CN112558043A - 一种激光雷达的标定方法及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达的标定方法及电子设备，包括如下步骤：得到第一标定点云和第二标定点云；分别完成对翻滚角、俯仰角、偏航角的标定；由三个旋转角度计算得到旋转矩阵R，将第二标定点云中的每一个点根据旋转矩阵作旋转变换；多次测量，最后计算平移参数的平均值；根据三个平均旋转角度和三个平均平移参数计算得到转换矩阵。本发明针对览沃激光雷达的点云特点，不依赖其他传感器的测量值，简单、有效、精准地标定多个览沃激光雷达之间的相对位姿，从而达到多坐标系的统一，实现激光点云高精度的融合，有较高的精度且可操作性强。

Description

一种激光雷达的标定方法及电子设备
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及无人驾驶传感器技术。
背景技术
在无人驾驶领域，有时会用到两个或者多个激光雷达。在使用前，需要对它们的相对位姿进行标定，从而统一坐标系，实现激光点云融合。览沃激光雷达(Livox Lidar)具有特殊的非重复扫描模式，随着积分时间的增大，激光点云视场覆盖率增大，才能探测到视场中更多的细节，这一特点与常见的机械旋转式多线激光雷达截然不同。
传统技术中，多个激光雷达间的标定主要通过先对单个激光雷达与其他传感器如IMU(惯性测量传感器)分别做标定，再对这些标定结果做计算，从而间接获得多个激光雷达之间的相对位姿来完成标定。这种方法由于激光雷达间的位姿关系是间接获取的，其标定结果误差大，操作复杂，效率低。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和览沃激光雷达的特点，本发明所要解决的技术问题就是提供一种激光雷达的标定方法，简单、有效、精准地标定多个览沃激光雷达之间的相对位姿。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种激光雷达的标定方法，包括如下步骤：
S1:第一激光雷达和第二激光雷达分别对标定体进行扫描，分别获得第一激光点云和第二激光点云，并将第一激光点云和第二激光点云均按固定的帧数叠加，分别得到第一稠密点云和第二稠密点云；对第一稠密点云和第二稠密点云均作过滤处理，仅保留包含所有标定体的点云，得到第一标定点云和第二标定点云；
S2:以第一激光雷达和第二激光雷达的Z轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面XOY上，得到二维的第一点平面和第二点平面，然后找到标定体的一条标定边，在第一点平面和第二点平面分别标记出该标定边，并在两个坐标平面上分别拟合出直线；若两条直线不平行，将第二标定点云绕Z轴旋转，重新投影得到更新后的第二点平面，重新拟合得到新的直线方程，直到对应的两条直线平行，记录旋转角度，完成对翻滚角的标定；以第一激光雷达和第二激光雷达的Y轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面XOZ上，得到二维的第一点平面和第二点平面，然后找到标定体的一条标定边，在第一点平面和第二点平面分别标记出该标定边，并在两个坐标平面上分别拟合出直线；若两条直线不平行，将第二标定点云绕Y轴旋转，重新投影得到更新后的第二点平面，重新拟合得到新的直线方程，直到对应的两条直线平行，记录旋转角度，完成对俯仰角的标定；以第一激光雷达和第二激光雷达的X轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面YOZ上，得到二维的第一点平面和第二点平面，然后找到标定体的一条标定边，在第一点平面和第二点平面分别标记出该标定边，并在两个坐标平面上分别拟合出直线；若两条直线不平行，将第二标定点云绕X轴旋转，重新投影得到更新后的第二点平面，重新拟合得到新的直线方程，直到对应的两条直线平行，记录旋转角度，完成对偏航角的标定；
S3:由三个旋转角度计算得到旋转矩阵R，将第二标定点云中的每一个点根据旋转矩阵作旋转变换；
