CN114325663B - 一种阵列式激光雷达的自动标定方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种阵列式激光雷达的自动标定方法、装置及系统,所述阵列式激光雷达的自动标定方法包括:获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,待标定激光雷达在不同指向角和不同测量通道下的第一测距值和激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值;根据对应距离下的第一测距值和第二测距值获取待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值;根据补偿残差值形成标定修正查找表以在待标定激光雷达的实际测距过程中自动调取标定修正查找表。通过本公开的技术方案,提高了阵列式激光雷达的测距准确度,提升了标定过程与实时距离值补偿过程的效率,满足了阵列式激光雷达量产标定与高效率低功耗的实时测距值补偿需求。
Description
技术领域
本公开实施例涉及激光雷达技术领域,尤其涉及一种阵列式激光雷达的自动标定方法、装置及系统。
背景技术
激光雷达由于其高精度和高分辨率等测量优势已被广泛应用于各个行业。目前大部分激光雷达产线的标定系统的可靠性低且人工成本高,因此,如何对激光雷达进行正确、高效的标定校准成为产线亟待解决的问题。
对于阵列式激光雷达,由于系统中存在多种系统误差来源,如计时与计算带来的时延、实际光程与被测目标到系统原点距离的差异等,直接使用发射到接收端信号之间包含的时间差,即测距光程获取测距距离,其准确度,即与真值之间的差异不佳。同时,由于阵列器件不同探测单元之前存在一致性问题,而在一次测量中,由于每一个探测单元相对被测目标的指向角不同,因而其“真值”也各不相同,无法使用同一个“真值”进行标定。因此阵列式激光雷达需要在装调完成后,进行测距距离的标定,以消除系统误差,提升测距准确度。同时,需要考虑多路探测单元的分别标定并兼顾标定效率,以满足激光雷达产品的量产需求。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题,本公开提供了一种阵列式激光雷达的自动标定方法、装置及系统,提高了阵列式激光雷达的测距准确度,提升了标定过程与实时距离值补偿过程的效率,满足了阵列式激光雷达量产标定与高效率低功耗的实时测距值补偿需求。
第一方面,本公开实施例提供了一种阵列式激光雷达的自动标定方法,包括:
获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取所述多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值;
获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值;其中,所述激光测距仪与所述待标定激光雷达的原点一致;
根据对应距离下的所述第一测距值和所述第二测距值获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值;
根据所述补偿残差值形成标定修正查找表以在所述待标定激光雷达的实际测距过程中自动调取所述标定修正查找表;其中,所述标定修正查找表包括不同所述测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系。
可选地,获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,并获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值,包括:
根据所述标定目标的尺寸获取指向角范围;
根据所述待标定激光雷达的水平方向视场角、所述待标定激光雷达的扫描帧率、所述待标定激光雷达的激光发射频率和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值;
根据所述指向角范围和所述指向角水平步进值,获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,并获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值。
可选地,在获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值之前,还包括:
对所述多组测距值进行过滤预处理以滤除所述多组测距值中的误差测距值。
可选地,所述激光测距仪的激光出射角度垂直于所述标定目标所在平面,获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值,包括:
获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,所述激光测距仪在90°指向角下对应中间测量通道的所述第二测距值并记为参照测距值;
根据所述待标定激光雷达的竖直方向视场角和竖直方向测量通道数获取指向角竖直步进值,并根据所述指向角竖直步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在90°指向角下对应非中间测量通道的所述第二测距值;
根据所述待标定激光雷达的水平方向视场角和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值,并根据所述指向角水平步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在中间测量通道下对应非90°指向角的所述第二测距值;
根据所述指向角竖直步进值、所述指向角水平步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在非90°指向角下对应非中间测量通道的所述第二测距值。
可选地,根据对应距离下的所述第一测距值和所述第二测距值获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值,包括:
将对应距离下的所述第二测距值减去所述第一测距值的差值作为该距离下不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值;
将所述不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值相对于所述指向角的平均值作为该距离下不同测量通道下的补偿残差值。
