CN112904317A - 一种多激光雷达与gnss_ins系统标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，包括以下步骤：1、车辆水平以固定转角匀速行驶，计算y轴方向的初值y0；2、车辆匀速从坡道驶入水平地面，计算z轴方向的初值z0；结合步骤1得到初始位姿参数；3、车辆匀速坡道八字绕行，获取GNSS_INS在不同时刻的位姿关系，根据初始位姿参数计算主激光雷达在相应时刻的精确位姿关系；4、应用李群李代数、最小二乘法和点云匹配算法，计算得到精确位姿变换参数T和各个激光雷达相对GNSS_INS的位姿关系；5、待标定车辆根据已标定的车辆位姿变换参数T，直接计算得到精确位姿变换参数；本发明降低了标定成本，提升了标定效率和精度，并且适用于批量标定。

Description

一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法
技术领域
一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，用于自动驾驶车辆所需高精地图、感知、定位和规划都需要多激光雷达与GNSS相对位姿标定，提高自动驾驶系统的性能，本发明涉及激光雷达传感器标定技术领域。
背景技术
激光雷达，即通过是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统；其工作原理是向目标发射探测信号，即激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号，即目标回波，与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，例如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，激光雷达本身具有非常精确的测距能力，可以获得极高的角度、距离和速度分辨率，然而，在激光雷达的导航系统当中，可以通过激光雷达获得周围的环境，但是因为激光雷达扫描出的点云分布非常稀疏，对周围环境的测量反馈非常有限，因此，采用多个激光雷达获取各激光雷达之间的位置关系与坐标变换就变得尤为重要。
GNSS_INS系统(紧组合导航系统)取全球卫星导航系统(GNSS)与惯性导航系统(INS)之长，在智能车研发、车道级导航及移动地图匹配等方面具有广阔的应用前景，是当前导航技术领域最受关注的研究热点和发展方向之一。
目前获取标定外参一般采用两处方法，一种是根据激光雷达与GNSS之间的外参初值、相邻帧激光雷达坐标系矩阵变换、大地坐标系，得到每帧预估位姿矩阵，与参考矩阵进行匹配，然后通过迭代的方式获取精确的外参；另一种是通过外设激光扫描仪和导航定位设备，利用其之间精确的相对位姿关系，将车载激光雷达点云数据转换到激光扫描仪坐标系，并与激光扫描仪获取的点云进行匹配，从而得到车载激光雷达与车载导航定位设备的位姿关系，即获取到外参；但是，第一种是需要参考物来检验外参的正确性，其验证可靠性不能确定；若传感器位置发生变化，传感器外参初始值需要重新测量再进行标定，实际操作过程复杂繁琐，成本高；第二种是需要借助外置激光扫描仪和定位设备进行标定，严重依赖于外置设备的精度，而且设备需要定期维护。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，解决标定过程中难以获取较为准确的初始外参问题，提升标定精度和效率，降低标定成本，同时适用于批量标定。
本发明采用的技术方案如下：一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，包括以下步骤：
步骤1、在水平地面上，车辆保持预设的转向盘转角匀速行驶，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，计算主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系在y轴方向的初值y0；
步骤2、在坡道上，车辆保持预设车速从坡道上驶入水平地面，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，计算主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系z轴方向的初值z0，结合步骤1得到主激光雷达相对于GNSS_INS初始位姿参数；
步骤3、在坡道上，车辆保持预设车速进行八字绕行，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，获取GNSS_INS在不同时刻的位姿关系，再根据步骤2的初始位姿参数计算主激光雷达在相应时刻的精确位姿关系；
步骤4、应用李群李代数和最小二乘法计算得到主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系的精确位姿变换参数T；降低计算复杂度，提高计算精度。
步骤2所述坡道的坡度为20度以上，步骤3所述坡道的坡度为10度左右；步骤2所述坡道的坡度为20度，其目的在于使GNSS_INS在UTM坐标系下的z轴坐标值呈明显的非线性变化，从而获取车辆在水平地面时GNSS_INS距离地面比较精确的高度值；步骤3所述坡度为10度，其目的在于使GNSS_INS在UTM坐标系下的x值、y值、z值同时发生变化，从而有利于求解更为精确的激光雷达相对于GNSS_INS外参值；
实施所述步骤1前，需确认组合导航数据精确性，将车辆静止停放5分钟后，车辆进行直线行驶和绕八字行驶，采集组合导航数据，确认组合导航纬度、经度、高度精度保持为：std_x≤0.015，std_y≤0.015，std_z≤0.03；其目的在于使GNSS_INS处于稳定的状态，保证定位精度，从而能够计算GNSS_INS在不同时刻之间的精确位姿变换。
步骤3所述记录数据是记录组合导航数据和激光点云数据，组计算合导航之间坐标转换，直接根据UTM航向角和坐标值进行计算，其目的在于GNSS_INS在不同时刻之间的精确位姿变换。