S4：以激光雷达的X轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，分别投影到各自的坐标平面YOZ上，拟合出直线函数，当存在不止一对满足条件的直线时，取在y轴上截距最小的对应两直线，计算在y方向上的平移参数；以激光雷达的Y轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，并分别投影到各自的坐标平面XOZ上，拟合出直线函数，当存在不止一对满足条件的直线时，取在z轴上截距最大的对应两直线，计算在z方向上的平移参数；以激光雷达的Z轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，分别投影到各自的坐标平面XOY上，拟合出直线函数，当存在不止一对满足条件的直线时，取在x轴上截距最小的对应两条直线，计算在x方向上的平移参数；
S5：重复上述步骤S1-S4，多次测量，最后计算平移参数的平均值；
S6：根据三个平均旋转角度和三个平均平移参数计算得到转换矩阵。
优选的，所述标定体具有至少三条相互垂直的标定边，并且标定边在三个方向上可见。
优选的，在第一激光雷达和第二激光雷达的重叠扫描区域内，放置两个标定体，两个标定体到第一激光雷达的距离不同，且两个标定体之间相距至少5米。
优选的，获取第一激光点云和第二激光点云的帧率设置为10hz，叠加后的第一稠密点云和第二稠密点云的帧数为30帧。
优选的，判断直线平行的具体方法为：计算两个点平面中对应的两条直线斜率的差值(|B2/A2-B1/A1|)，当斜率差值小于阈值时，判定这两条直线平行。
优选的，当标定体有多条满足条件的标定边时，分别在第一点平面和第二点平面对每一条标定边拟合直线并求出斜率，计算对应的两条直线的斜率差值，然后计算差值的平均值，若平均值小于阈值则判定对应的直线两两平行。
优选的，当需要标定的激光雷达的数量为至少三个时，采用如下方法进行标定：
(1)根据至少三个激光雷达的扫描区域，设定至少三个激光雷达的标定顺序；标定顺序中相邻的两个激光雷达具有重合扫描区域；
(2)基于标定顺序，依次将相邻的两个激光雷达确定为第一激光雷达和第二激光雷达；
(3)将相邻的两个激光雷达以此标定之后得到转换矩阵后，在至少三个激光雷达中选取一个激光雷达的坐标系为基准，通过矩阵乘法获取每个激光雷达坐标到基准坐标系的变换。
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种激光雷达的标定方法的步骤。
本发明针对览沃激光雷达的点云特点，不依赖其他传感器的测量值，简单、有效、精准地标定多个览沃激光雷达之间的相对位姿，从而达到多坐标系的统一，实现激光点云高精度的融合，有较高的精度且可操作性强。
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中进行详细的说明。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为本发明一实施例提供的激光雷达标定的标定场景示意图；
图2为本发明一实施例提供的激光雷达标定方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种激光雷达的标定方法，包括如下步骤：
S1:使用一种标定体，其具有至少三条相互垂直的直边，以下称之为标定边，并且该边在三个方向(正视、俯视和右视)上可见；
S2:在空旷的环境下，将标定体保持静止状态，放置在待标定的激光雷达的测量区域内，并保证标定体上的标定边所对应的激光点云相互之间不交叠；
S3:保持激光雷达处于静止状态，第一激光雷达和第二激光雷达分别对标定体进行扫描，以特定的帧率获得第一点云数据和第二点云数据，并在可视软件上显示；
S4:将第一激光点云和第二激光点云分别按固定的帧数叠加，得到第一稠密点云和第二稠密点云；
S5:在一个实施例中，上述获取激光点云的特定帧率设置为10hz，上述叠加点云的帧数为30帧；
S6：对第一稠密点云和第二稠密点云作过滤处理，仅保留包含所有标定体的点云，得到第一标定点云和第二标定点云；
S7:以激光雷达的Z轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面XOY上，得到二维的第一点平面和第二点平面；
