雷达，扫描相应平面并采集N帧扫描数据；标定每一帧数据中的延迟时间误差，对每一帧数据获取的时间误差求平均值，该平均值即为系统延迟时间误差。可利用任意非平面目标来标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差，可以利用任意平面来标定出射脉冲和接收回波信号之间的系统延迟时间误差。用于扫描激光雷达系统的时间误差的标定。

Description

一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法

技术领域

本发明属于激光雷达标定技术领域，涉及一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法。

背景技术

近几年来，基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)扫描微镜的激光雷达技术快速发展，相比于机械旋转式激光雷达，MEMS扫描激光雷达具有体积小、成本低、速度快的特点，可以广泛应用于各种无人化设备和智能装备领域中，如无人驾驶、智能安防、行为预测等领域中。

MEMS扫描激光雷达内部一般包含一个激光器，一个MEMS微镜，中央控制单元，探测器，信号处理模块，准直器和分束器等器件。在设备工作时，中央控制单元会发出同步时钟信号，触发MEMS微镜和激光器，使激光器发出激光脉冲信号，同时使MEMS微镜开始振动。但由于在接收到触发信号后，两者产生响应所需的时间不同，导致两者之间存在一定的同步时间误差，该项时间误差会导致生成的激光雷达图像产生严重的畸变。对于同步时间误差，之前并无有效的自动标定方法，一般常通过人为标定的方法实现两者之间的时间对齐，即人为的逐个移动采集到的信号并观察成像结果是否符合拍摄场景，如《MEMS大视野扫描激光3D图像传感器关键技术研究》中利用该方法实现了同步时间误差的标定。这种标定方法耗时耗力，且缺少相应的评价标准，无法保证标定的精度，同时当激光雷达扫描方式或扫描角度发生变化时，该项时间误差往往会发生较大改变，需要重新标定。

现有的MEMS扫描激光雷达设备大多基于ToF(Time of Flight)法实现测距。激光器发出的激光脉冲会分为两束，一束作为参考光束直接打在光电探测器C₁上，该光电探测器将激光脉冲信号转换为起始脉冲信号，作为发出激光脉冲的时间；另一束经准直后入射至MEMS微镜，作为测量光束，再通过MEMS微镜反射至扫描目标，目标反射信号被接收光学天线汇聚至另一个光电探测器C₂有效端面，该探测器将其转换为目标位置模拟脉冲信号，作为接收激光脉冲的时间。通过接收激光脉冲时间与发出激光脉冲时间的差，结合光速即可计算出激光脉冲的飞行光程，实现激光测距。但是由于测量光束会通过一些系统，包括光纤分束器和准直扩束光学系统，以及探测器响应会有一定的延迟，因此会产生一定的系统延迟时间误差，在测距过程中需要进行严格的标定，并在计算中减去这部分系统延迟时间误差。该项误差可以达到几纳秒甚至几十纳秒，严重影响了激光雷达的测距精度。

现有的标定激光测距系统延迟时间误差的方法包括实际测距法、光纤模拟测量法和光电延时法等，但这些方法往往需要额外的设备，如测距机、光纤、延时电路等，且标定过程较为复杂，对实验环境和条件有较高要求等。以实物测距法为例，往往需要多次移动反射板，将反射板放置在不同的距离下，并借助额外的精密激光测距仪测定激光雷达到反射板的距离作为标准距离实现对系统延迟时间误差的标定。标定中需要人为不断的干预极大降低了标定效率，且借助额外测距仪也会带来一定的测量误差，同时对标定过程和环境有较高的要求，无法实时的对系统延迟误差进行准确地标定。

综上所述，尽管目前已经存在部分激光雷达系统时间误差的标定方法，但是仍然存在很多问题：在标定MEMS微镜和激光器之间的同步时间误差时，严重依赖于人工操作，且缺乏定量的评价指标，在改变扫描方式和扫描角度后需要不断重复复杂的标定过程，效率较低。在标定激光雷达系统延迟时间误差时，对标定装置、标定环境和操作过程有较高的要求，极大影响了标定的效率。

