CN117554937B - 一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法和系统，所述方法包括：获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标；获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标；根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标，计算激光雷达和组合惯导相对位移及旋转矩阵。本发明无需复杂测量，对激光雷达精度和周边环境均无特殊要求，在控制误差范围内，可快速、准确的标定出激光雷达和组合惯导的外参。通过最优化问题的约束条件限制，可主动控制坐标的测量误差，达到主动控制定位误差的目的；同时所述约束条件取消了竖直维度的坐标偏差限制，对激光雷达分辨率无要求。
Description
技术领域
本发明涉及自动驾驶领域，具体是一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法和系统。
背景技术
激光雷达与组合惯导的联合使用被广泛的应用于自动驾驶领域，典型应用场景有室外3D建图与定位等。单一传感器获得的感知与定位都在各自的坐标系下，存在空间不统一问题。自动驾驶领域，通常需要对所有传感器的坐标系进行统一，这就需要测算各传感器之间的外参。而激光雷达作为自动驾驶车辆的“眼睛”，其与组合惯导之间的外参标定，将直接关系到车外目标的定位的准确性，进而影响自车对周边动静态障碍物的响应决策。
目前用于激光雷达和组合惯导外参标定的方法，主要有三类。第一类是人工测量刚性连接的激光雷达和组合惯导的相对位移及旋转矩阵，该方法操作简单，但误差大，基本无法满足高速自动驾驶需求。第二类是通过测量并推算多组特殊形态的标定版中心分别在激光雷达坐标系和惯导坐标系下的三维坐标，解算出两者的相对位移及旋转矩阵，该方法精度高，但操作复杂，对激光雷达精度要求高，需反复调整位置使得激光雷达点云在标定板特定范围内成像。第三类是根据周边环境形成的点云特征点推算出激光雷达行驶轨迹，然后比对激光雷达轨迹和组合惯导轨迹，解算出两者的相对位移及旋转矩阵，该方法无需其它设备，但由于对点云特征点的依赖，其对激光雷达、环境均有较高要求。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法和系统，无需复杂测量，对激光雷达精度和周边环境均无特殊要求，在控制误差范围内，可灵活、快速、准确的标定出激光雷达和组合惯导的外参。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法，所述方法包括以下步骤：
S1：获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>；
S2：获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标/>；
S3：根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>。
作为本发明进一步的技术方案，所述获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>的步骤包括：
S1.1：标定杆垂直地面放置，并保持静止，测量标定杆中心位置的经纬度；标定杆直径不大于控制误差δ；
S1.2：保持待标定设备静止，录制点云数据或在线观察，记录标定杆中心位置的三维点云坐标；点云在标定杆处的横向分辨率不大于控制误差δ。
作为本发明进一步的技术方案，所述获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标/>的步骤包括：
S2.1：保持待标定设备静止，获取组合惯导输出的经纬度数据；该步骤执行前，已完成组合导航内参标定，车体坐标系与导航坐标系一致；
S2.2：根据自车系统所采用的经纬度转平面坐标公式，计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标。
作为本发明进一步的技术方案，所述根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>的步骤包括：
S3.1：根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，按照坐标转换公式，建立最优化问题，计算最优的激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>；
其中，所述；
所述最优化问题数学描述如下：
所述，是旋转矩阵/>展开为行向量。
作为本发明进一步的技术方案，所述待标定设备为已完成激光雷达和组合惯导安装的待标定设备，所述待标定设备包括自动驾驶车辆，静止放置，所述标定杆包括固定标定杆和可移动标定杆，所述固定标定杆，直径小于系统控制误差δ，垂直于地面放置，固定放置在待标定设备远处，最远放置距离等于系统控制误差δ可容忍的最远距离，无需反复测量，用于保障待标定设备远处的定位精度；所述可移动标定杆，直径小于系统控制误差δ，垂直于地面放置，静止放置在待标定设备附近，灵活调整用于保障待标定设备附近的定位精度。
作为本发明进一步的技术方案，所述系统包括：
三维数据获取模块，用于获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>；
组合惯导数据获取模块，用于获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标/>；
组合计算模块，用于根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.目前激光雷达和组合惯导外参标定方法不能主动控制定位误差，本发明通过在最优化问题的约束条件进行限制，可主动控制坐标的测量误差，达到主动控制定位误差的目的；
2. 目前激光雷达和组合惯导外参标定方法对激光雷达性能要求较高，针对低线束激光雷达的标定效果较差甚至无法工作。显然的，低线束激光雷达在z维度呈现低分辨率，尤其是随着标定物距离越远，z维度分辨率越低。其中基于标定板的方案无法工作的主要原因是，低分辨率激光雷达由于点云稀疏，推算的标定物点云角点坐标误差大，导致最终位姿误差大；基于激光雷达和组合导航轨迹比对的方案无法工作的原因是，在低分辨率时难以提取特征点，无法生成精确的激光雷达轨迹。本发明设计的最优化问题约束条件取消了z维度的坐标偏差限制，即使激光雷达的点云在标定杆上仅有一个点成像，也可以得到控制误差范围内的xy维度坐标。