可选地,根据所述补偿残差值形成标定修正查找表,包括:
形成对应测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系曲线;
对所述对应关系曲线进行拟合以获取该测量通道下所述距离与所述补偿残差值的关系函数。
可选地,根据所述补偿残差值形成标定修正查找表,还包括:
对所述关系函数进行离散化处理以获取所述标定修正查找表。
可选地,角度基准结构与所述待标定激光雷达原点的连线与水平轴的夹角为固定夹角值,所述自动标定方法还包括:
获取所述待标定激光雷达对应所述角度基准结构的测量角度范围;
将所述测量角度范围的中心值作为所述固定夹角值的实测值;
根据所述实测值对所述待标定激光雷达的角度测量基准值进行校正。
第二方面,本公开实施例还提供了一种阵列式激光雷达的自动标定装置,包括:
雷达测距获取模块,用于获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取所述多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值;
测距仪测距获取模块,用于获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值;其中,所述激光测距仪与所述待标定激光雷达的原点一致;
补偿残差获取模块,用于根据对应距离下的所述第一测距值和所述第二测距值获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值;
查找表获取模块,用于根据所述补偿残差值形成标定修正查找表以在所述待标定激光雷达的标定过程中自动调取所述标定修正查找表;其中,所述标定修正查找表包括不同所述测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系。
第三方面,本公开实施例还提供了一种阵列式激光雷达的自动标定系统,包括:
标定导轨、移动架构、所述待标定激光雷达、所述激光测距仪和所述标定目标,所述标定目标设置于所述标定导轨的一侧,所述待标定激光雷达和所述激光测距仪设置于所述标定导轨的另一侧,所述移动架构用于带动所述待标定激光雷达和所述激光测距仪沿所述标定导轨同步移动和/或用于带动所述标定目标沿所述标定导轨移动;
上位机,所述上位机与所述待标定激光雷达和所述激光测距仪通信连接,用于执行如第一方面所述的阵列式激光雷达的自动标定方法。
本公开实施例提供了一种阵列式激光雷达的自动标定方法,包括:获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值;获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值;其中,激光测距仪与待标定激光雷达的原点一致;根据对应距离下的第一测距值和第二测距值获取待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值;根据补偿残差值形成标定修正查找表以在待标定激光雷达的实际测距过程中自动调取标定修正查找表;其中,标定修正查找表包括不同测量通道下距离与补偿残差值的对应关系。由此,本公开实施例根据第一测距值和第二测距值,获取待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值,其中,距离、测量通道和补偿残差值这三个参数形成对应关系,根据上述三个参数的对应关系可以形成标定修正查找表。如此,待标定激光雷达在实际测距时可以通过调取标定修正查找表,根据在不同的距离和不同的测量通道与补偿残差值形成的对应关系,进行实时测距值补偿,在阵列激光雷达量产需求时,提高了阵列激光雷达的测距准确度,提升了标定过程与实时距离值补偿过程的效率,满足了阵列式激光雷达量产标定与高效率低功耗的实时测距值补偿需求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案,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,对于本领域普通技术人员而言,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它的附图。
图1为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达测距原理的示意图;
图2本公开实施例提供的一种激光雷达实际测距离与测量光程差异的示意图;
图3为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达的自动标定方法的流程示意图;
图4为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达的自动标定系统的结构示意图;
图5为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达的自动标定装置的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点,下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开,但本公开还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施;显然,说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例,而不是全部的实施例。
图1为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达测距原理的示意图。如图1所示,激光雷达11实现测距功能的原理,通常是采用发射端12主动发出测距激光,接收端13接收经过被测目标14反射后的回波,经过光电转换以及后级处理系统,即计时与计算模块15处理后,输出最终测距值的方案。如图1所示,对于阵列式激光雷达系统,则会使用阵列式即线阵或面阵式的收发器件,通过同步收发或轮询收发的方式,使用多个通道实现前述的测距功能,以提升系统的探测效率。图1以一种典型的线阵光源与线阵探测器组成的系统为例,发射端12与接收端13经过光学器件调节对准后,视场在被测目标14上重合,在y方向实现一定角度的竖向视场,配合整机的旋转或安装在收发模块前方的反射镜的旋转、往复振动,实现绕y轴方向的扫描,从而形成x-y平面上加入z方向深度信息的三维扫描视场。
