CN116299367A - 一种多激光空间标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多激光空间标定方法，属于空间标定技术领域，包括以下步骤：选取室内标定场并进行激光扫描，获得室内标定场的真值点云；对所述室内标定场进行多自由度扫描，获得室内标定场的待测激光点云；对所述真值点云和待测激光点云进行点云配准，获得每个激光对应的变换矩阵；基于寻优算法获取同一时刻各个激光的变换矩阵的差值，实现对各个激光的空间关系的标定。本发明对真值点云和待测激光点云进行点云配准，获得每个激光对应的变换矩阵，然后基于寻优算法获取同一时刻各个激光的变换矩阵的差值，对各个激光的空间关系实现标定，相较于现有技术，采集的样本规模更大，获得的空间关系的可靠性更高。

Description

一种多激光空间标定方法
技术领域
本发明属于空间标定技术领域，特别是涉及一种多激光空间标定方法。
背景技术
2D的定位定姿模块一般以2D的激光（也称为单线激光）确定，3D的定位定姿模块一般以3D的激光（也称为多线激光）确定。在传统的激光SLAM系统中，单独一个的多线激光既负责定位又负责建图，但单个多线激光进行SLAM有很多局限性，因为单个激光的视场角较小，表现为SLAM的鲁棒性较弱，因此一般都需要多个多线激光组合实施SLAM，实现更大范围的视场角，从而增加SLAM的鲁棒性。在多激光SLAM中，需要明确多个激光之间的六自由度空间变换关系，才能真正将多个激光融为一体，达到一致性的SLAM。该空间关系是进行多激光融合定位和建图的基础，确定该空间关系的过程称为多激光间的空间标定。目前确定多激光间空间关系技术方案有如下几种技术路线：
方案①将固定在一起的两个激光扫描同一场景，通过人工/自动的方法选取相同目标的特征点，形成多激光各自坐标系下的同名点对，通过求取同名点对之间的关系反求这个两个激光的变换关系。这些同名目标的特征点包括人工的标定球、反光标靶，也可以是地物特征点，如墙角点、路灯灯头点等。方案①的缺点是实施困难。因激光的垂直视场角无法达到180°，有较大的盲区，导致双激光很难同时扫到同一个目标。另外，方案①单次获取的样本较少，导致计算结果可靠性较差，如果想获得大量样本，导致实施成本非常高。
方案②建立/选取一个特征明显的室外带状标定场，将固定在一起的两个激光与组合导航系统（GNSS+IMU）集成，并保持高精度的时间同步。集成系统对标定场进行扫描，双激光获得的点云不重合，两组点云之间的差别就是待求的空间变换关系，后期可以利用ICP分段实现两组点云的配准，从而获得该空间变换。方案②的问题是复杂性较高，技术复杂度和方案建设成本都比较高，适用性不高。
方案③以工业级的全景相机为媒介，并与双激光固定在一起，选取特征明显的标定场，标定场布设标定板、标靶，定点进行扫描和拍照，手工在A激光点云上选取特征点/特征性，再从全景影像上选取同名特征，从而计算A激光到全景影像的空间变换。按照此方法，求得B激光到全景影像的变换关系，从而推导双激光直接的空间变换关系。方案③的缺点是误差较大，激光点云的分辨率远远达不到相机分辨率，因此采样误差较大，而且大量样本的获取实施困难，非常耗时。
因此，为了获得可靠性高的空间关系，亟需提出一种多激光空间标定方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种多激光空间标定方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种多激光空间标定方法，包括以下步骤：
选取室内标定场并进行激光扫描，获得室内标定场的真值点云；
对所述室内标定场进行多自由度扫描，获得室内标定场的待测激光点云；
对所述真值点云和待测激光点云进行点云配准，获得每个激光对应的变换矩阵；
基于寻优算法获取同一时刻各个激光的变换矩阵的差值，实现对各个激光的空间标定。
可选地，对室内标定场进行激光扫描的过程包括：基于工业激光扫描仪对室内标定场进行若干次搬站式扫描，并基于标准标靶球进行多站拼接，获得扫描成果点云；对所述扫描成果点云进行去噪和均匀化处理，获得室内标定场的真值点云。
可选地，对室内标定场进行多自由度扫描的过程包括：将待测双激光与轮式结构体相连接，推行所述轮式结构体对室内标定场进行多自由度扫描；其中，推行的行进速度不大于0.3米/秒，转弯速度不大于36°/秒，推行轨迹距离室内标定场的墙面不小于2米。
可选地，所述待测双激光与轮式结构体基于万向云台相连接，所述万向云台的俯仰、横滚的角度成对出现，所述俯仰、横滚的角度包括但不限于±15°、±10°和±5°。