发明内容

本发明为解决现有基于ToF法的MEMS扫描激光雷达中存在的MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差、参考光束与测量光束之间的系统延迟时间误差等系统时间误差导致的成像畸变问题及测距存在较大固定误差的问题，以及现有系统时间误差标定方法效率低的问题，提出了一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法。

一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，包括以下步骤：

步骤一、运行待标定MEMS扫描激光雷达，扫描任意非平面非空场景，采集扫描数据；

步骤二、标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差；

步骤三、在激光雷达前放置任意平面，或将激光雷达指向平面；

步骤四、运行已标定同步时间误差后的MEMS扫描激光雷达，扫描相应平面并采集N帧扫描数据；

步骤五、标定每一帧数据中的延迟时间误差，对每一帧数据获取的时间误差求平均值，该平均值即为系统延迟时间误差。

进一步地，步骤一所述运行待标定MEMS扫描激光雷达，扫描任意非平面非空场景，采集扫描数据的过程包括以下步骤：

准备任意合作或非合作目标场景，运行待标定MEMS激光雷达，扫描该非平面非空场景，完成扫描数据的采集；采集的扫描数据包含n个时间t_i及n个激光扫描坐标(X_i,Y_i)，其中，X_i和Y_i分别为MEMS微镜在MEMS扫描激光雷达坐标系oxyz下绕y轴正方向和绕x轴负方向上旋转的角度，i∈[1,n]。

进一步地，步骤二所述标定MEMS微镜与激光器之间的时间误差的过程包括以下步骤：

步骤二一、提取步骤一中所采集数据中的前n-m个激光扫描坐标(X_j,Y_j)和后n-m个时间t_k，其中j∈[1,n-m]，k∈[1+m,n]，该步骤初次执行时m初始化为0；

步骤二二、将步骤二一中所提取的n-m个时间和激光扫描坐标一一对应，得到n-m个带有坐标的时间项t'_a(X'_a,Y'_a)，其中a∈[1,n-m]，计算时间项t'_a(X'_a,Y'_a)在y方向上的梯度总和V_m，并记录下来；

步骤二三、m值加1，判断m值是否大于等于执行阈值，若是，执行步骤二四，否则执行步骤二一；

步骤二四、设MEMS微镜与激光之间时间误差T₁，选择所有梯度总和V_m中最小时所对应的m值，记为m'，该m'值即为T₁时间内激光发出的脉冲个数；

T₁通过m'与相邻两个脉冲峰值之间的峰值时间T的乘积获取：T₁＝m′*T。

进一步地，步骤二二所述计算时间项在y方向上的梯度总和V_m的具体过程包括以下步骤：

时间项在y方向上的梯度总和V_m如下：

其中，c值为使X'_b与X'_b+c之间差最小且大于1的正整数；t'_b(X'_b,Y'_b)和t'_b+c(X'_b+c,Y'_b+c)分别表示在采集的n个时间项和激光扫描坐标中，取后n-m个时间项和前n-m激光扫描坐标一一对应起来之后的第b和b+c个数据。

进一步地，执行阈值为1000。

进一步地，步骤四所述的扫描相应平面并采集N帧扫描数据的具体过程包括以下步骤。

步骤四一、运行已标定同步时间误差的MEMS扫描激光雷达，经过标定后的MEMS扫描激光雷达在每次扫描时仅返回后n-m'个时间项和前n-m'个激光扫描坐标，每个时间项与激光扫描坐标一一对应；

步骤四二、用激光雷达任意扫描N次平面，其中N大于等于1，并采集所有扫描的数据，获得N帧数据，每一帧的扫描数据均包含n-m'个时间t_l及对应的n-m'个激光扫描坐标(X_l,Y_l),其中l∈[1,n-m']；

进一步地，步骤五的具体过程包括以下步骤：

步骤五一、将采集的所有扫描数据转换到所构建的MEMS扫描激光雷达坐标系oxyz下，具体公式如下：

y_Hl＝-z_l*tan(X_l)

x_Hl＝-z_Hl*tan(Y_l)