对于阵列式激光雷达,由于系统中存在多种系统误差来源,如计时与计算模块15带来的时延、实际光程与被测目标14到系统原点距离的差异等,直接使用发射端12到接收端13信号之间包含的时间差,即测距光程获取测距距离,其准确度,即与真值之间的差异不佳。同时,由于阵列器件不同探测单元之前存在一致性问题,而在一次测量中,由于每一个探测单元相对被测目标14的指向角不同,因而其“真值”也各不相同,无法使用同一个“真值”进行标定。因此阵列式激光雷达需要在装调完成后,进行测距距离的标定,以消除系统误差,提升测距准确度,同时,需要考虑多路探测单元的分别标定并兼顾标定效率,以满足激光雷达产品的量产需求。
由上述的技术背景可知,激光雷达11直接获得的“测距距离”实际上仅是测距激光的光程,再加入计时系统引入的误差得到的一个初步测量值,与预期测距值仍存在一定的差异,因此,满足测距准确度要求的激光雷达产品在装配完成后,都需要进行测距距离标定,以消除因为光程与实际距离不一致以及计时系统这两部分引入的系统误差。
图2本公开实施例提供的一种激光雷达实际测距离与测量光程差异的示意图。如图2所示,激光雷达11的预期测距值指在以激光雷达原点21与基平面为基础构成的激光雷达坐标系下,激光雷达原点21到被测目标14的距离,而测量光的光程通常会由于发射端12和接收端13在雷达中的实际位置以及指向角的差异,与预期测距值存在差异,如图2所示。激光雷达11的预期测距值为预先设定的激光雷达原点21到被测目标14对应位置的直线距离,而测距光程则受系统结构限制与预期测距值不完全一致。
图3为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达的自动标定方法的流程示意图。如图3所示,阵列式激光雷达的自动标定方法包括:
S301、获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取所述多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值。
图4为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达的自动标定系统的结构示意图。如图4所示,自动标定系统包括:标定导轨601、移动架构602、待标定激光雷达603、激光测距仪604和标定目标605,标定目标605设置于标定导轨601的一侧,待标定激光雷达603和激光测距仪604设置于标定导轨601的另一侧,移动架构602用于带动待标定激光雷达603和激光测距仪604沿标定导轨601同步移动和/或用于带动标定目标605沿标定导轨601移动。
具体地,标定目标605设置于标定导轨601的一侧,待标定激光雷达603和激光测距仪604设置于标定导轨601的另一侧,标定导轨601的长度由待测激光雷达的量程(如100m、200m或300m)或其准确度指标要求的测距距离(如50mm@20m,其中50mm表示准确度,20m表示测距距离)决定,本公开实施例设定标定导轨601的长度为20m。标定导轨601的宽度则由移动架构602,例如标定小车和标定目标605在y方向的尺寸决定,其会影响到待标定激光雷达603相距标定目标605最远距离处,标定目标605所能覆盖的雷达绕x轴的扫描角度范围。
可以设置标定目标605固定,移动架构602用于带动待标定激光雷达603和激光测距仪604沿标定导轨601同步移动;也可以设置待标定激光雷达603和激光测距仪604固定,移动架构602用于带动标定目标605移动;还可以设置移动架构602用于带动待标定激光雷达603和激光测距仪604沿标定导轨601同步移动,同时用于带动标定目标沿605标定导轨601移动,本公开实施例对此不作限定,确保激光雷达603和激光测距仪604可相对于标定目标605移动即可。本公开实施例中考虑到标定目标605高度较高,频繁移动标定目标605会导致其晃动,因此选择标定目标605固定,移动重量更大、重心更低的移动架构602,即标定小车。
具体地,如图4所示,待标定激光雷达与标定目标在不同的距离下,获取待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,其中,多组测距值相对于帧数的平均值被记为第一测距值Ln。
示例性地,可以设置待标定激光雷达与标定目标的距离值为n,在距离值为n时,可以设置帧数为20,10个不同的指向角和100个不同的测量通道,如此设置便可以获取待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的20000个测距值。其中,不同指向角和不同测量通道下的多组测距值对帧数20取平均值,可以得到1000个测距值,记为第一测距值Ln,作为待标定激光雷达与标定目标的距离值为n的第一测距值Ln。
可选地,获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取所述多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值,包括:根据所述标定目标的尺寸获取指向角范围;根据所述待标定激光雷达的水平方向视场角、待标定激光雷达的扫描帧率和待标定激光雷达的激光发射频率、水平方向测量通道数和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值;根据所述指向角范围和所述指向角水平步进值,获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,并获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值。
具体地,根据标定目标的尺寸获取指向角范围,示例性地,如图4所示,本公开实施例使用20m长1m宽的标定目标板,因此选择89°~91°范围内的测量数据,1°的选择是为了确保光斑在标定目标上,20m×tan(1°)≈0.35m,两倍的0.35m小于标定目标的宽度。本公开实施例对标定目标板的宽度以及测量数据对应的角度范围不作具体限定,确保光斑能够形成在标定目标板上即可。
