CN114459500A - 激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法、装置、设备和介质 - Google Patents

激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法、装置、设备和介质 Download PDF

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Abstract

激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法、装置、设备和介质，包括如下步骤：S1，激光雷达与姿态传感器在环境中自由运动，并分别采集点云、输出空间位姿；S2，基于激光雷达与姿态传感器的旋转位姿和旋转矩阵的关系，构建优化方程；S3，使用线性优化求得优化方程的最优解，得到激光雷达与姿态传感器之间的旋转矩阵。本发明利用激光雷达与姿态传感器的相对空间位姿，获得精确的激光雷达与姿态传感器间的实时变换关系，使得三维重建系统在对周围环境进行重建时能够更加准确。

Description

激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法、装置、设备 和介质
技术领域
本发明涉及三维重建系统图像传感器的标定技术领域，具体地说是一种激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法、装置、设备和介质。
背景技术
激光雷达通过发射激光和接收激光的反射，来确定物体的位置。为了提高激光雷达的探测精度，在单线激光雷达的基础上发明了多线激光雷达。多线激光雷达可以同时发射和接收多束激光，在扫描时，可以生成多个不同角度的同心扫描线。因此，多线激光雷达的单帧点云数据可以包含相当丰富的周边环境信息。姿态传感器是一种高性能三维运动姿态测量系统，它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘等运动传感器，利用基于四元数的三维算法和数据融合技术，可以实时输出以四元数、欧拉角表示的零偏移三维姿态方位数据。在基于激光雷达的三维重建的应用中，激光雷达与姿态传感器融合能够提供更准确的重建场景的信息。但是在现有的系统中，激光雷达与姿态传感器都有自身的局部坐标系，需要标定算法对激光雷达和姿态传感器进行标定，以确定局部坐标系之间的变换关系。目前，尚无相关技术方案可以在线标定激光雷达与姿态传感器之间的位姿关系。
发明内容
本发明为解决现有的问题，旨在提供一种激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法、装置、设备和介质，用于实现激光雷达与姿态传感器间的标定。为了达到上述目的，本发明提供的方法，包括如下步骤：
S1，激光雷达与姿态传感器在环境中自由运动，并分别采集点云、输出空间位姿；
S2，基于激光雷达与姿态传感器的旋转位姿和旋转矩阵的关系，构建优化方程：
Figure BDA0003387276590000011
其中，
Figure BDA0003387276590000012
和
Figure BDA0003387276590000013
分别为姿态传感器与激光雷达的左乘旋转矩阵与右乘旋转矩阵，
Figure BDA0003387276590000021
是激光雷达相对于姿态传感器的旋转；
S3，使用线性优化求得优化方程的最优解，得到激光雷达与姿态传感器之间的旋转矩阵。
在一些实施例中，S1中，自由运动至少包含旋转。
在一些实施例中，S1中，激光雷达与姿态传感器刚体连接。
在一些实施例中，S1中，通过测量获得或者直接给定单位矩阵获得激光雷达与姿态传感器初始的变换矩阵。
在一些实施例中，S2中，构建优化方程的过程为：
S21，基于旋转矩阵的性质，可得：
Figure BDA0003387276590000022
其中，设
Figure BDA0003387276590000023
是姿态传感器从bk时刻到bk+1时刻过程中输出的结果，
Figure BDA0003387276590000024
是激光雷达在bk+1时刻帧相对于bk时刻帧的位姿变化，
Figure BDA0003387276590000025
是激光雷达相对于姿态传感器的旋转
S22,由于
Figure BDA0003387276590000026
可以得到：
Figure BDA0003387276590000027
将
Figure BDA0003387276590000028
移到方程的左边，可得：
Figure BDA0003387276590000029
S23，将四元数之间的乘法转换为旋转矩阵与四元数之间的乘法，可得：
Figure BDA00033872765900000210
其中，
Figure BDA00033872765900000211
和
Figure BDA00033872765900000212
分别为姿态传感器与激光雷达的四元数得到的左乘旋转矩阵与右乘旋转矩阵；再合并同类项，可得：
Figure BDA00033872765900000213
S24，设有n组数据参与了优化，则优化方程为：
Figure BDA00033872765900000214
在一些实施例中，S3中，使用列文伯格-马夸尔特法对优化方程进行线性优化。本发明还提供一种标定装置，包括：
采集模块,获取激光雷达与姿态传感器在环境中自由运动所采集点云、输出空间位姿；
构建模块，基于激光雷达与姿态传感器的旋转位姿和旋转矩阵的关系，构建优化方程；
优化模块，使用线性优化求得优化方程的最优解，得到激光雷达与姿态传感器之间的旋转矩阵。
本发明还提供一种标定设备，包括一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现任一所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法。
