CN114636432A - 激光雷达和陀螺仪标定辅助装置以及应用该装置的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达和陀螺仪标定辅助装置以及应用该装置的标定方法，其创新之处在于将激光雷达和陀螺仪安装在车辆上，保证车辆在运动过程中，传感器之间不会再发生相对运动；然后将车辆停入标定平台并进行限位，通过标定平台下方的四个可伸缩缸体和中心旋转缸体带动车辆在标定平台上旋转，从而被动地实现了在三维空间上6个自由度上的运动，保证了现有标定方法的正常应用。本发明能够对自动驾驶车辆上的激光雷达和陀螺仪快速、方便地进行标定，克服了现有技术中缺少了三个自由度的数据之后引起的缺陷。

Description

激光雷达和陀螺仪标定辅助装置以及应用该装置的标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光雷达和陀螺仪标定辅助装置以及应用该装置的标定方法，属于数据标定技术领域。

背景技术

目前自动驾驶车辆普遍配备着多种传感器用于感知、高精度建图及定位等，其中激光雷达和陀螺仪（IMU）均是常用的传感器。在当前所使用的激光实时定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技术上，陀螺仪被广泛应用于轨迹预积分、激光里程计等模块，从而可以帮助激光雷达准确获取当前车辆的运动状态，得到精确的雷达点云，所以激光雷达和陀螺仪两者之间的空间转换关系对SLAM结果有着重要的影响。以高精度建图为例，实时定位与建图并不依赖于外部测量给出的信息确定自身的位置，而是依赖于自身传感器去确定自身位置的增量，从而确定本体在环境地图中的位置，同时根据位置和当前位置的传感器数据建立环境点云地图。

由于激光雷达和陀螺仪的特性差异较大，无法利用算法层面直接转换二者的数据格式。目前行业内通用的方法多为分别求解二者前后帧之间的运动关系，进而利用矩阵变换得出二者相对位置关系，其转换的数学表达式如下：

，

式中，

和

分别表示激光雷达和陀螺仪自身在第i时刻到第i+1时刻的转换关系（包含平移和旋转），

表示激光雷达到陀螺仪之间的转换关系，即激光雷达到陀螺仪标定所需要求解的转换式。在三维空间中，

矩阵包含六个自由度：x, y, z, roll,pitch, yaw，前三个自由度对应平移转换，即三个笛卡尔坐标轴的欧式距离，后三个自由度分别对应绕三个轴的欧拉角。所以，求解的关键就在于找到连续运动中，两种传感器相对自身的连续运动状态。

但是在当前的自动驾驶框架中，通常认为车辆行驶在近似平坦的路面上，因此汽车会被简化为二维模型，即缺少高度上的位移以及绕着x轴和y轴的旋转，从而丧失三个自由度（z, roll以及pitch）。在缺少了这三个自由度的数据之后，现有的激光雷达和陀螺仪的标定方法不再适用，申请人目前尚未发现适合于自动驾驶车辆的成熟六自由度的激光雷达和陀螺仪联合标定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种对自动驾驶车辆上的激光雷达和陀螺仪可以快速、方便地进行标定的辅助装置以及应用该装置的标定方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种激光雷达和陀螺仪标定辅助装置，包括用于停放自动驾驶车辆的标定平台，所述标定平台上设有用于对所述自动驾驶车辆的车轮进行限位的限位器，所述标定平台的下方设有一个中心旋转缸体以及设置在中心旋转缸体周围的四个可伸缩缸体，所述可伸缩缸体、中心旋转缸体均与标定平台可拆式固接。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是：一种应用上述技术方案之一所述的标定辅助装置的激光雷达和陀螺仪标定方法，包括以下步骤：

步骤一、将激光雷达和陀螺仪安装在自动驾驶车辆上后，将自动驾驶车辆驶入标定平台上，并通过限位器将自动驾驶车辆与标定装置固定在一起；

步骤二、将四个可伸缩缸体与标定平台连接，将标定平台提升至预设高度，保持中心旋转缸体与标定平台分离；控制四个可伸缩缸体按预设轨迹运动，带动标定平台绕着roll方向和pitch方向进行旋转，所述激光雷达和陀螺仪分别记录各自的测量数据；

步骤三、将标定平台保持水平，然后使标定平台下降，并保持中心处旋转缸体与标定平台固接，此时将四个可伸缩缸体与标定平台分离，按照raw角度带动标定平台旋转至少一周，所述激光雷达和陀螺仪分别记录各自的测量数据；

步骤四、根据步骤二和步骤三得到的测量数据对激光雷达和陀螺仪进行标定。

本发明在使用时，通过标定平台的旋转或转动，带动自动驾驶车辆被动地实现六个自由度的运动，使得安装在自动驾驶车辆上的激光雷达和陀螺仪能够提供x, y, z,roll, pitch, yaw共六个运动方向的测量数据，克服了现有技术中自动驾驶车辆在正常行驶过程中，因为会丧失三个自由度（z, roll以及pitch）的运动，导致激光雷达和陀螺仪采集的测量数据不能完成两者标定的缺陷。本发明可进行自动标定，大大提高标定效率和消除人为因素干扰，实现传感器的自动化高精度标定，满足大规模部署或量产要求。