示例性地,可以设置移动架构602,即标定小车处于初始位置,即其与标定目标处于最大距离,待标定激光雷达进行一定帧数的测量,比如20帧数据的测量,即对测量视场角场景进行20次测量,20帧数据包含全部测量通道,本公开实施例以16线激光雷达为例,此处即16通道,若扩展至64线、128线等规格的雷达,则为64、128通道的20次测量数据。因为其y方向上的测距值与相邻的非标定目标部分存在较大差异,选取指向角90°测量方向,即z轴方向对应标定目标的部分数据,分通道进行记录,记为T90,j,m,其中j表示通道数,m表示帧数,如8通道第30帧的测距值,则记为T90,8,30。同理,记录90°测量方向两侧同样光斑在标定目标上的测量数据,记为Ti,j,m,其中i表示指向角,此处的数据选择受到标定目标与待标定激光雷达的最大距离以及标定目标的y方向宽度限制,角度过大则光斑无法落在标定目标上。
对应前述实施例所述的指向角范围89°~91°,该部分角度的指向角水平步进值由待测激光雷达的水平角分辨率决定,以水平方向120°视场角,均匀960线激光雷达为例,指向角水平步进值为根据待标定激光雷达的水平方向视场角、待标定激光雷达的扫描帧率、待标定激光雷达的激光发射频率和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值,指向角水平步进值等于待标定激光雷达的水平方向视场角除以待标定激光雷达的扫描帧率和待标定激光雷达的激光发射频率。
将该距离,例如移动架构602,即标定小车处于初始位置下所有的数据,作为一个数组进行记录,记为Ln0=[Ti,j,m],其中,n表示当前雷达与标定目标的预期距离,对于本发明的当前场景n=20m。对应前述实施例所述的指向角范围89°~91°,在移动架构602,即标定小车处于初始位置时,待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值即T89,j,m~T91,j,m,示例性地,可以设置j∈[1,16],m∈[1,20]。
例如,在一次待标定激光雷达测距过程中,根据指向角范围和指向角水平步进值,得到10个不同的指向角i1-i10,待标定激光雷达与标定目标的距离值为n,帧数为20,100个不同的测量通道j1-j100,如此对应距离值n便可以得到20000个测距值。当测量通道为j1,指向角为i1时,相对于20个帧数可以得到20个测距值,即进行20次测量,20个测距值对帧数20取平均值,记为第一测距值Ln;当测量通道为j1时,指向角为i2时,同样可以得到20个测距值,20个测距值对帧数20取平均值,记为第一测距值Ln。如此类推,当测量通道为j1,通过改变指向角i1-i10,可以获取10个第一测距值Ln。当测量通道为j2时,通过改变指向角i1-i10,也可以获取10个第一测距值Ln,以此类推当测量通道为j1-j100时,总共可以得到1000个第一测距值Ln。在待标定激光雷达处于该位置下,可以获取1000个第一测距值Ln,通过改变待标定激光雷达与标定目标的距离值n,还可以获取对应距离下的另外1000个第一测距值Ln,如此可以获取多个对应距离下的第一测距值Ln。
可选地,在获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值之前,还包括:对所述多组测距值进行过滤预处理以滤除所述多组测距值中的误差测距值。
具体地,在S301中,获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值Ln0=[Ti,j,m]。本公开实施例将帧数设置为20,如此将每个角度,每个通道下的20帧数据先进行预处理,滤除粗大误差,本公开实施例数据过滤的标准为超过20帧数据数学期望±三倍标准差的数据,即μ±3σ,其中μ表示20帧数据的数学期望,σ表示20帧数据的标准差。如此,已经滤除了粗大误差数据的多组测距值相对于帧数20取平均值,记为第一测距值Ln,可以提高第一测距值Ln的准确性。另外,将滤除处理后剩余数据的平均值记为Ti,j,这样对于指向角89°至91°范围内,任意角度与任意通道都会有一个测距值与之对应。
S302、获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值;其中,所述激光测距仪与所述待标定激光雷达的原点一致。
具体地,与S301设置的待标定激光雷达与标定目标的距离值保持一致,获取激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值。例如,同样可以设置待标定激光雷达与标定目标的距离值为n,例如20m,10个不同的指向角和100个不同的测量通道,如此激光测距仪便可以获取1000个测距值,记为第二测距值ln,作为当前位置下的测距值,即“真值”,由于所用的激光测距仪精度为±1mm,而目前激光雷达的测距准确度指标通常在30mm以上,因此,可以将激光测距仪的测量值作为“真值”进行标定。
改变待标定激光雷达与标定目标的距离值n,开始新一轮的标定测量,按照S301进行激光雷达的测量以得到激第一测距值Ln,按照S302进行激光测距仪的测量以得到第二测距值ln,也即“真值”,并进行记录与存储。重复上述测量和数据存储的流程,直到标定小车从初始位置移动到最终位置,可以根据待标定激光雷达的盲区来确定最终停止标定的位置。
需要说明的是,标定小车的移动即是待标定激光雷达的移动,激光测距仪也同步移动,如图4所示,本公开实施例设置激光测距仪与待标定激光雷达的原点O保持一致,即设置激光测距仪的尾部与待标定激光雷达的原点O沿图4所示竖直方向位于同一位置,以确保激光测距仪的测距值能够作为“真值”使用。
可选地,如图4所示,所述激光测距仪的激光出射角度垂直于所述标定目标所在平面,获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值,包括:
获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,所述激光测距仪在90°指向角下对应中间测量通道的所述第二测距值并记为参照测距值。
示例性地,对于16线雷达,在90°指向角下对应中间测量通道是指8通道,即获取激光测距仪在90°指向角下,在8通道下的第二测距值ln,记为参照测距值,为了区分在不同指向角下和不同测量通道下的第二测距值,激光测距仪在90°指向角下对应中间测量通道的第二测距值记为ln,90,8,其中n表示所述待标定激光雷达与所述标定目标之间的距离。参照测距值作为与“真值”对比校准的实测值,计算残差,记为σn,i,j,结合上述实施例所述的滤除处理后剩余数据的平均值记为Ti,j,即σn,90,8=ln,90,8-T90,8。
