CN206740970U - 一种多线激光雷达的标定装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于智能车环境感知技术领域，具体的说是一种多线激光雷达的标定装置和方法。该装置包括标定板、标定杆、转盘、弹簧锁止机构、端盖、轴承、滚珠以及底座；其中标定板卡在标定杆的上端；标定杆的下端与转盘螺纹连接；转盘卡在底座的环形凹槽内并且与底座通过弹簧锁止机构固定；轴承设置在底座和转盘的轴承孔之间并且与转盘过盈配合；端盖设置在转盘上，并且通过螺栓固定在底座的中心轴上；螺栓与端盖之间设置有垫片。本实用新型是一种针对旋转式64线激光雷达的方便高效的标定装置及方法，能对扫描点的三维坐标同时进行精确标定；解决了现有激光雷达难以确定激光扫描点实际位置坐标、扫描轨迹形状离散复杂以及标定过程繁琐的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于智能车环境感知技术领域，具体的说是一种针对旋转式64线的多线激光雷达的标定装置。
背景技术
作为智能车环境感知硬件系统的重要一环，激光雷达在自动驾驶中承担了路沿检测、障碍物识别以及实时定位与绘图(SLAM)等重要任务。由于具有测量速度快、精度高和测距远等优点，激光雷达在智能车上得到了广泛应用。在实际应用中，对激光雷达的标定是否准确，将会对智能车的感知、定位以至上层决策规划产生重大影响。因此有必要设计合理的方案来对三维激光雷达进行准确、可靠的标定。通常激光雷达采用的是波长在905nm左右的近红外激光，扫描线不可见，因此无法像普通标定方案那样用肉眼直接确定扫描点的具体方位；同时，基于旋转扫描式的激光雷达某一线束在任意平面内扫描出的轨迹形状都为离散的圆锥曲线，如水平面上扫描出的轨迹是离散圆，竖直面上扫描出的轨迹是离散抛物线，因此难以通过确定轨迹精确表达式的方式来推测扫描点和雷达硬件在雷达坐标系中的位置坐标以进行标定。因而目前对于旋转式64线激光雷达的标定工作大都是将三维空间坐标分开进行的，过程费时并且结果较为粗略。
发明内容
本实用新型是一种针对旋转式64线激光雷达的方便高效的标定装置，能对扫描点的三维坐标同时进行精确标定；解决了现有激光雷达难以确定激光扫描点实际位置坐标、扫描轨迹形状离散复杂以及标定过程繁琐的问题。
本实用新型技术方案结合附图说明如下：
一种多线激光雷达的标定装置，该装置包括标定板5-1、标定杆5-2、转盘5-3、弹簧锁止机构、螺栓5-7、垫片5-8、端盖5-9、轴承5-10、滚珠5-11以及底座5-12；其中所述的标定板5-1卡在标定杆5-2的上端；所述的标定杆5-2的下端与转盘5-3螺纹连接；所述的转盘5-3卡在底座5-12的环形凹槽内并且与底座5-12通过弹簧锁止机构固定；所述的轴承5-10设置在底座5-12和转盘5-3的轴承孔5-3-5之间并且与转盘5-3过盈配合；所述的端盖5-9设置在转盘5-3上，并且通过螺栓5-7固定在底座5-12的中心轴上；所述的螺栓5-7与端盖5-9之间设置有垫片5-8；所述的滚珠5-11设置在转盘5-3和底座5-12之间。
所述的标定板5-1为正三角形，三个角的下端设置有圆形凸台；所述的标定杆5-2的上端开有沉陷孔，该沉陷孔与标定板5-1的圆形凸台相配合；所述的标定杆5-2的下端有内螺纹孔；所述的转盘5-3为圆形，其外缘均匀分布张角为60°、深度在2mm左右的齿槽5-3-1；所述的转盘5-3的下部外侧区域加工有截面为等半径劣弧的沟道5-3-2，所述的滚珠5-11的上端设置在沟道5-3-2内；所述的转盘5-3的下部的内侧加工有环形凹槽5-3-3；所述的转盘5-3的上表面外缘处设置有呈正三角形分布的三个外螺纹短杆5-3-4，所述的外螺纹短杆5-3-4与标定杆5-2的内螺纹孔螺纹连接；所述的转盘5-3的中心为轴承孔5-3-5。