S8:找到标定体的一条标定边；
S9：在第一点平面和第二点平面分别标记出该边，并在两个坐标平面X1O1Y1和X2O2Y2上分别拟合出直线，其方程A1x+B1y+C1＝0,A2x+B2y+C2＝0；
S10:若两条直线不平行，将第二标定点云绕Z轴旋转，重新投影得到更新后的第二点平面，重新拟合得到新的直线方程，直到对应的两条直线平行，记录旋转角度，完成对翻滚角的标定。此步骤中判断直线平行的具体方法为：计算两个点平面中对应的两条直线斜率的差值(|B2/A2-B1/A1|)，当斜率差值小于阈值时，判定这两条直线平行；
S11：在上述算法中，当标定体有多条满足条件的标定边时，分别在第一点平面和第二点平面对每一条标定边拟合直线并求出斜率，计算对应的两条直线的斜率差值，然后计算差值的平均值，若平均值小于阈值则判定对应的直线两两平行；
S12：以激光雷达的Y轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面XOZ上，得到二维的第一点平面和第二点平面，与上述步骤S6-S11类似，完成对俯仰角的标定；
S13:同样，以激光雷达的X轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面YOZ上，得到二维的第一点平面和第二点平面，与上述步骤S6-S11类似，完成对偏航角的标定；
S14：在上述算法中，选择投影方向的顺序不是唯一的，对翻滚角、俯仰角、偏航角的标定顺序可以是任意的；
S15：由三个旋转角度计算得到旋转矩阵R，将第二标定点云中的每一个点根据旋转矩阵作旋转变换，具体为：第二标定点云的每一个点在旋转之前的坐标(xi,yi,zi)和旋转之后的坐标(xi',yi',zi')对应关系为(xi',yi',zi')＝R*(xi,yi,zi)；
S16：以激光雷达的X轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，分别投影到各自的坐标平面YOZ上，拟合出直线函数a1y+b1z+c1＝0,a2y+b2z+c2＝0，当存在不止一对满足条件的直线时，取在y轴上截距最小的对应两直线，计算在y方向上的平移参数dy＝(c1/a1-c2/a2)；
S17：以激光雷达的Y轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，并分别投影到各自的坐标平面XOZ上，拟合出直线函数d1x+e1z+f1＝0,d2x+e2z+f2＝0，当存在不止一对满足条件的直线时，取在z轴上截距最大的对应两直线，计算在z方向上的平移参数dz＝(f1/e1-f2/e2)；
S18：以激光雷达的Z轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，分别投影到各自的坐标平面XOY上，拟合出直线函数g1x+h1y+k1＝0,g2x+h2y+k2＝0，当存在不止一对满足条件的直线时，取在x轴上截距最小的对应两条直线，计算在x方向上的平移参数dx＝(k1/g1-k2/g2)；
S19：上述方法中步骤S16、S17、S18的先后顺序不影响方法的实现，可以以任意顺序排列；
S20：重复上述步骤S3-S17，多次测量，最后计算平移参数的平均值；
S21：根据三个平均旋转角度和三个平均平移参数计算得到转换矩阵。
在一个实施例中，上述方法适合两个以上激光雷达的标定，上述方法还包括：
(1)根据至少三个激光雷达的扫描区域，设定至少三个激光雷达的标定顺序；标定顺序中相邻的两个激光雷达具有重合扫描区域；
(2)基于标定顺序，依次将相邻的两个激光雷达确定为第一激光雷达和第二激光雷达；
(3)将相邻的两个激光雷达以此标定之后得到转换矩阵后，在至少三个激光雷达中选取一个激光雷达的坐标系为基准，通过矩阵乘法获取每个激光雷达坐标到基准坐标系的变换。