根据所述待标定激光雷达的竖直方向视场角和竖直方向测量通道数获取指向角竖直步进值,并根据所述指向角竖直步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在90°指向角下对应非中间测量通道的所述第二测距值。
具体地,在90°指向角下对于其它测量通道即非中间测量通道,则需要根据其实际指向角进行换算,其与待标定雷达的竖直视场相关。示例性地,以均匀16线11°竖直视场角为例,根据所述待标定激光雷达的竖直方向视场角和竖直方向测量通道数获取指向角竖直步进值,相邻通道之间的指向角竖直步进值,即指向角差为则任意其它通道对应的第二测距值,即“真值”需要修正为:该值记为ln,90,j,即激光测距仪在90°指向角下对应非中间测量通道的第二测距值,其中j表示通道数。
根据所述待标定激光雷达的水平方向视场角和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值,并根据所述指向角水平步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在中间测量通道下对应非90°指向角的所述第二测距值。
具体地,在中间测量通道下,即8通道对应非90°指向角,则需要根据待标定激光雷达的水平方向视场角和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值,其中指向角水平步进值由待测激光雷达的水平角分辨率决定。示例性地,以水平方向120°视场角,均匀960线激光雷达为例,指向角水平步进值为则其它非90°指向角对应的第二测距值,即“真值”需要修正为:该值记为ln,i,8,即激光测距仪在中间测量通道下即8通道对应非90°指向角的第二测距值,其中i表示其它非90°指向角。
根据所述指向角竖直步进值、所述指向角水平步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在非90°指向角下对应非中间测量通道的所述第二测距值。
具体地,在非90°指向角下对应非中间测量通道下,则需要获取指向角竖直步进值和指向角水平步进值,在上述步骤中已说明如何获取指向角竖直步进值以及指向角水平步进值,在这里不再一一赘述。示例性地,根据指向角竖直步进值和指向角水平步进值,则非90°指向角对应非中间测量通道下的第二测距值,即“真值”需要修正为:该值记为ln,i,j,即激光测距仪在非90°指向角下对应非中间测量通道下的第二测距值,其中i表示其它非90°指向角,j表示通道数。
S303、根据对应距离下的所述第一测距值和所述第二测距值获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值。
具体地,S301获取对应距离下的第一测距值Ln,S302获取对应距离下的第二测距值ln,然后根据对应距离下的第一测距值Ln和第二测距值ln,获取待标定激光雷达在不同测量通道下的补偿残差值。进一步地,通过改变不同的距离值n,如此可以获取待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值。
可选地,根据对应距离下的所述第一测距值Ln和所述第二测距值ln获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值,包括:
将对应距离下的所述第二测距值ln减去所述第一测距值Ln的差值作为该距离下不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值。
示例性地,可以设置待标定激光雷达与标定目标的距离为n,获取不同指向角和不同测量通道下的第一测距值Ln,i,j以及第二测距值ln,i,j,将第二测距值ln,i,j减去第一测距值Ln,i,j的得到的差值,记为σn,i,j,即在距离n下不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值,其残差公式为:
σn,i,j=ln,i,j-Ln,i,j
其中n表示距离,i表示指向角,j表示测量通道。
例如,对于16线雷达,在90°指向角下对应中间测量通道即8通道,根据S301获取激光雷达的第一测距值Ln,为了区分在不同指向角和不同测量通道下,将Ln记为Ln,90,8;根据步骤S302获取激光测距仪在90°指向角下,在8通道下的第二测距值ln,90,8,则可根据残差公式:σn,90,8=ln,90,8-Ln,90,8,获取对应的补偿残差值,也即σn,90,8=ln,90,8-T90,8。
在90°指向角下对应其它测量通道即非中间测量通道,根据S301获取激光雷达的第一测距值Ln,为了区分不同距离和不同测量通道,将Ln记为Ln,90,j;根据S302获取激光测距仪在90°指向角下,在其它测量通道的第二测距值即ln,90,j,则可根据残差公式:σn,90,j=ln,90,j-Ln,90,j,获取对应的补偿残差值,也即
在中间测量通道即8通道下对于非90°指向角,根据S301获取激光雷达的第一测距值Ln,为了区分在不同指向角和不同测量通道下,将Ln记为Ln,i,8;根据S302获取激光测距仪在中间测量通道即8通道下,在非90°指向角下的第二测距值ln,i,8,则可根据残差公式:σn,i.8=ln,i,8-Ln,i,8,获取对应的补偿残差值,也即
在非中间测量通道下对应非90°指向角,根据S301获取激光雷达的第一测距值Ln,为了区分在不同指向角和不同测量通道下,将Ln记为Ln,i,j;根据S302获取激光测距仪在非中间测量通道下,在非90°指向角下的第二测距值ln,i,j,则可根据残差公式:σn,i,j=ln,i,j-Ln,i,j,获取对应的补偿残差值,也即
将所述不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值相对于所述指向角的平均值作为该距离下不同测量通道下的补偿残差值。
具体地,根据上述步骤获取的对应距离下的不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值σn,i,j相对于指向角的平均值作为该距离下不同测量通道下的补偿残差值σn,j。例如,在一次激光雷达测距中,待标定激光雷达与标定目标的距离为n时,10个不同指向角i1-i10和100个不同测量通道j1-j100,如此可以得到1000个不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值σn,i,j。当测量通道为j1,通过改变10个不同指向角i1-i10,可以得到10个补偿残差值σn,i,j,将这10个补偿残差值σn,i,j对指向角数量10取平均值,进而得到测量通道j1下的补偿残差值σn,j,即按照同样的方法可以得到100个不同测量通道j1-j100下的补偿残差值σn,j,如此,可以得到距离为n时不同测量通道下的补偿残差值σn,j。