本发明的创新点在于激光雷达和陀螺仪如何获取有效的测量数据集，而在激光雷达和陀螺仪采集了x, y, z, roll, pitch, yaw共六个运动方向的测量数据后，实现激光雷达和陀螺仪的方法为现有技术，可参考相关文献，不再赘述。

需要说明的是，本发明的发明人也曾尝试将激光雷达和陀螺仪安装在一个定位工装上，然后手动旋转、移动该定位工装，使得激光雷达和陀螺仪能够采集六个运动方向的测量数据，从而完成标定工作，然后再将将两个传感器连同定位工装统一安装在自动驾驶车辆上，但是，这种方法具有很大的局限性，限制了激光雷达和陀螺仪的安装位置。而本发明并不限制激光雷达和陀螺仪在自动驾驶车辆的相对位置，只要将激光雷达和陀螺仪安装在自动驾驶车辆上，保证激光雷达和陀螺仪之间的相对关系不变即可，因此扩大了激光雷达和陀螺仪的安装适用范围。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一中标定装置的主视图。

图2是本发明实施例一中标定装置的俯视图。

图3是本发明实施例二中标定平台pitch方向旋转的原理示意图。

图4是本发明实施例二中标定平台raw方向旋转的原理示意图。

附图标记：1、标定平台；2、限位器；3、指定区域；4、可伸缩缸体；5、中心旋转缸体；6、第一吸盘；7、激光雷达；8、陀螺仪；9、第二吸盘；10、自动驾驶车辆。

具体实施方式

实施例一

本实施例涉及一种激光雷达和陀螺仪标定辅助装置，如图1和图2所示，包括用于停放自动驾驶车辆10的标定平台1，所述标定平台1上设有用于对所述自动驾驶车辆10的车轮进行限位的限位器2，所述标定平台1的下方设有一个中心旋转缸体5以及设置在中心旋转缸体5周围的四个可伸缩缸体4，所述可伸缩缸体4、中心旋转缸体5均与标定平台1可拆式固接；其中，可伸缩缸体4可以采用液压缸，其活塞杆与标定平台1连接，中心旋转缸体5可采用电机或马达驱动的旋转体，其旋转轴与标定平台1连接。

优选的，所述标定平台1为长方形，中心旋转缸体5位于标定平台1的中心，四个可伸缩缸体4与标定平台1的四个角落一一对应，即标定平台1的每个角落下方设有一个可伸缩缸体4。四个可伸缩缸体4，起到支撑标定平台1并使其产生roll和pitch旋转的作用，中心旋转缸体用于生成yaw方向上的旋转。

优选的，如图2所示，所述中心旋转缸体5上设有第一吸盘6，通过第一吸盘6与标定平台1可拆式固接；所述可伸缩缸体4上设有第二吸盘9，通过第二吸盘9与标定平台1可拆式固接。第一吸盘6和第二吸盘9在使用时，将盘腔内的空气抽干使得对应的缸体和标定平台紧密连接，其压力足够支撑在规定运动状态下，标定平台不脱落，向盘腔内充气，则松开缸体和标定平台的连接。

优选的，如图1和图2所示，所述标定平台1上预留有四个指定区域3，每个指定区域3上设有一个限位螺栓卡槽，所述限位器通过螺纹连接的方式固定在限位螺栓卡槽上。如图2所示，一个限位螺栓卡槽对应四个限位器，限位器与限位螺栓卡通过螺纹连接，分别位于车轮的前后左右四个方位，用于固定车轮，使其在平面运动时，不会从平面掉落。

本实施例在使用时，先将激光雷达7和陀螺仪8安装在自动驾驶车辆10上，然后将自动驾驶车辆10驶入标定平台1，通过控制所述可伸缩缸体4、中心旋转缸体5的运动，实现自动驾驶车辆10被动地实现了在三维空间上6个自由度上的运动，从而克服了现有技术中自动驾驶车辆10在正常行驶时会丧失三个自由度（z, roll以及pitch）的运动，导致激光雷达7和陀螺仪8采集的测量数据不能完成两者标定的缺陷，保证了激光雷达7和陀螺仪8的标定工作。

实施例二

本实施例涉及一种应用实施例一所述的标定辅助装置的激光雷达和陀螺仪标定方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将激光雷达7和陀螺仪8安装在自动驾驶车辆上后，将自动驾驶车辆驶入标定平台1上，并通过限位器2将自动驾驶车辆与标定装置固定在一起。