如图1所示，激光标定方法使用的器件包括：激光雷达系统1、标定体组合2以及激光雷达标定设备3。标定环境保持空旷，最大可能排除其它物体在标定范围内对标定体的干扰。本实施方式中采用两个览沃激光雷达，型号分别为浩界Horizon和泰览Tele-15，并且两个激光雷达的扫描区域有重叠，将泰览Tele-15作为第一激光雷达，将浩界Horizon激光雷达作为第二激光雷达。在两个激光雷达的重叠扫描区域内，放置两个立方体作为标定体，两个标定体到第一激光雷达的距离不同，且标定体之间相距至少5米；为保证两个标定体在扫描区域内互不遮挡，采用支架将距离激光雷达较远的标定体架高；为保证距离激光雷达较远的标定体能更好的被雷达扫描到，其体积比距离激光雷达较近的标定体要大。
如图2所示，提供了一种激光雷达的标定方法，上述方法包括：
S201：将激光雷达放置在固定位置并保持静止，两个激光雷达分别对标定体进行扫描，同时获取第一激光雷达和第二激光雷达的点云，将第一激光点云和第二激光点云均按固定的帧数叠加，得到第一稠密点云和第二稠密点云。
按照Livox厂家给出的激光雷达设备用户手册，默认频率10Hz下，当扫描时间达到1秒时，点云对环境空间的覆盖率为99％，当扫描时间达到3秒时，点云对环境空间的覆盖率为100％。因此，选取固定的帧数在10-30间即可，在本实施例中，分别将两个激光雷达在3秒内获取的30帧点云叠加成一片点云，得到第一稠密激光点云和第二稠密激光点云。
S202：过滤标定区域内的点云，仅保留包含所有标定体的点云，获得第一标定点云和第二标定点云。
S203：第一激光点云的坐标系方向为x向前、y向左、z向上，将第一标定点云和第二标定点云投影到第一激光点云的YOZ平面，等同于获得两片点云的正视图；
S204：如方法中步骤S3-S11所述，对标定边附近的激光点，使用最小二乘法拟合直线方程，然后调整点云绕x轴的旋转角度，使对应的两个直线方程的斜率相等，得到绕x轴的翻滚角的角度α；
S205：与标定翻滚角的步骤类似，如方法步骤S12所述，得到绕y轴的俯仰角的角度β；
S206：与标定翻滚角和俯仰的步骤类似，如方法步骤S13所述，得到绕z轴的偏航角的角度γ；
S207：根据标定的三个角度值αβγ计算得到旋转矩阵R，
Figure BDA0002782066780000091
S208：根据旋转矩阵R对第二标定点云作旋转变换，
Figure BDA0002782066780000092
表示第二标定点云中的所有的点的坐标，
Figure BDA0002782066780000093
表示旋转变换后的第二标定点云中的所有的点的坐标；
S209：如方法步骤S16到S19所述，分别标定出平移参数dx、dy、dz；
S210：重复上述S201-S209步骤进行多次标定；
S211：到预设次数n时，根据上述n次标定得到的标定结果α、β、γ、x、dy、dz计算平均值Avgα、Avgβ、Avgγ、Avgdx、Avgdy、Avgdz；
S212：根据计算得到的平均值计算得到变换矩阵T，
Figure BDA0002782066780000101
实施例二
本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种激光雷达的标定方法的步骤。
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，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种激光雷达的标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1:第一激光雷达和第二激光雷达分别对标定体进行扫描，分别获得第一激光点云和第二激光点云，并将第一激光点云和第二激光点云均按固定的帧数叠加，分别得到第一稠密点云和第二稠密点云；对第一稠密点云和第二稠密点云均作过滤处理，仅保留包含所有标定体的点云，得到第一标定点云和第二标定点云；