S304、根据所述补偿残差值形成标定修正查找表以在所述待标定激光雷达的标定过程中自动调取所述标定修正查找表;其中,所述标定修正查找表包括不同所述测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系。
具体地,根据S303获取的待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值,测量通道、待标定激光雷达与标定目标之间的距离与补偿残差值形成了对应关系,根据这种对应关系可以形成标定修正查找表。当待标定激光雷达在实际测距过程中,可以自动调取上述标定修正查找表,从而根据标定修正查找表中测量通道、待标定激光雷达与标定目标之间的距离与补偿残差值所形成的对应关系,获取实际测试距离和实际测试通道对应的补偿残差值,进而完成实际测距的实时补偿。
可选地,如图1所示,根据所述补偿残差值形成标定修正查找表,包括:
形成对应测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系曲线。
具体地,根据S303得到待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值σn,j,利用计算出的补偿残差值σn,j数据,绘制残差图,将每个通道的所有距离对应的残差值绘制在一张散点图上,即横轴为当前待标定激光雷达与标定目标之间的距离n,纵轴为对应的残差值σn,j,则形成对应关系曲线。
对上述对应关系曲线进行拟合以获取该测量通道下所述距离与所述补偿残差值的关系函数。
具体地,根据上述步骤获得的对应测量通道下,距离与补偿残差值的对应关系曲线,通过三次样条曲线拟合,得到该通道对应通道补偿残差值与对应距离的函数关系:
σn,j=fj(n)
对上述关系函数进行离散化处理以获取标定修正查找表。
具体地,对上述步骤获得的函数进行离散化获取修正查找表,即通过测距值查找对应的补偿值进行实时补偿,以减少实时补偿过程中进行频繁的复杂函数计算,提升补偿效率,降低系统功耗。将修正查找表写入到激光雷达的存储器中,从而雷达进行实时测距时可以同步进行测距距离修正。
需要说明的是,修正查找表离散程度即查找表中距离值的细分程度的选取主要考虑修正后的精度水平与存储器空间的权衡,理论上修正查找表离散程度越高,修正的精度越高,但达到预期精度水平后,继续提高修正查找表离散程度会占用雷达上更多的存储空间,而无法带来更多的收益,因此需要准确评估与权衡。
需要注意的是,本公开中的测距距离标定仅针对雷达中存在的系统误差进行标定修正,即提升激光雷达测距的准确度,而并不能提升激光雷达测距的精密度,即无法对雷达中存在的随机误差进行补偿。
可选地,如图4所示,角度基准结构607与所述待标定激光雷达原点O的连线与水平轴的夹角为固定夹角值,所述自动标定方法还包括:获取待标定激光雷达对应所述角度基准结构的测量角度范围。将所述测量角度范围的中心值作为所述固定夹角值的实测值。根据所述实测值对所述待标定激光雷达的角度测量基准值进行校正。
具体地,在获取第一测距值之前,需要设置一个角度基准,例如可以在标定轨道601外设置一个角度基准结构607,用于在距离标定之前对激光雷达内部的角度输出值进行校正,角度基准为与标定目标相同的标准反射率板,反射率值不限,可以使用10%,25%等任意规格,只需要保证反射率可以满足激光雷达可获得有效测距值即可。角度基准结构平行于x-z平面设置,其与激光雷达原点O的连线与x轴的夹角为一个固定值θ,该值的选定无严格限制,视标定系统空间条件确定,本公开实施例示例性地设置固定值θ为80°,且角度基准结构到原点O的距离值不作限制,视标定系统空间条件确定,本公开实施例示例性地设置角度基准结构到原点O的距离值为10m。
标定小车处于初始位置即待标定雷达处于初始位置,其与标定目标可以处于最大距离,也可以处于最小距离。激光雷达进行一定帧数的测量,即多次测量取平均值,视系统具体情况设定,本公开实施例对此不作限定,因为角度基准结构的测距值与相邻的非角度基准部分存在较大差异,选取对应角度基准结构的部分数据,得到角度基准结构所覆盖的测量角度范围,将其中心值定义为激光雷达对θ的实测值,角度基准结构为长条板状结构,对于角度基准板的测量数据对应的角度范围例如为10°-20°,则15°即为这里定义的中心值。根据该测量值先对雷达的角度测量基准值进行校正,即将该测量值修正为θ,其它测角值按照雷达自身的测角系统进行步进赋值。
由此,本公开实施例通过获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,其中,进行不同帧数的测量,即多次测量对帧数取平均值,使得第一测距值更加准确;获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值。根据第一测距值和第二测距值,获取待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值,不同距离、不同测量通道和补偿残差值这三个参数形成对应关系,根据上述三个参数的对应关系形成标定修正查找表。如此,待标定激光雷达在实际测距时可以通过调取标定修正查找表,根据在不同的距离和不同的测量通道下,补偿残差值形成的对应关系,进行实时测距值补偿,在阵列激光雷达量产需求时,提高了阵列激光雷达的测距高准确度,提升了标定过程与实时距离值补偿过程的效率,解决了阵列式激光雷达测距距离标定过程的自动化问题、标定效率问题以及实时测距值补偿过程中的功耗问题、效率问题,满足了阵列式激光雷达量产标定与高效率低功耗的实时测距值补偿需求。
本公开实施例还提供了一种阵列式激光雷达的自动标定装置,图5为本公开实施例提供的一种阵列式激光雷达的自动标定装置的结构示意图。如图5所示,自动标定装置包括:雷达测距获取模块501、测距仪测距获取模块502、补偿残差获取模块503和查找表获取模块504。雷达测距获取模块501,用于获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值Ln。测距仪测距获取模块502,用于获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值ln;其中,所述激光测距仪与所述待标定激光雷达的原点一致。补偿残差获取模块503,用于根据对应距离下的第一测距值Ln和所述第二测距值ln获取待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值。查找表获取模块504,用于根据所述补偿残差值σn,j形成标定修正查找表以在所述待标定激光雷达的标定过程中自动调取所述标定修正查找表;其中,所述标定修正查找表包括不同所述测量通道下所述距离与所述补偿残差值σn,j的对应关系。