其中，c为光速；l∈[1,n-m']，l表示一帧数据中n-m'个点中的第l个点；H∈[1,N]，H表示N帧激光雷达扫描数据中的第H帧；在将扫描数据转换到坐标系oxyz下后，将每一个点在坐标系oxyz下的坐标扩展为4维齐次坐标，即由(x_Hl,y_Hl,z_Hl)变为(x_Hl,y_Hl,z_Hl,1)；此时，每一帧的数据中包含n-m'个4维齐次坐标(每一帧数据包含n-m'个点的数据)，将这些坐标组成一个n-m'行、4列的矩阵，记为测量数据矩阵A_H；

步骤五二、计算单位时间延迟矩阵B，B为n-m'行、4列的矩阵，每一行数据表示单位时间的延迟对一帧激光雷达扫描数据中每个点所造成的测距误差在坐标系oxyz下的齐次坐标；单位时间的延迟对每个点所造成的测距误差表示为：

y_l＝-z_l*tan(X_l)

x_l＝-z_l*tan(Y_l)

其中，l∈[1,n-m']；将单位时间的延迟对单个点所造成的测距误差表示为4维齐次坐标，即由(x_l,y_l,z_l)变为(x_l,y_l,z_l,1)，将所有的n-m'个4维齐次坐标组成n-m'行、4列的矩阵，即为单位时间延迟矩阵B；

步骤五三、计算激光雷达中的系统延迟时间误差的候选时间误差，对每一帧数据均需计算候选时间误差，第H帧数据对应的候选时间误差通过计算如下矩阵k_H的特征值获取：

k_H＝(B^TB)^-1B^TA_H

其中，上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆；

通过求取矩阵k_H的特征值，获得4个特征值，取其中不等于的1的M_H个特征值作为第H帧数据对应的候选时间误差，记为λ_Hr，其中r∈[1,M_H]；

步骤五四、针对每一帧数据，对步骤五三中获取的作为候选时间误差的M_H个特征值进行筛选，获得每一帧数据对应的发出激光脉冲与接收激光脉冲经过不同传感器带来的时间误差，对于N帧数据，获得N个时间误差；

步骤五五、对步骤五四所获得的N个时间误差求平均值，即为待标定激光雷达系统延迟时间误差。

进一步地，步骤五四的具体过程包括以下步骤：

(1)分别计算每个候选时间误差对每个测量点造成的测距误差，计算公式如下：

其中，r∈[1,M_H]，λ_r表示其中第r个特征值，

表示以第r个特征值作为时间误差时，在oxyz坐标系下，对激光雷达测距带来的测距误差；

(2)在得到每一个候选时间误差造成的激光雷达测距误差后，真实扫描平面上点的坐标表示为

将所有真实扫描平面上点的坐标表示为矩阵E_Hr，其中E_Hr为n-m'行、3列的矩阵，其第l行数据为

H∈[1,N]，以H为下标表示N帧数据中的第H帧数据，r∈[1,M_H]，以r为下标表示某一帧数据所求的M_H个候选时间误差中的第r个，以l为下标表示某一帧数据中第l个点；

(3)利用矩阵E_Hr拟合平面P_Hr，拟合公式如下：

其中，I表示n-m'行、1列的值均为1的矩阵；d_Hr1，d_Hr2，d_Hr3分别为坐标系oxyz下的平面方程d_Hr1*x+d_Hr2*y+d_Hr3*z＝1的系数，即为所拟合平面P_Hr的系数；

(4)对于每一帧数据，计算激光雷达所发出的脉冲与每一个特征值所求得的拟合平面之间的交点的理想坐标值(x_Hfr,y_Hfr,z_Hfr)，f∈[1,n-m']，每一个特征值对应的所有点的理想坐标值表示为矩阵F_Hr，F_Hr为n-m'行、3列的矩阵，其第f行数据为(x_Hfr,y_Hfr,z_Hfr)；