本发明还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行任一所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法。
和现有技术相比，本发明利用激光雷达与姿态传感器的相对空间位姿，优化激光雷达与姿态传感器间的旋转矩阵，提出了一种基于线性优化的在线标定激光雷达与姿态传感器间旋转矩阵的算法，从而获得精确的激光雷达与姿态传感器间的实时变换关系，使得三维重建系统在对周围环境进行重建时能够更加准确。本发明利用了三维重建的环境信息，不需要专用道具和特定场景就可以实现精确标定。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方法作进一步描述。该实施例用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的实施例包括下述步骤：
S1，数据采集，即激光雷达与姿态传感器在环境中自由运动，并分别采集点云、输出空间位姿。
本实施例采用了一个包含激光雷达与姿态传感器的三维重建系统，且激光雷达与姿态传感器通过刚体连接在一起。激光雷达与姿态传感器的初始变换矩阵可以通过测量获得或者直接给定单位矩阵。在数据采集过程中，三维重建系统在环境中自由运动。
作为优选，自由运动应当包含各种旋转以增加结果的精确度。
激光雷达与姿态传感器经过时间同步，在三维重建系统中激光雷达以10帧每秒的速率采集点云，姿态传感器以200帧每秒的速率输出空间位姿。
S2，构建优化方程，即根据激光雷达与姿态传感器得到的旋转矩阵，构建优化方程。
设
Figure BDA0003387276590000041
是姿态传感器从bk时刻到bk+1时刻过程中输出的结果，
Figure BDA0003387276590000042
是激光雷达在bk+1时刻帧相对于bk时刻帧的位姿变化，
Figure BDA0003387276590000043
是激光雷达相对于姿态传感器的旋转。根据旋转矩阵的性质，可得：
Figure BDA0003387276590000044
由于
Figure BDA0003387276590000045
可以得到：
Figure BDA0003387276590000046
将
Figure BDA0003387276590000047
移到方程的左边，可得：
Figure BDA0003387276590000048
上述公式描述了激光雷达与姿态传感器获得旋转位姿和它们之间旋转矩阵的关系。再将四元数之间的乘法转换为旋转矩阵与四元数之间的乘法，可得：
Figure BDA0003387276590000049
其中，
Figure BDA00033872765900000410
和
Figure BDA00033872765900000411
分别为姿态传感器与激光雷达的四元数得到的左乘旋转矩阵与右乘旋转矩阵。之后，合并同类项，可得：
Figure BDA00033872765900000412
设有n组数据参与了优化，则优化方程为：
Figure BDA00033872765900000413
至此便完成了优化方程的构建。进一步地，观测的数据越多，得到的旋转矩阵越精确。
S3，对方程进行线性优化，使用线性优化求得优化方程的最优解，得到激光雷达与姿态传感器之间的旋转矩阵。
利用上述优化方程和已知的数据，可以使用优化器对方程进行优化。列文伯格-马夸尔特算法，全称为Levenberg-Marquardt算法，是一种利用梯度求最大(小)值的线性优化算法。优化的起点无论是给定的旋转矩阵，还是单位矩阵，该方程都会在几次迭代之后收敛。方程收敛之后，就得到了激光雷达与姿态传感器之间精确的旋转矩阵。
本发明实施例还提供一种标定装置，包括：
采集模块,获取激光雷达与姿态传感器在环境中自由运动所采集点云、输出空间位姿；
构建模块，基于激光雷达与姿态传感器的旋转位姿和旋转矩阵的关系，并构建上述优化方程；
优化模块，使用线性优化求得优化方程的最优解，得到激光雷达与姿态传感器之间的旋转矩阵。
本发明实施例一种标定设备，包括一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法。
在一些实施方式中，本实施例中涉及的存储装置存储了如下的元素，升级包、可执行单元或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统和应用程序。
其中，操作系统，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序，包含各种应用程序，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序中。
在本发明实施例中，处理器通过调用存储器存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序中存储的程序或指令，处理器用于执行上述方法步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明上述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法。
例如，机器可读存储介质可以包括但不限于各种已知和未知类型的非易失性存储器。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序指令，该计算机程序指令使得计算机执行上述方法。