可选地，通过求解
Figure SMS_1
，使得下式最小：
Figure SMS_2
其中，
Figure SMS_3
为待测激光点云的坐标，/>
Figure SMS_4
为真值点云的坐标，/>
Figure SMS_5
为点云数量，/>
Figure SMS_6
为两点集间的三维旋转量，/>
Figure SMS_7
为两点集间的三维平移量。
可选地，获取同一时刻各个激光的变换矩阵的差值的过程包括：选取同一时刻的第一变换矩阵和第二变换矩阵，预设固定变换矩阵，基于所述预设固定变换矩阵将第二空间矩阵变换到第一空间矩阵；基于所述第一变换矩阵、第二变换矩阵和预设固定变换矩阵建立误差方程，基于寻优算法对所述误差方程求解，获得固定变换矩阵真实值，进而实现对所述室内标定场的空间标定。
可选地，所述寻优算法包括但不限于iSAM、GTSAM、G2O和Ceres。
本发明的技术效果为：
本发明通过万向云台将待测双激光与轮式结构体相连接，通过推行轮式结构体实现对室内标定场的多自由度扫描，其中，万向云台的使用能够避免扫描过程中的盲区，为获取大量多自由度的样本提供方便，节省扫描时间；本发明通过每帧/段待测激光点云与真值点云进行点云配准，获得每帧/段待测激光点云对应的变换矩阵，然后基于寻优算法获取同一时刻双激光间变换矩阵的差值，对各个激光的空间关系实现标定，相较于现有技术，获得的空间关系的可靠性更高、技术实现更方便。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的多激光空间标定方法流程图；
图2为本发明实施例中的双激光结构示意图；
图3为本发明实施例中的万向云台结构示意图；
图4为本发明实施例中的轮式推行结构图；
图5为本发明实施例中的双激光通过万向云台与轮式推行结构相连接的整体结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种多激光空间标定方法，包括以下步骤：首先选取（不需要专门建设）一个室内标定场，利用高精度的工业激光扫描仪对该场景精细扫描，获取高精度场景点云（称为真值点云）；利用待标定激光在标定场进行多自由度扫描，获取每个激光的多组点云，分别与真值点云进行自动化配准，从而获取各待测激光多时刻的位姿，同一时刻的多激光间的位姿差即为其空间关系，因采集样本规模大，其空间关系的可靠性较高。具体步骤如下：
选取室内标定场，长宽高各维度不小于10米、不大于30米为宜，如果条件限制，尺寸可以减小至6米。室内不宜有移动目标、玻璃等，不宜有杂物，但有较为整齐的箱体，室内表面材质不宜有镜面反射的材质，如瓷砖。
利用工业级的激光扫描仪，如Faro、Z+F，对该场景进行扫描，一般需要多次搬站式扫描，扫描过程遵循用户手册，利用标准标靶球进行多站拼接，拼接精度达到用户手册要求，并保证扫描无遗漏。将扫描成果点云进行噪音去除（如果发现有噪音点），如杂点、反射，然后对点云进行均匀化处理，处理方法按照空间距离进行采样，采样距离为1～2cm。点云去噪和均匀化处理已有很多通用算法，也可以在开源软件CloudCompare中进行相关处理。处理后的点云将作为该标定场的真值点云。
如图2-5所示，将待测双激光固定于一个可以推行的轮式结构体上，测试人员可以推行该结构体，并保证激光不会扫描到测试员。测试人员对待测激光上电后在标定场内缓慢缓慢推行，行进速度不高于0.3米/秒，即不快于三秒一步；转弯速度不大于36°/秒，即掉头时间不低于5秒。推行轨迹距离墙面不小于2米，轨迹总体呈8字形为宜，且在推扫过程中保证顺时针、逆时针成对出现。
为了充分获取不同角度的样本，本实施例通过一种万向云台（俯仰横滚航向三个角度可以自由调整）将双激光与推行载体连接，每次扫描俯仰、横滚设置±15°，并保证正负角度成对出现，即俯仰设置为10°，则必有另外一次俯仰设置为-10°，该倾斜角度无需特别精确。建议±15°、±10°、±5°各有一组。
ICP（Iterative Closest Point）点云配准方法，将双激光获取的每帧点云与真值点云进行精细配准。设待测激光点云为
Figure SMS_9
，真值点云为/>
Figure SMS_12
。其中/>
Figure SMS_15
，/>
Figure SMS_10
表示点云坐标，/>
Figure SMS_11
表示点云数量，则通过ICP,求解/>
Figure SMS_14
和/>
Figure SMS_16
,其中，/>
Figure SMS_8
为两点集间的三维旋转量，/>