(5)对于每一帧数据，选择所求得M_H个特征值中所获得的F_Hr与E_Hr的差的二范数最小时对应的特征值，作为该帧数据的标定结果，即为该帧数据的延迟时间误差；对于N帧数据，获得N个时间误差。

本发明的有益效果：

在本发明标定了两个系统时间误差，能够解决以下两方面的问题：

1、MEMS微镜与激光器之间由于响应时间不同带来的同步时间误差，该项误差会导致图像发生畸变。

2、参考光束和测量光束在系统内部经过不同路径及不同传感器后分别被转换为发出和接收激光脉冲的时间，将两者做差乘以光速就是脉冲走的距离，但是由于测量光束转化为接收激光脉冲时间的过程中在系统内部花费的时间更长一些，导致两者之间存在一个固定的时间误差，在这里将多花费的一些时间称为系统延迟时间误差，这项时间误差会导致系统出现较大的测距误差。

本发明将两个时间误差统称为系统时间误差，本发明提出了一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，可以用于标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差，以及参考光束与测量光束之间的系统延迟时间误差，所以能够有效的解决系统时间误差导致的成像畸变问题，而且还能够有效的解决测距误差的问题。

本发明可以利用任意非平面目标标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差，可以利用任意平面标定因测量光束需要通过其他系统和探测器响应时间延迟带来的系统延迟时间误差，所以本发明也不需要任何人工测量过程，可以自行解算待标定激光雷达系统中存在的时间误差，提高了激光雷达标定的效率。标定工作以前都是通过人工测量或借助一些设备来完成，相比这种标定情况，本发明的自标定的方法能够极大提高标定效率。

附图说明

图1为具体实施方式一中的MEMS扫描激光雷达系统时间误差自标定的流程图；

图2为标定MEMS微镜和激光器之间同步时间误差前的激光雷达所成像；

图3为标定MEMS微镜和激光器之间同步时间误差后的激光雷达所成像；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，包括以下步骤：

步骤一、运行待标定MEMS扫描激光雷达，扫描任意非平面非空场景，采集扫描数据；

步骤二、标定MEMS微镜与激光器之间的时间误差；

步骤三、在激光雷达前放置任意平面，或将激光雷达指向墙面等平面；

步骤四、运行已标定同步时间误差后的MEMS扫描激光雷达，扫描相应平面并采集N帧扫描数据；

步骤五、标定每一帧数据中的延迟时间误差，对每一帧数据获取的时间误差求平均值，该平均值即为系统延迟时间误差。

本发明提出了一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，可以用于标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差，以及系统延迟时间误差。本发明可以利用任意非平面目标标定MEMS微镜与激光器之间的时间误差，可以利用任意平面标定因测量光束需要通过其他系统和探测器响应时间延迟带来的系统延迟时间误差。本发明不需要任何手工测量过程，可以自行解算待标定激光雷达系统中存在的时间误差，提高了激光雷达标定的效率。

具体地说，对于基于ToF法的MEMS扫描激光雷达设备，本发明可以在不依赖其他测距设备和特定合作目标的基础上，实现激光雷达内部不同组成部分之间的时间误差标定，避免了现有标定方法中需要大量人为参与的问题，降低了MEMS扫描激光雷达标定的难度。

具体实施方式二：

本实施方式所述一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，步骤一所述运行待标定MEMS扫描激光雷达，扫描任意非平面非空场景，采集扫描数据的过程包括以下步骤：

准备任意合作或非合作目标场景，运行待标定MEMS激光雷达，扫描该非平面非空场景，完成扫描数据的采集；采集的扫描数据包含n个时间t_i及n个激光扫描坐标(X_i,Y_i)，其中X_i和Y_i分别为MEMS微镜在MEMS扫描激光雷达坐标系oxyz下绕y轴正方向和绕x轴负方向上旋转的角度，i∈[1,n]。

所述MEMS扫描激光雷达坐标系oxyz如下：

以MEMS微镜中心与背景技术第三段中所提到的“光电探测器C₂”有效端面中心之间的中点为原点，以MEMS微镜处于静止状态时，假设MEMS激光雷达水平放置，在MEMS后方观察，以垂直MEMS微镜向后为z轴正方向，以平行于MEMS微镜平面向右为x轴正方向，以平行于MEMS微镜平面向上位y轴正方向，该坐标系为右手坐标系。