本领域技术人员可以明白的是，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤能够以电子硬件、或者软件和电子硬件的结合来实现。这些功能是以硬件还是软件方式来实现，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以针对每个特定的应用，使用不同的方式来实现所描述的功能，但是这种实现并不应认为超出本申请的范围。
在本申请实施例中，所公开的系统、电子设备和方法可以通过其它方式来实现。例如，单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，在实际实现时还可以有另外的划分方式。例如，多个单元或组件可以进行组合或者可以集成到另一个系统中。另外，各个单元之间的耦合可以是直接耦合或间接耦合。另外，在本申请实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是单独的物理存在等等。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在机器可读存储介质中。因此，本申请的技术方案可以以软件产品的形式来体现，该软件产品可以存储在机器可读存储介质中，其可以包括若干指令用以使得电子设备执行本申请实施例所描述的技术方案的全部或部分过程。上述存储介质可以包括ROM、RAM、可移动盘、硬盘、磁盘或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
上述仅为本发明的优选实施方式，应指出的是，对于本行业内的普通技术技术人员而言，在本发明的原理之下可以由一些改进和替换，该改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法，包括如下步骤：
S1，激光雷达与姿态传感器在环境中自由运动，并分别采集点云、输出空间位姿；
S2，基于激光雷达与姿态传感器的旋转位姿和旋转矩阵的关系，构建优化方程：
Figure FDA0003387276580000011
其中，
Figure FDA0003387276580000012
和
Figure FDA0003387276580000013
分别为姿态传感器与激光雷达的左乘旋转矩阵与右乘旋转矩阵，
Figure FDA0003387276580000014
是激光雷达相对于姿态传感器的旋转；
S3，使用线性优化求得优化方程的最优解，得到激光雷达与姿态传感器之间的旋转矩阵。
2.根据权利要求1所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法，其特征在于：S1中，自由运动至少包含旋转。
3.根据权利要求1所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法，其特征在于：S1中，激光雷达与姿态传感器刚体连接。
4.根据权利要求1所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法，其特征在于：S1中，通过测量获得或者直接给定单位矩阵获得激光雷达与姿态传感器初始的变换矩阵。
5.根据权利要求1所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法，其特征在于：S2中，构建优化方程的过程为：
S21，基于旋转矩阵的性质，可得：
Figure FDA0003387276580000015
其中，设
Figure FDA0003387276580000016
是姿态传感器从bk时刻到bk+1时刻过程中输出的结果，
Figure FDA0003387276580000017
是激光雷达在bk+1时刻帧相对于bk时刻帧的位姿变化，
Figure FDA0003387276580000018
是激光雷达相对于姿态传感器的旋转
S22,由于
Figure FDA0003387276580000021
可以得到：
Figure FDA0003387276580000022
将
Figure FDA0003387276580000023
移到方程的左边，可得：
Figure FDA0003387276580000024
S23，将四元数之间的乘法转换为旋转矩阵与四元数之间的乘法，可得：
Figure FDA0003387276580000025
其中，
Figure FDA0003387276580000026
和
Figure FDA0003387276580000027
分别为姿态传感器与激光雷达的四元数得到的左乘旋转矩阵与右乘旋转矩阵；再合并同类项，可得：
Figure FDA0003387276580000028
S24，设有n组数据参与了优化，则优化方程为：
Figure FDA0003387276580000029
6.根据权利要求1所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法，其特征在于：S3中，使用列文伯格-马夸尔特法对优化方程进行线性优化。
7.一种标定装置，其特征在于：包括：
采集模块,获取激光雷达与姿态传感器在环境中自由运动所采集点云、输出空间位姿；
构建模块，基于激光雷达与姿态传感器的旋转位姿和旋转矩阵的关系，构建优化方程；
优化模块，使用线性优化求得优化方程的最优解，得到激光雷达与姿态传感器之间的旋转矩阵。
8.一种标定设备，其特征在于：包括一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-6中任一所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法。
9.一种包含计算机可执行指令的存储介质，其特征在于，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-6中任一所述的激光雷达与姿态传感器的相对位姿动态标定方法。
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