步骤3所述车辆在坡道上进行八字绕行，启动自动驾驶系统循迹功能；自动驾驶循迹功能是为了实现车辆在要求的轨迹范围内匀速行驶，避免车速突变使GNSS_INS定位数据出现较大的噪音，同时车辆轨迹保持在一定范围内是为了更好的进行激光雷达点云匹配。
步骤3所述斜坡上放置参考物，参考物目的在于提供丰富的点云特征。
步骤5、使用点云匹配算法，求取其它激光雷达与主激光雷达之间位姿关系，基于步骤4得到的位姿变换参数T，计算得到各个激光雷达相对GNSS_INS的位姿关系；
步骤6、待标定车辆根据已标定的车辆位姿变换参数T，直接计算得到激光雷达与GNSS_INS的精确位姿变换参数，适用于自动驾驶车辆批量标定。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明解决标定获取初始外参值不精确问题、降低标定成本，提升标定精度，同时有利于批量标定；本发明通过多激光雷达与GNSS相对位置标定，提高标定精度，提高自动驾驶系统的性能。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明流程示意图；
图2是本发明自动驾驶车辆激光雷达与GNSS_INS安装位置俯视图；
图3是本发明自动驾驶车辆以圆圈进行匀速行驶示意图；
图4是本发明车辆的位置pitch角度示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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1
如图1所示，本发明标定方法分为六个步骤：
步骤1、首先需要确认组合导航数据精确性，将车辆静止停放5分钟后，车辆进行直线行驶和绕八字行驶，采集组合导航数据，确认组合导航纬度、经度、高度精度保持如下：
std_x≤0.015,std_y≤0.015,std_z≤0.03
由于多个激光雷达和组合导航一般是基于车辆对称安装，激光雷达在GNSS_INS坐标系下初始x坐标值直接可以由多个激光雷达点云匹配得到，如使用ICP方法，若其中一个激光安装在车辆中心，则直接将x值置为0，且激光雷达坐标系相对于GNSS_INS坐标系绕Z轴旋转90度；若激光雷达安装在车身两边，则可以采集激光雷达数据，通过对车体进行裁剪得到激光雷达坐标系相对于GNSS_INS坐标系绕Z轴旋转角度；
在确保组合导航数据达到精度要求后，车辆在水平地面上以预设的转向盘转角匀速行驶，示例如下：
自动驾驶车辆激光雷达与GNSS_INS安装位置俯视如图2所示，激光雷达在GNSS_INS坐标系下初始x坐标值为0；
自动驾驶车辆以预设的转向盘转角匀速行驶，如图3所示；选取圆圈上车辆行驶方向180度的两个时刻t1和t2，分别记录t1时刻激光雷达点云数据与组合导航定位数据、t2时刻激光雷达点云数据与组合导航定位数据；
t1和t2时刻激光雷达之间距离可以通过ICP匹配的方式得到L，t1和t2时刻组合导航的距离d和向量
Figure BDA0002908845640000051
与向量
Figure BDA0002908845640000052
之间的夹角，由如下公式计算得到：
Figure BDA0002908845640000053
Figure BDA0002908845640000054
则主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系在y轴方向的初值y0，通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002908845640000055
式(1)、(2)、(3)中，x1、y1分别为t1时刻GNSS_INS在UTM坐标系下x和y坐标值，x2、y2分别为t2时刻GNSS_INS在UTM坐标系下x和y坐标值，L为t1时刻激光雷达与t2激光雷达之间的距离,d为t1和t2时刻GNSS的距离，θ为向量
Figure BDA0002908845640000056
与向量
Figure BDA0002908845640000057
之间的夹角；
步骤2、在坡道上，车辆保持预设车速从坡道驶入水平地面，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，经过数据处理得到车辆在水平地面时GNSS_INS距离地面的高度值h。
Figure BDA0002908845640000058
其中，式(4)中，Δz为GNSS_INS在UTM坐标下t1时刻与t2时刻高度差值，θ1、θ2分别为GNSS_INS在UTM坐标下t1时刻与t2时刻的pitch角度，r为车辆轮胎半径。
当车辆处于水平地面时，采集激光雷达点云数据进行处理，得到激光雷达距离水平地面的高度H，结合上式则可以计算主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系z轴方向的初值z0。
z0＝H-h (5)
由步骤1与步骤2就可以得到激光雷达相对于GNSS_INS的初始位姿变换矩阵T0；
步骤3、在坡道上，车辆保持预设车速进行八字绕行，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，获取GNSS_INS在不同时刻的位姿关系。
主激光雷达在不同时刻之间的位姿变换可以直接采用点云匹配得到，如ICP、NDT等方法，但点云匹配得到不同时刻的激光雷达位姿转换难以保证精确；通过使用主激光雷达相对于GNSS_INS初始位姿参数，结合点云匹配算法可以提高点云匹配精度和效率。
首先使用初始位姿参数将t1时刻的激光点云数据转换到t2时刻激光雷达坐标系中。
Figure BDA0002908845640000061
式(6)中Tl_g表示主激光雷达相对于GNSS_INS初始位姿参数，
Figure BDA0002908845640000062
表示GNSS_INS在t1时刻位姿到t2时刻位姿的变换矩阵，
Figure BDA0002908845640000063
表示激光雷达在t1时刻的点云数据，
Figure BDA0002908845640000064