其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，步骤二所述标定MEMS微镜与激光器之间的时间误差的过程包括以下步骤：

步骤二一、提取步骤一中所采集数据中的前n-m个激光扫描坐标(X_j,Y_j)和后n-m个时间t_k，其中j∈[1,n-m]，k∈[1+m,n]，该步骤初次执行时m初始化为0；

步骤二二、将步骤二一中所提取的n-m个时间和激光扫描坐标一一对应，得到n-m个带有坐标的时间项t'_a(X'_a,Y'_a)，其中a∈[1,n-m]，计算时间项t'_a(X'_a,Y'_a)在y方向上的梯度总和V_m，并记录下来；

步骤二三、m值加1，判断m值是否大于等于执行阈值，执行阈值优选为1000，若是，执行步骤二四，否则执行步骤二一；

步骤二四、设MEMS微镜与激光之间时间误差T₁，选择所有梯度总和V_m中最小时所对应的m值，记为m'，该m'值即为T₁时间内激光发出的脉冲个数；T₁可通过m'与相邻两个脉冲峰值之间的峰值时间T的乘积获取，公式如下：

T₁＝m′*T

所述的步骤二二中计算时间项在y方向上的梯度总和V_m的具体过程如下：

时间项在y方向上的梯度总和V_m的计算公式如下：

其中，c值为使X'_b与X'_b+c之间差最小且大于1的正整数；t'_b(X'_b,Y'_b)和t'_b+c(X'_b+c,Y'_b+c)分别表示在采集的n个时间项和激光扫描坐标中，取后n-m个时间项和前n-m激光扫描坐标一一对应起来之后的第b和b+c个数据。

其他步骤和参数与具体实施方式一至二之一相同。

具体实施方式四：

步骤四所述的扫描相应平面并采集N帧扫描数据的具体过程为：

步骤四一、运行已标定同步时间误差的MEMS扫描激光雷达，经过标定后的MEMS扫描激光雷达在每次扫描时仅返回后n-m'个时间项和前n-m'个激光扫描坐标，每个时间项与激光扫描坐标一一对应；

步骤四二、用激光雷达任意扫描N次平面，其中N大于等于1，并采集所有扫描的数据，获得N帧数据，每一帧的扫描数据均包含n-m'个时间t_l及对应的n-m'个激光扫描坐标(X_l,Y_l),其中l∈[1,n-m']。

其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

步骤五所述的标定每一帧数据中的延迟时间误差，对每一帧数据获取的时间误差求平均值，该平均值即为系统延迟时间误差的具体过程包括以下步骤：

步骤五一、将采集的所有扫描数据转换到所构建的MEMS扫描激光雷达坐标系oxyz下，具体公式如下：

y_Hl＝-z_l*tan(X_l)

x_Hl＝-z_Hl*tan(Y_l)

其中，c为光速；l∈[1,n-m']，l表示一帧数据中n-m'个点中的第l个点；H∈[1,N]，H表示N帧激光雷达扫描数据中的第H帧。在将扫描数据转换到坐标系oxyz下后，将每一个点在坐标系oxyz下的坐标扩展为4维齐次坐标，即由(x_Hl,y_Hl,z_Hl)变为(x_Hl,y_Hl,z_Hl,1)。此时，每一帧的数据中包含n-m'个4维齐次坐标(每一帧数据包含n-m'个点的数据)，将这些坐标组成一个n-m'行、4列的矩阵，记为测量数据矩阵A_H。

步骤五二、计算单位时间延迟矩阵B，B为n-m'行、4列的矩阵，每一行数据表示单位时间的延迟对一帧激光雷达扫描数据中每个点所造成的测距误差在坐标系oxyz下的齐次坐标。单位时间的延迟对每个点所造成的测距误差可以表示为：

y_l＝-z_l*tan(X_l)

x_l＝-z_l*tan(Y_l)