3. 目前激光雷达和组合惯导外参标定方法中，受激光雷达点云分辨率限制，能够用于推算的坐标点距离待标定物体较近，理论上无法保证远处物体的定位精度。本发明所标定的激光雷达和组合惯导外参，在激光雷达视野尽头也可提供控制误差范围内的定位精度。
4. 本发明设备简单，操作精度要求低，实用方便。
附图说明
图1为误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法的流程图。
图2为误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定系统的硬件放置参考示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1，请参阅图1，本发明实施例1提供了一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法，所述方法包括以下步骤：
S1：获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>；
S1.1：标定杆垂直地面放置，并保持静止，测量标定杆中心位置的经纬度；标定杆直径不大于控制误差δ；
S1.2：保持待标定设备静止，录制点云数据或在线观察，记录标定杆中心位置的三维点云坐标；点云在标定杆处的横向分辨率不大于控制误差δ。
S2：获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标/>；
S2.1：保持待标定设备静止，获取组合惯导输出的经纬度数据；该步骤执行前，已完成组合导航内参标定，车体坐标系与导航坐标系一致；
S2.2：根据自车系统所采用的经纬度转平面坐标公式，计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标。
S3：根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>。
S3.1：根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，按照坐标转换公式，建立最优化问题，计算最优的激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>；
其中，所述；
所述最优化问题数学描述如下：
所述，是旋转矩阵/>展开为行向量。
如图2所示，提供了激光雷达和组合惯导外参标定系统的硬件放置参考示意图，在本实施例中，所述待标定设备为已完成激光雷达和组合惯导安装的待标定设备，所述待标定设备包括自动驾驶车辆，静止放置，所述标定杆包括固定标定杆和可移动标定杆，所述固定标定杆，直径小于系统控制误差δ，垂直于地面放置，固定放置在待标定设备远处，最远放置距离等于系统控制误差δ可容忍的最远距离，无需反复测量，用于保障待标定设备远处的定位精度；所述可移动标定杆，直径小于系统控制误差δ，垂直于地面放置，静止放置在待标定设备附近，灵活调整用于保障待标定设备附近的定位精度。
在本实施例中，所述系统包括：
三维数据获取模块，用于获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>；
组合惯导数据获取模块，用于获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标/>；
组合计算模块，用于根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>。
实施例2，本实施例所述的误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法和系统与实施例1的区别在于：所述激光雷达的视野范围不受限制，标定杆放置位置为激光雷达视野范围；本实施例所述的误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法与实施例1相同。
实施例3，本实施例所述的误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法和系统与实施例1的区别在于：所述固定标定杆、可移动标定杆距离待标定设备远近无限制，可全部为固定标定杆，也可全部为可移动标定杆；本实施例所述的误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法与实施例1相同。
实施例4，本实施例所述的误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法和系统与实施例1的区别在于：所述待标定设备数目无限制，在标定杆经纬度测量完成后，本系统可用于同时标定多个设备的激光雷达和组合惯导外参；本实施例所述的误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法与实施例1相同。
上述误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法所能实现的功能均由计算机设备完成，所述计算机设备包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，所述一个或多个存储器中存储有至少一条程序代码，所述程序代码由所述一个或多个处理器加载并执行以实现所述误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法的功能。
处理器从存储器中逐条取出指令、分析指令，然后根据指令要求完成相应操作，产生一系列控制命令，使计算机各部分自动、连续并协调动作，成为一个有机的整体，实现程序的输入、数据的输入以及运算并输出结果，这一过程中产生的算术运算或逻辑运算均由运算器完成；所述存储器包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM），所述只读存储器用于存储计算机程序，所述存储器外部设有保护装置。
示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块，一个或者多个模块被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本发明。一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在终端设备中的执行过程。