Figure SMS_13
为两点集间的三维平移量，使得下式最小：
Figure SMS_17
求待测双激光的空间变换关系。设A激光有多帧点云集
Figure SMS_18
，同样B激光有对应的多帧点云集/>
Figure SMS_19
，基于ICP算法描述，可以计算每帧A激光到真值点云的变换关系为/>
Figure SMS_20
，相应B激光到真值点云的变换关系为/>
Figure SMS_21
，设从激光A到B的固定空间变换矩阵为/>
Figure SMS_22
，则存在
Figure SMS_23
因此建立误差方程为：
Figure SMS_24
利用最优化理论进行求解，可以获得
Figure SMS_25
，目前已有很多优秀的开源库来求解该优化问题，包括：iSAM、GTSAM、G2O、Ceres等。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多激光空间标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
选取室内标定场并进行激光扫描，获得室内标定场的真值点云；
对所述室内标定场进行多自由度扫描，获得室内标定场的待测激光点云；
对所述真值点云和待测激光点云进行点云配准，获得每个激光对应的变换矩阵；
基于寻优算法获取同一时刻各个激光的变换矩阵的差值，实现对各个激光的空间标定。
2.根据权利要求1所述的多激光空间标定方法，其特征在于，
对室内标定场进行激光扫描的过程包括：基于工业激光扫描仪对室内标定场进行若干次搬站式扫描，并基于标准标靶球进行多站拼接，获得扫描成果点云；对所述扫描成果点云进行去噪和均匀化处理，获得室内标定场的真值点云。
3.根据权利要求1所述的多激光空间标定方法，其特征在于，
对室内标定场进行多自由度扫描的过程包括：将待测双激光与轮式结构体相连接，推行所述轮式结构体对室内标定场进行多自由度扫描；其中，推行的行进速度不大于0.3米/秒，转弯速度不大于36°/秒，推行轨迹距离室内标定场的墙面不小于2米。
4.根据权利要求3所述的多激光空间标定方法，其特征在于，
所述待测双激光与轮式结构体基于万向云台相连接，所述万向云台的俯仰、横滚的角度成对出现，所述俯仰、横滚的角度包括但不限于±15°、±10°和±5°。
5.根据权利要求1所述的多激光空间标定方法，其特征在于，
通过求解
Figure QLYQS_1
，使得下式最小：
Figure QLYQS_2
其中，/>
Figure QLYQS_3
为待测激光点云的坐标，/>
Figure QLYQS_4
为真值点云的坐标，/>
Figure QLYQS_5
为点云数量，/>
Figure QLYQS_6
为两点集间的三维旋转量，/>
Figure QLYQS_7
为两点集间的三维平移量。
6.根据权利要求1所述的多激光空间标定方法，其特征在于，
获取同一时刻各个激光的变换矩阵的差值的过程包括：选取同一时刻的第一变换矩阵和第二变换矩阵，预设固定变换矩阵，基于所述预设固定变换矩阵将第二空间矩阵变换到第一空间矩阵；基于所述第一变换矩阵、第二变换矩阵和预设固定变换矩阵建立误差方程，基于寻优算法对所述误差方程求解，获得固定变换矩阵真实值，进而实现对所述室内标定场的空间标定。
7.根据权利要求6所述的多激光空间标定方法，其特征在于，
所述寻优算法包括但不限于iSAM、GTSAM、G2O和Ceres。
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Inventor after: Zhang Xiangjun

Inventor after: Yu Xiaowei

Inventor after: Zhong Bin

Inventor after: Lv Shuisheng

Inventor after: Du Sheng

Inventor after: Zhang Yanling

Inventor before: Wei Zhanying

Inventor before: Zhang Xiangjun

Inventor before: Yu Xiaowei

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Inventor before: Lv Shuisheng

GR01 Patent grant
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