其中，l∈[1,n-m']。将单位时间的延迟对单个点所造成的测距误差表示为4维齐次坐标，即由(x_l,y_l,z_l)变为(x_l,y_l,z_l,1)，将所有的n-m'个4维齐次坐标组成n-m'行、4列的矩阵，即为单位时间延迟矩阵B。

步骤五三、计算激光雷达中的系统延迟时间误差的候选时间误差，对每一帧数据均需计算候选时间误差，第H帧数据对应的候选时间误差可以通过计算如下矩阵k_H的特征值获取：

k_H＝(B^TB)^-1B^TA_H

其中，上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆；

通过求取矩阵k_H的特征值，可以获得4个特征值，取其中不等于的1的M_H个特征值作为第H帧数据对应的候选时间误差，记为λ_Hr，其中r∈[1,M_H]。

步骤五四、针对每一帧数据，对步骤五三中获取的作为候选时间误差的M_H个特征值进行筛选，获得每一帧数据对应的发出激光脉冲与接收激光脉冲经过不同传感器带来的时间误差，具体筛选过程如下：

(1)分别计算每个候选时间误差对每个测量点造成的测距误差，计算公式如下：

其中，r∈[1,M_H]，λ_r表示其中第r个特征值，

表示以第r个特征值作为时间误差时，在oxyz坐标系下，对激光雷达测距带来的测距误差。

(2)在得到每一个候选时间误差造成的激光雷达测距误差后，真实扫描平面上点的坐标可以表示为

将所有真实扫描平面上点的坐标表示为矩阵E_Hr，其中E_Hr为n-m'行、3列的矩阵，其第l行数据为

H∈[1,N]，以H为下标表示N帧数据中的第H帧数据，r∈[1,M_H]，以r为下标表示某一帧数据所求的M_H个候选时间误差中的第r个，以l为下标表示某一帧数据中第l个点。

(3)利用矩阵E_Hr拟合平面P_Hr，拟合公式如下：

其中，I表示n-m'行、1列的值均为1的矩阵；d_Hr1，d_Hr2，d_Hr3分别为坐标系oxyz下的平面方程d_Hr1*x+d_Hr2*y+d_Hr3*z＝1的系数，即为所拟合平面P_Hr的系数。

(4)对于每一帧数据，计算激光雷达所发出的脉冲与每一个特征值所求得的拟合平面之间的交点的理想坐标值(x_Hfr,y_Hfr,z_Hfr)，f∈[1,n-m']，每一个特征值对应的所有点的理想坐标值可以表示为矩阵F_Hr，F_Hr为n-m'行、3列的矩阵，其第f行数据为(x_Hfr,y_Hfr,z_Hfr)。

(5)对于每一帧数据，选择所求得M_H个特征值中所获得的F_Hr与E_Hr的差的二范数最小时对应的特征值，作为该帧数据的标定结果，即为该帧数据的延迟时间误差。对于N帧数据，可以获得N个时间误差。

步骤五五、对步骤五四所获得的N个时间误差求平均值，即为待标定激光雷达系统延迟时间误差。

其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

本发明提出了一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，可以用于标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差，以及参考光束与测量光束之间的系统延迟时间误差，所以能够有效的解决系统时间误差导致的成像畸变问题，而且还能够有效的解决测距误差的问题。

通过图2和图3看出本发明的效果，图2为标定MEMS微镜和激光器之间同步时间误差前的激光雷达所成像；图3为标定MEMS微镜和激光器之间同步时间误差后的激光雷达所成像。

本发明可以利用任意非平面目标标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差，可以利用任意平面标定因测量光束需要通过其他系统和探测器响应时间延迟带来的系统延迟时间误差，所以本发明也不需要任何人工测量过程，可以自行解算待标定激光雷达系统中存在的时间误差，提高了激光雷达标定的效率。标定工作以前都是通过人工测量或借助一些设备来完成，相比这种标定情况，本发明的自标定的方法能够极大提高标定效率。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、运行待标定MEMS扫描激光雷达，扫描任意非平面非空场景，采集扫描数据；