本公开实施例还提供了一种阵列式激光雷达的自动标定系统,如图4所示,自动标定系统包括:标定导轨601、移动架构602、待标定激光雷达603、激光测距仪604和标定目标605,标定目标605设置于标定导轨601的一侧,待标定激光雷达603和激光测距仪604设置于标定导轨601的另一侧,移动架构602用于带动待标定激光雷达603和激光测距仪604沿标定导轨601同步移动和/或用于带动标定目标605沿标定导轨601移动。
需要说明的是,标定小车上装有激光雷达603与激光测距仪604的安装台架(图4中未示出),用于待标定激光雷达和输出“真值”的激光测距仪的固定,同时调节保证二者的原点一致,激光测距仪仅进行z方向的测量,因此仅需要保证其与激光雷达原点在z方向上一致即可,不要求在y方向上进行调节。其中,激光测距仪型号为Fluke 424D,激光测距仪始终固定在台架上,在标定不同型号、不同编号的激光雷达产品时,仅需要进行雷达的安装与位置调节。
如图4所示,自动标定系统还包括上位机606,上位机606与待标定激光雷达603和激光测距仪604通信连接,即二者可以有线连接,也可以无线连接,上位机606用于执行上述实施例所述的阵列式激光雷达的自动标定方法。
具体地,激光雷达603、激光测距仪604与标定小车连接电源后均与上位机606进行通信连接,由上位机606统一进行标定小车移动和雷达/测距仪测量的控制,启动上位机606,按照上述实施例所述的阵列式激光雷达的自动标定方法,执行标定程序。具体地,将自动标定系统按照上述方案安装完毕后,将待标定的激光雷达产品安装在标定小车的台架上并调节位置后固定,连接电源与上位机并进行通信配置,即在上位机上查找激光雷达对应的端口,并波特率等通信参数后,即可启动自动标定软件,系统将自动完成全部的标定流程,并生成测距距离补偿查找表下载到激光雷达的存储器中,用于实时的测距距离补偿。
需要说明的是,本公开实施例涉及的阵列式激光雷达的自动标定系统中,使用的是水平方向单线、竖直方向多线的探测器,即探测器在竖直方向上存在很多通道,在水平方向上仅为单线,水平方向指向角步进值由扫描的帧率以及激光发射的频率实现,水平方向通过持续的高频扫描,获取水平方向上的不同角度信息,上述实施例所涉及的水平方向的多个测量通道或者多个测量点,可以理解为通过多次激光收发,并配合扫描系统转向指向角的等效描述,并非限定探测器在水平方向真实存在多通道或多个测量点。另外,距离标定即对不同的竖直方向的测量通道进行标定,所以水平方向的数据最终会被平均后统一作为对应通道的标定参数。
具体地,可调节部件的调节、定位精度需求受待标定激光雷达603产品的测距精度影响,调节精度需要不超过雷达测距精度要求(如50mm或30mm),超过这个精度,雷达的部分精度内的数据无法获得。具体地,雷达的安装与激光测距仪的安装调节精度,即二者的测距原点在z轴上定位与调节时的精度,需要满足不超过激光雷达测距精度的要求,否则距离标定完成后系统误差依旧会存在,本公开实施例通过雷达和激光测距仪原点对准相关的定位/调节结构,以保证激光测距仪和雷达的原点不重合,误差在雷达的测距误差以内,可以满足上述实施例所述真值的准确性,不会在标定后引入新的系统误差。另外,对于本系统来说,移动架构的移动精度无需限定,不论移动架构的精度如何,其在移动较小距离后,实际的距离都可以使用激光测距仪进行足够精度的测量,且移动架构步进的距离同样无需限定,由于本系统使用离散点标定,而后拟合补偿函数,再离散化作为补偿查找表的方式,因而不需要移动架构具有非常小的步进距离。移动小车的移动精度以及步进距离,即移动分辨率不需受此限制,激光测距仪准确获取实际距离即可满足标定的需求。
由此,本公开实施例的以上全部标定步骤均可实现自动化,将激光雷达固定在台架上并与电源和上位机连接后,启动上位机上的标定程序,即可持续进行“测量-小车步进-……-测量-上位机计算、拟合、离散化-查找表写入激光雷达”的标定流程,在实际产线中,可对移动架构602进行进一步改造,实现激光雷达的上下料自动化,进而实现整个量产标定过程的全自动化。由此,本公开实施例通过设置一种阵列式激光雷达的自动标定系统,将待标定的激光雷达产品安装在标定小车的台架上并调节位置后固定,连接电源与上位机并进行通信配置,在上位机上查找激光雷达对应的端口,并波特率等通信参数后,即可启动自动标定软件,系统将自动完成全部的标定流程,并生成测距距离补偿查找表下载到激光雷达的存储器中,用于实时的测距距离补偿。
本公开实施例提出了一种高效的自动化标定方案以及对应的自动标定系统结构,在标定完成后,可以使用自动写入到激光雷达控制系统(如FPGA)对应存储器中的查找表进行实时测距值补偿,提升了标定过程与实时距离值补偿过程的效率,可以满足高准确度阵列激光雷达量产需求和高效率低功耗测距值补偿的需求,解决了阵列式激光雷达测距距离标定过程的自动化问题、标定效率问题以及实时测距值补偿过程中的功耗问题、效率问题。最终满足阵列式激光雷达量产标定与高效率低功耗的实时测距值补偿需求。本公开实施例提出了一种针对阵列式激光雷达测距距离标定的高效率、自动化方案,可以满足激光雷达量产的产线自动测距距离标定工位的需求,同时本方案获取的标定数据,可以在激光雷达运行过程中,实现低功耗、高效率的实时测距值补偿功能,对于激光雷达的功耗与性能指标优化具有重要的意义。
本公开实施例的应用场景为阵列式激光雷达量产过程中的单台测距距离标定流程,以及其标定后的结果转换为查找表烧录到激光雷达的存储器中,用于雷达测距过程中的实时测距值补偿。本公开主要应用于阵列式激光雷达的测距距离标定,同时可以扩展至其他阵列式激光测距系统的测距标定。以上所述仅是本公开的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种阵列式激光雷达的自动标定方法,其特征在于,包括:
获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取所述多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值;