表示t1时刻激光雷达点云数据转换到t2时刻激光雷达坐标系下的点云数据。
然后将t2时刻的激光点云数据
Figure BDA0002908845640000065
与
Figure BDA0002908845640000066
点云数据通过点云匹配得到ΔT，经过计算t1时刻位姿到t2时刻精确的激光雷达位姿的变换矩阵。
Figure BDA0002908845640000067
式(7)中Tl2_l1为激光雷达t1时刻到t2时刻的位姿变换矩阵。
以上可以得到不同时刻的激光雷达之间精确位姿变换矩阵。
步骤4、应用李群李代数和最小二乘法计算得到主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系的精确位姿变换参数T；
根据空间几何关系，可以得到两个时刻激光雷达坐标系转换与GNSS_INS坐标系转换关系如下:
AiTl_g＝Tl_gBi (8)
式(8)中，约定每个时刻的激光点云数据和GNSS_INS数据为一帧数据，相邻两帧数据为一组观测值，Ai为第i组观测值中GNSS_INS位姿变换矩阵，Bi为同组观测值中激光雷达的位姿变换矩阵。
由步骤3可以得到k组观测值{(A1,B1),(A2,B2),…,(Ak,Bk)}。
将式(8)写成如下形式：
Figure BDA0002908845640000071
Figure BDA0002908845640000072
Figure BDA0002908845640000073
式(9)、(10)中，θx为GNSS_INS坐标系到激光雷达坐标的旋转矩阵，bx为GNSS_INS坐标系到激光雷达坐标的平移矩阵；
Figure BDA0002908845640000074
分别为第i组的GNSS_INS、激光雷达的旋转矩阵。
式(9)求解则可转换为求下式目标函数的最小值问题，求解最优的θx；为了简化求解复杂度，使用李群到李代数转换的转换得到下式。
[αi]＝[θxβi] (11)
式(11)中，[αi]为
Figure BDA0002908845640000075
的对数映射，[βi]为
Figure BDA0002908845640000076
的对数映射。
对于θx求解，可以转换求解最优问题，其代价函数如下：
Figure BDA0002908845640000077
可以使用最小二乘法求取最优
Figure BDA0002908845640000078
得到组合导航到激光雷达坐标系的旋转矩阵。
计算旋转矩阵完成后，根据公式(10)再求取平移矩阵。
通过以上步骤，求取激光雷达相对于GNSS_INS精确的位姿变换。
步骤5、使用点云匹配算法，求取其它激光雷达与主激光雷达之间位姿关系，基于步骤4得到的位姿变换参数T，计算得到各个激光雷达相对GNSS_INS的位姿关系；
步骤6、当得到一台自动车辆的激光雷达至组合导航外参后，则另外自动驾驶车辆激光雷达至组合导航外参T2可以由下式得到：
Figure BDA0002908845640000081
式(13)中，T1为已标定车辆的激光雷达相对于GNSS_INS的位姿变换矩阵，T2为待标定车辆的激光雷达相对于GNSS_INS的位姿变换矩阵，Tl1_l2为已标定好车辆的激光雷达到待标定车辆的激光雷达的位姿变换矩阵，Tg1_g2为已标定好车辆的GNSS_INS到待标定车辆的GNSS_INS的位姿变换矩阵。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在水平地面上，车辆保持预设的转向盘转角匀速行驶，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，计算主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系在y轴方向的初值y0；
步骤2、在坡道上，车辆保持预设车速从坡道驶入水平地面，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，计算主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系z轴方向的初值z0；结合步骤1得到主激光雷达相对于GNSS_INS初始位姿参数；
步骤3、在坡道上，车辆保持预设车速进行八字绕行，记录激光雷达点云数据和GNSS_INS位姿数据，获取GNSS_INS在不同时刻的位姿关系，再根据步骤2的初始位姿参数计算主激光雷达在相应时刻的精确位姿关系；
步骤4、应用李群李代数和最小二乘法计算得到主激光雷达相对于GNSS_INS坐标系的精确位姿变换参数T；
步骤5、使用点云匹配算法，求取其它激光雷达与主激光雷达之间位姿关系，基于步骤4得到的位姿变换参数，计算得到各个激光雷达相对GNSS_INS的位姿关系；
步骤6、待标定车辆根据已标定的车辆位姿变换参数T，直接计算得到激光雷达与GNSS_INS的精确位姿变换参数。
2.根据权利要求1所述的一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，其特征在于，步骤2所述坡道的坡度为大于等于20度，步骤3所述坡道的坡度为8-12度。
3.根据权利要求1所述的一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，其特征在于，实施所述步骤1前，需确认GNSS_INS定位精度，将车辆静止停放5分钟后，车辆进行直线行驶和绕八字行驶，采集GNSS_INS数据，确认其纬度、经度、高度精度分别为：std_x≤0.015，std_y≤0.015，std_z≤0.03。
4.根据权利要求1所述的一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，其特征在于，步骤3所述车辆在坡道上进行八字绕行，启动自动驾驶系统循迹功能。
5.根据权利要求1所述的一种多激光雷达与GNSS_INS系统标定方法，其特征在于，步骤3所述坡道上放置参考物。
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