步骤二、标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差；

步骤三、在激光雷达前放置任意平面，或将激光雷达指向平面；

步骤四、运行已标定同步时间误差后的MEMS扫描激光雷达，扫描相应平面并采集N帧扫描数据；

步骤五、标定每一帧数据中的延迟时间误差，对每一帧数据获取的时间误差求平均值，该平均值即为系统延迟时间误差。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，步骤一所述运行待标定MEMS扫描激光雷达，扫描任意非平面非空场景，采集扫描数据的过程包括以下步骤：

准备任意合作或非合作目标场景，运行待标定MEMS激光雷达，扫描该非平面非空场景，完成扫描数据的采集；采集的扫描数据包含n个时间t_i及n个激光扫描坐标(X_i,Y_i)，其中，X_i和Y_i分别为MEMS微镜在MEMS扫描激光雷达坐标系oxyz下绕y轴正方向和绕x轴负方向上旋转的角度，i∈[1,n]。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，步骤二所述标定MEMS微镜与激光器之间的同步时间误差的过程包括以下步骤：

步骤二一、提取步骤一中所采集数据中的前n-m个激光扫描坐标(X_j,Y_j)和后n-m个时间t_k，其中j∈[1,n-m]，k∈[1+m,n]，该步骤初次执行时m初始化为0；

步骤二二、将步骤二一中所提取的n-m个时间和激光扫描坐标一一对应，得到n-m个带有坐标的时间项t′_a(X′_a,Y′_a)，其中a∈[1,n-m]，计算时间项t′_a(X′_a,Y′_a)在y方向上的梯度总和V_m，并记录下来；

步骤二三、m值加1，判断m值是否大于等于执行阈值，若是，执行步骤二四，否则执行步骤二一；

步骤二四、设MEMS微镜与激光之间时间误差T₁，选择所有梯度总和V_m中最小时所对应的m值，记为m'，该m'值即为T₁时间内激光发出的脉冲个数；

T₁通过m'与相邻两个脉冲峰值之间的峰值时间T的乘积获取：T₁＝m′*T。

4.根据权利要求3所述的一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，步骤二二所述计算时间项在y方向上的梯度总和V_m的具体过程包括以下步骤：时间项在y方向上的梯度总和V_m如下：

其中，c值为使X′_b与X′_b+c之间差最小且大于1的正整数；t′_b(X′_b,Y′_b)和t′_b+c(X′_b+c,Y′_b+c)分别表示在采集的n个时间项和激光扫描坐标中，取后n-m个时间项和前n-m激光扫描坐标一一对应起来之后的第b和b+c个数据。

5.根据权利要求4所述的一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，执行阈值为1000。

6.根据权利要求3至5之一所述的一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，步骤四所述的扫描相应平面并采集N帧扫描数据的具体过程包括以下步骤。

步骤四一、运行已标定同步时间误差的MEMS扫描激光雷达，经过标定后的MEMS扫描激光雷达在每次扫描时仅返回后n-m'个时间项和前n-m'个激光扫描坐标，每个时间项与激光扫描坐标一一对应；

步骤四二、用激光雷达任意扫描N次平面，其中N大于等于1，并采集所有扫描的数据，获得N帧数据，每一帧的扫描数据均包含n-m'个时间t_l及对应的n-m'个激光扫描坐标(X_l,Y_l),其中l∈[1,n-m']。

7.根据权利要求6的一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，步骤五的具体过程包括以下步骤：

步骤五一、将采集的所有扫描数据转换到所构建的MEMS扫描激光雷达坐标系oxyz下，具体公式如下：

y_Hl＝-z_l*tan(X_l)

x_Hl＝-z_Hl*tan(Y_l)