获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值;其中,所述激光测距仪与所述待标定激光雷达的原点一致;
根据对应距离下的所述第一测距值和所述第二测距值获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值;
根据所述补偿残差值形成标定修正查找表以在所述待标定激光雷达的实际测距过程中自动调取所述标定修正查找表;其中,所述标定修正查找表包括不同所述测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系;
根据所述补偿残差值形成标定修正查找表,包括:
形成对应测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系曲线;
对所述对应关系曲线进行拟合以获取该测量通道下所述距离与所述补偿残差值的关系函数。
2.根据权利要求1所述的阵列式激光雷达的自动标定方法,其特征在于,获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,并获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值,包括:
根据所述标定目标的尺寸获取指向角范围;
根据所述待标定激光雷达的水平方向视场角、所述待标定激光雷达的扫描帧率、所述待标定激光雷达的激光发射频率和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值;
根据所述指向角范围和所述指向角水平步进值,获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,并获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值。
3.根据权利要求1所述的阵列式激光雷达的自动标定方法,其特征在于,在获取所述多组测距值相对于帧数的平均值记为第一测距值之前,还包括:
对所述多组测距值进行过滤预处理以滤除所述多组测距值中的误差测距值。
4.根据权利要求1所述的阵列式激光雷达的自动标定方法,其特征在于,所述激光测距仪的激光出射角度垂直于所述标定目标所在平面,获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值,包括:
获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,所述激光测距仪在90°指向角下对应中间测量通道的所述第二测距值并记为参照测距值;
根据所述待标定激光雷达的竖直方向视场角和竖直方向测量通道数获取指向角竖直步进值,并根据所述指向角竖直步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在90°指向角下对应非中间测量通道的所述第二测距值;
根据所述待标定激光雷达的水平方向视场角和水平方向测量通道数获取指向角水平步进值,并根据所述指向角水平步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在中间测量通道下对应非90°指向角的所述第二测距值;
根据所述指向角竖直步进值、所述指向角水平步进值和所述参照测距值获取所述激光测距仪在非90°指向角下对应非中间测量通道的所述第二测距值。
5.根据权利要求1所述的阵列式激光雷达的自动标定方法,其特征在于,根据对应距离下的所述第一测距值和所述第二测距值获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值,包括:
将对应距离下的所述第二测距值减去所述第一测距值的差值作为该距离下不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值;
将所述不同指向角和不同测量通道下的补偿残差值相对于所述指向角的平均值作为该距离下不同测量通道下的补偿残差值。
6.根据权利要求1所述的阵列式激光雷达的自动标定方法,其特征在于,根据所述补偿残差值形成标定修正查找表,还包括:
对所述关系函数进行离散化处理以获取所述标定修正查找表。
7.根据权利要求1所述的阵列式激光雷达的自动标定方法,其特征在于,角度基准结构与所述待标定激光雷达原点的连线与水平轴的夹角为固定夹角值,所述自动标定方法还包括:
获取所述待标定激光雷达对应所述角度基准结构的测量角度范围;
将所述测量角度范围的中心值作为所述固定夹角值的实测值;
根据所述实测值对所述待标定激光雷达的角度测量基准值进行校正。
8.一种阵列式激光雷达的自动标定装置,其特征在于,包括:
雷达测距获取模块,用于获取待标定激光雷达与标定目标在不同距离下,所述待标定激光雷达在不同帧数、不同指向角和不同测量通道下的多组测距值,获取所述多组测距值相对于帧数的平均值并记为第一测距值;
测距仪测距获取模块,用于获取所述待标定激光雷达与所述标定目标在不同距离下,激光测距仪在不同指向角和不同测量通道下的第二测距值;其中,所述激光测距仪与所述待标定激光雷达的原点一致;
补偿残差获取模块,用于根据对应距离下的所述第一测距值和所述第二测距值获取所述待标定激光雷达在不同距离和不同测量通道下的补偿残差值;
查找表获取模块,用于根据所述补偿残差值形成标定修正查找表以在所述待标定激光雷达的标定过程中自动调取所述标定修正查找表;其中,所述标定修正查找表包括不同所述测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系;
所述查找表获取模块,具体用于形成对应测量通道下所述距离与所述补偿残差值的对应关系曲线;对所述对应关系曲线进行拟合以获取该测量通道下所述距离与所述补偿残差值的关系函数。
9.一种阵列式激光雷达的自动标定系统,其特征在于,包括:
标定导轨、移动架构、所述待标定激光雷达、所述激光测距仪和所述标定目标,所述标定目标设置于所述标定导轨的一侧,所述待标定激光雷达和所述激光测距仪设置于所述标定导轨的另一侧,所述移动架构用于带动所述待标定激光雷达和所述激光测距仪沿所述标定导轨同步移动和/或用于带动所述标定目标沿所述标定导轨移动;
上位机,所述上位机与所述待标定激光雷达和所述激光测距仪通信连接,用于执行如权利要求1-7任一项所述的阵列式激光雷达的自动标定方法。
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