本领域技术人员可以理解，上述服务设备的描述仅仅是示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比上述描述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现成可编程门阵列 （Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，上述处理器是上述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个用户终端的各个部分。
上述存储器可用于存储计算机程序和/或模块，上述处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现上述终端设备的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如信息采集模板展示功能、产品信息发布功能等）等；存储数据区可存储根据泊位状态显示系统的使用所创建的数据（比如不同产品种类对应的产品信息采集模板、不同产品提供方需要发布的产品信息等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card， SMC），安全数字（Secure Digital， SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
终端设备集成的模块/单元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，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例系统中的全部或部分模块/单元，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个系统实施例的功能。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>；
S2：获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标/>；
S3：根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>；
所述获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>的步骤包括：
S1.1：标定杆垂直地面放置，并保持静止，测量标定杆中心位置的经纬度；标定杆直径不大于控制误差δ；
S1.2：保持待标定设备静止，录制点云数据或在线观察，记录标定杆中心位置的三维点云坐标；点云在标定杆处的横向分辨率不大于控制误差δ；
所述根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>的步骤包括：
S3.1：根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，按照坐标转换公式，建立最优化问题，计算最优的激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>；
其中，所述；
所述最优化问题数学描述如下：
；
；
所述，是旋转矩阵/>展开为行向量。
2.根据权利要求1所述的一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法，其特征在于，所述获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标的步骤包括：
S2.1：保持待标定设备静止，获取组合惯导输出的经纬度数据；该步骤执行前，已完成组合导航内参标定，车体坐标系与导航坐标系一致；
S2.2：根据自车系统所采用的经纬度转平面坐标公式，计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标。
3.根据权利要求1所述的一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定方法，其特征在于，所述待标定设备为已完成激光雷达和组合惯导安装的待标定设备，所述待标定设备包括自动驾驶车辆，静止放置，所述标定杆包括固定标定杆和可移动标定杆，所述固定标定杆，直径小于系统控制误差δ，垂直于地面放置，固定放置在待标定设备远处，最远放置距离等于系统控制误差δ可容忍的最远距离，无需反复测量，用于保障待标定设备远处的定位精度；所述可移动标定杆，直径小于系统控制误差δ，垂直于地面放置，静止放置在待标定设备附近，灵活调整用于保障待标定设备附近的定位精度。
4.一种误差可控的激光雷达和组合惯导外参标定系统，其特征在于，所述系统包括：
三维数据获取模块，用于获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标；
组合惯导数据获取模块，用于获取组合惯导输出的经纬度数据，并计算标定杆在惯导坐标系下的二维坐标/>；
组合计算模块，用于根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>；
所述获取一组标定杆的经纬度数据，并记录相应的三维点云坐标/>的内容包括：
S1.1：标定杆垂直地面放置，并保持静止，测量标定杆中心位置的经纬度；标定杆直径不大于控制误差δ；
S1.2：保持待标定设备静止，录制点云数据或在线观察，记录标定杆中心位置的三维点云坐标；点云在标定杆处的横向分辨率不大于控制误差δ；
所述根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，计算激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>的内容包括：
S3.1：根据三维点云坐标和惯导坐标系下的二维坐标/>，按照坐标转换公式，建立最优化问题，计算最优的激光雷达和组合惯导相对位移/>及旋转矩阵/>；
其中，所述；
所述最优化问题数学描述如下：
；
；
所述，是旋转矩阵/>展开为行向量。
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