步骤二、如图3所示，将四个可伸缩缸体4与标定平台1连接（比如将位于四个角落的可伸缩缸体4上的第二吸盘9内空气抽出），将标定平台1提升至预设高度，保持中心旋转缸体5与标定平台1分离；控制四个可伸缩缸体4按预设轨迹运动，带动标定平台1绕着roll方向和pitch方向进行旋转，所述激光雷达7和陀螺仪8分别记录各自的测量数据。在保证安全的情况下，根据实际试验测试情况，旋转速率可以调节的小一点，但是旋转量尽可能大以满足优化算法中对数据集差异性的要求。

步骤三、如图4所示，将标定平台1保持水平，然后使标定平台1下降，并保持中心处旋转缸体与标定平台1固接，此时将四个可伸缩缸体4与标定平台1分离，按照raw角度带动标定平台1旋转至少一周（通常一周即可），所述激光雷达7和陀螺仪8分别记录各自的测量数据。由于这个旋转是平行于地面的，所以可以安全地完成旋转，旋转速率可由实际情况测试而定。

步骤四、根据步骤二和步骤三得到的测量数据对激光雷达7和陀螺仪8进行标定。

在实施时，步骤二、三中，可通过控制单元按预先设定的逻辑策略使得标定平台1按照要求进行旋转，保证三个欧拉角方向上均有一定幅度的旋转，从而得到所需的测量数据。根据发明人的经验可知，整个标定所需运动过程，可以设置持续在45秒至1分钟，具体情况视实验场地情况而定。如需对多个激光雷达（如车顶雷达，前视雷达，侧雷达）与多个陀螺仪进行标定，可同时记录所需传感器的数据，分别对其进行标定。

本实施例可以如以下改进：

1）步骤二和步骤三中，在ROS环境下记录激光雷达7和陀螺仪8的测量数据，即在ROS环境下，记录两个topic，比如/velodyne_points和/imu/data。ROS系统为自动驾驶领域常用的环境，这样不但方便快捷，而通用性好。

2）由于传感器测量过程会不可避免得受到噪声的干扰，在近1分钟的测量过程中，两种传感器会发送数百个数据对，因此优选的，步骤二和步骤三中，所述激光雷达7和陀螺仪8均采集多组测量数据，通过加权平均进行降噪。

Claims (7)

1.一种激光雷达和陀螺仪标定辅助装置，其特征在于：包括用于停放自动驾驶车辆的标定平台，所述标定平台上设有用于对所述自动驾驶车辆的车轮进行限位的限位器，所述标定平台的下方设有一个中心旋转缸体以及设置在中心旋转缸体周围的四个可伸缩缸体，所述可伸缩缸体、中心旋转缸体均与标定平台可拆式固接。

2.根据权利要求1所述的激光雷达和陀螺仪标定辅助装置，其特征在于：所述中心旋转缸体上设有第一吸盘，通过第一吸盘与标定平台可拆式固接；所述可伸缩缸体上设有第二吸盘，通过第二吸盘与标定平台可拆式固接。

3.根据权利要求1所述的激光雷达和陀螺仪标定辅助装置，其特征在于：所述标定平台上预留限位螺栓卡槽，所述限位器通过螺纹连接的方式固定在限位螺栓卡槽上。

4.根据权利要求1所述的激光雷达和陀螺仪标定辅助装置，其特征在于：所述标定平台为长方形，所述中心旋转缸体位于标定平台的中心，四个可伸缩缸体与标定平台的四个角落一一对应。

5.一种应用权利要求1-4之任一项所述的标定辅助装置的激光雷达和陀螺仪标定方法，包括以下步骤：

步骤一、将激光雷达和陀螺仪安装在自动驾驶车辆上后，将自动驾驶车辆驶入标定平台上，并通过限位器将自动驾驶车辆与标定装置固定在一起；

步骤二、将四个可伸缩缸体与标定平台连接，将标定平台提升至预设高度，保持中心旋转缸体与标定平台分离；控制四个可伸缩缸体按预设轨迹运动，带动标定平台绕着roll方向和pitch方向进行旋转，所述激光雷达和陀螺仪分别记录各自的测量数据；

步骤三、将标定平台保持水平，然后使标定平台下降，并保持中心处旋转缸体与标定平台固接，此时将四个可伸缩缸体与标定平台分离，按照raw角度带动标定平台旋转至少一周，所述激光雷达和陀螺仪分别记录各自的测量数据；

步骤四、根据步骤二和步骤三得到的测量数据对激光雷达和陀螺仪进行标定。

6.根据权利要求5所述的激光雷达和陀螺仪标定方法，其特征在于：步骤二和步骤三中，在ROS环境下记录激光雷达和陀螺仪的测量数据。

7.根据权利要求5所述的激光雷达和陀螺仪标定方法，其特征在于：步骤二和步骤三中，所述激光雷达和陀螺仪均采集多组测量数据，通过加权平均进行降噪。

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