S2:以第一激光雷达和第二激光雷达的Z轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面XOY上，得到二维的第一点平面和第二点平面，然后找到标定体的一条标定边，在第一点平面和第二点平面分别标记出该标定边，并在两个坐标平面上分别拟合出直线；若两条直线不平行，将第二标定点云绕Z轴旋转，重新投影得到更新后的第二点平面，重新拟合得到新的直线方程，直到对应的两条直线平行，记录旋转角度，完成对翻滚角的标定；以第一激光雷达和第二激光雷达的Y轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面XOZ上，得到二维的第一点平面和第二点平面，然后找到标定体的一条标定边，在第一点平面和第二点平面分别标记出该标定边，并在两个坐标平面上分别拟合出直线；若两条直线不平行，将第二标定点云绕Y轴旋转，重新投影得到更新后的第二点平面，重新拟合得到新的直线方程，直到对应的两条直线平行，记录旋转角度，完成对俯仰角的标定；以第一激光雷达和第二激光雷达的X轴为投影方向，将第一标定点云和第二标定点云分别投影到各自的坐标平面YOZ上，得到二维的第一点平面和第二点平面，然后找到标定体的一条标定边，在第一点平面和第二点平面分别标记出该标定边，并在两个坐标平面上分别拟合出直线；若两条直线不平行，将第二标定点云绕X轴旋转，重新投影得到更新后的第二点平面，重新拟合得到新的直线方程，直到对应的两条直线平行，记录旋转角度，完成对偏航角的标定；
S3:由三个旋转角度计算得到旋转矩阵R，将第二标定点云中的每一个点根据旋转矩阵作旋转变换；
S4：以激光雷达的X轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，分别投影到各自的坐标平面YOZ上，拟合出直线函数，当存在不止一对满足条件的直线时，取在y轴上截距最小的对应两直线，计算在y方向上的平移参数；以激光雷达的Y轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，并分别投影到各自的坐标平面XOZ上，拟合出直线函数，当存在不止一对满足条件的直线时，取在z轴上截距最大的对应两直线，计算在z方向上的平移参数；以激光雷达的Z轴为投影方向，在第一点云和旋转后的第二点云中找到标定体上其它的标定边，分别投影到各自的坐标平面XOY上，拟合出直线函数，当存在不止一对满足条件的直线时，取在x轴上截距最小的对应两条直线，计算在x方向上的平移参数；
S5：重复上述步骤S1-S4，多次测量，最后计算平移参数的平均值；
S6：根据三个平均旋转角度和三个平均平移参数计算得到转换矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种激光雷达的标定方法，其特征在于：所述标定体具有至少三条相互垂直的标定边，并且标定边在三个方向上可见。
3.根据权利要求2所述的一种激光雷达的标定方法，其特征在于：在第一激光雷达和第二激光雷达的重叠扫描区域内，放置两个标定体，两个标定体到第一激光雷达的距离不同，且两个标定体之间相距至少5米。
4.根据权利要求1所述的一种激光雷达的标定方法，其特征在于：获取第一激光点云和第二激光点云的帧率设置为10hz，叠加后的第一稠密点云和第二稠密点云的帧数为30帧。
5.根据权利要求1所述的一种激光雷达的标定方法，其特征在于：判断直线平行的具体方法为：计算两个点平面中对应的两条直线斜率的差值|B2/A2-B1/A1|，当斜率差值小于阈值时，判定这两条直线平行。
6.根据权利要求5所述的一种激光雷达的标定方法，其特征在于：当标定体有多条满足条件的标定边时，分别在第一点平面和第二点平面对每一条标定边拟合直线并求出斜率，计算对应的两条直线的斜率差值，然后计算差值的平均值，若平均值小于阈值则判定对应的直线两两平行。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种激光雷达的标定方法，其特征在于：当需要标定的激光雷达的数量为至少三个时，采用如下方法进行标定：
(1)根据至少三个激光雷达的扫描区域，设定至少三个激光雷达的标定顺序；标定顺序中相邻的两个激光雷达具有重合扫描区域；
(2)基于标定顺序，依次将相邻的两个激光雷达确定为第一激光雷达和第二激光雷达；
(3)将相邻的两个激光雷达以此标定之后得到转换矩阵后，在至少三个激光雷达中选取一个激光雷达的坐标系为基准，通过矩阵乘法获取每个激光雷达坐标到基准坐标系的变换。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如1-7中任一所述的一种激光雷达的标定方法的步骤。
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