其中，c为光速；l∈[1,n-m']，l表示一帧数据中n-m'个点中的第l个点；H∈[1,N]，H表示N帧激光雷达扫描数据中的第H帧；在将扫描数据转换到坐标系oxyz下后，将每一个点在坐标系oxyz下的坐标扩展为4维齐次坐标，即由(x_Hl,y_Hl,z_Hl)变为(x_Hl,y_Hl,z_Hl,1)；此时，每一帧的数据中包含n-m'个4维齐次坐标(每一帧数据包含n-m'个点的数据)，将这些坐标组成一个n-m'行、4列的矩阵，记为测量数据矩阵A_H；

步骤五二、计算单位时间延迟矩阵B，B为n-m'行、4列的矩阵，每一行数据表示单位时间的延迟对一帧激光雷达扫描数据中每个点所造成的测距误差在坐标系oxyz下的齐次坐标；单位时间的延迟对每个点所造成的测距误差表示为：

y_l＝-z_l*tan(X_l)

x_l＝-z_l*tan(Y_l)

其中，l∈[1,n-m']；将单位时间的延迟对单个点所造成的测距误差表示为4维齐次坐标，即由(x_l,y_l,z_l)变为(x_l,y_l,z_l,1)，将所有的n-m'个4维齐次坐标组成n-m'行、4列的矩阵，即为单位时间延迟矩阵B；

步骤五三、计算激光雷达中的系统延迟时间误差的候选时间误差，对每一帧数据均需计算候选时间误差，第H帧数据对应的候选时间误差通过计算如下矩阵k_H的特征值获取：

k_H＝(B^TB)^-1B^TA_H

其中，上标T表示矩阵的转置，上标-1表示矩阵的逆；

通过求取矩阵k_H的特征值，获得4个特征值，取其中不等于的1的M_H个特征值作为第H帧数据对应的候选时间误差，记为λ_Hr，其中r∈[1,M_H]；

步骤五四、针对每一帧数据，对步骤五三中获取的作为候选时间误差的M_H个特征值进行筛选，获得每一帧数据对应的发出激光脉冲与接收激光脉冲经过不同传感器带来的时间误差，对于N帧数据，获得N个时间误差；

步骤五五、对步骤五四所获得的N个时间误差求平均值，即为待标定激光雷达系统延迟时间误差。

8.根据权利要求7的一种MEMS扫描激光雷达系统的时间误差自标定方法，其特征在于，步骤五四的具体过程包括以下步骤：

(1)分别计算每个候选时间误差对每个测量点造成的测距误差，计算公式如下：

其中，r∈[1,M_H]，λ_r表示其中第r个特征值，

表示以第r个特征值作为时间误差时，在oxyz坐标系下，对激光雷达测距带来的测距误差；

(2)在得到每一个候选时间误差造成的激光雷达测距误差后，真实扫描平面上点的坐标表示为

将所有真实扫描平面上点的坐标表示为矩阵E_Hr，其中E_Hr为n-m'行、3列的矩阵，其第l行数据为

H∈[1,N]，以H为下标表示N帧数据中的第H帧数据，r∈[1,M_H]，以r为下标表示某一帧数据所求的M_H个候选时间误差中的第r个，以l为下标表示某一帧数据中第l个点；

(3)利用矩阵E_Hr拟合平面P_Hr，拟合公式如下：

其中，I表示n-m'行、1列的值均为1的矩阵；d_Hr1，d_Hr2，d_Hr3分别为坐标系oxyz下的平面方程d_Hr1*x+d_Hr2*y+d_Hr3*z＝1的系数，即为所拟合平面P_Hr的系数；

(4)对于每一帧数据，计算激光雷达所发出的脉冲与每一个特征值所求得的拟合平面之间的交点的理想坐标值(x_Hfr,y_Hfr,z_Hfr)，f∈[1,n-m']，每一个特征值对应的所有点的理想坐标值表示为矩阵F_Hr，F_Hr为n-m'行、3列的矩阵，其第f行数据为(x_Hfr,y_Hfr,z_Hfr)；

(5)对于每一帧数据，选择所求得M_H个特征值中所获得的F_Hr与E_Hr的差的二范数最小时对应的特征值，作为该帧数据的标定结果，即为该帧数据的延迟时间误差；对于N帧数据，获得N个时间误差。

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