所述的弹簧锁止机构包括锁止杆5-4、弹簧5-5和锁止手柄5-6；所述的锁止杆5-4的一端带有外螺纹，并且与锁止手柄5-6连接；所述的锁止杆5-4的另一端为60°角的锥面，该锥面在弹簧5-5的作用力下卡在转盘5-3的齿槽5-3-1中。
所述的端盖5-9中央设置有三个通孔，
所述的底座5-12的底面形状为正方形，其外部一侧设有安装弹簧锁止机构的安装孔，其下部有四个圆柱形支撑脚，上表面加工出环形凹槽；所述的环形凹槽底部有六个等大小的半球坑，这些半球坑等间隔地分布在同一个圆上，并与转盘5-3底部环形沟道5-3-2的位置、大小相对应；所述的滚珠5-11的下端设置在半球坑内；所述的底座5-12的中间设有凹槽，凹槽的中间设有中心轴，中心轴的高度高于底座5-12外围1mm，所述的中心轴的顶部设置有三个与端盖5-9螺纹连接的螺纹孔。
本实用新型的有益效果为：
1.由于激光雷达的角分辨率有限，在一般的标定过程中往往需要反复调整标定杆的位置，而转盘的加入则可以方便地调整细长杆在水平面的位置，从而较快获得理想的标定数据点；
2.圆形转盘配合齿槽固定转角的设计可以方便地得到杆的实际水平坐标，因此只需进行一次对转盘中心位置的测量，之后标定杆的水平坐标即可以此为圆心经过计算得到，精度和效率都得到提高；
3.通过拟合雷达扫描点信息求得某一已知点在雷达坐标系下的坐标，这种方法可以一次性同时得到点在雷达坐标系中的全部(x,y,z)三维坐标，不仅避免了传统将(x,y)与z分开拟合这种强行解耦的方式可能会带来的精度降低的问题，而且步骤减少，测量周期短；标定杆以正三角形分布的设计有时可以一次性得到两组这样的交点的数据，这时效率进一步提高；采用多点拟合的方法可以充分利用已经内标定好了雷达坐标系信息并放大标定点在两种坐标系下的坐标误差(设出厂时已经得到了足够精确的内标定)，同时减小测量偶然性带来的误差，提高了标定的精度。
附图说明
图1为标定系统的结构示意图；
图2为标定装置的轴测图；
图3为标定装置的爆炸图；
图4为标定装置的剖视图；
图5为标定板的轴测图；
图6为标定杆的剖视图；
图7为转盘的轴测图。
图中：1、激光雷达；2、通讯线束；3、PC；4、搭载激光雷达的车辆；5、标定装置；5-1、标定板；5-2、标定杆；5-3、转盘；5-4、锁止杆；5-5、锁止弹簧；5-6、锁止手柄；5-7、螺栓；5-8、垫片；5-9、端盖；5-10、轴承；5-11、滚珠；5-12、底座；5-3-1、齿槽；5-3-2、沟道；5-3-3、凹槽；5-3-4、外螺纹短杆；5-3-5、轴承孔。
具体实施方式
激光雷达的标定原理：
因为激光雷达1与车辆4固连在一起，因此分别固结于两者之上的雷达坐标系和车辆坐标系具有确定的相对位置关系。标定的过程即是寻求合适的坐标转换矩阵T，使得激光雷达输出的物体在雷达坐标系下的三维坐标能转换成车辆坐标系下的三维坐标，供智能车上层模块调用。标定过程分为三个步骤：获取雷达输出的雷达坐标系数据、获取标定点的实际位置数据，以及标定矩阵的求解。
标定装置获取标定点数据的工作原理：
以往在利用垂直于水平地面的竖直细杆进行标定时，由于雷达扫描到的杆上的点就位于杆上，因此我们可以通过实际测量以及装置的尺寸参数来确定该扫描点在实际车辆坐标系下的水平坐标，但这种方式不能得到该扫描点在车辆坐标系下的具体竖坐标；同样地，利用建立的水平面进行标定时，由于雷达扫描到的面上的点就位于该水平面上，因此我们也可以通过装置水平面的已知高度来确定扫描点在实际车辆坐标系下的竖坐标，但无法得知扫描点在车辆坐标系下的具体水平坐标。为了能同时获取扫描点的雷达坐标系三维坐标以及对应实际位置的车辆坐标系三维坐标，所设计的标定装置将两者的特点结合，根据提取的部分雷达点云数据信息拟合出杆线、水平面的在雷达坐标系下的数学表达式，经过联立求解得到线面交点在雷达坐标系下的三维坐标，并将这一线面交点作为标定点。该点在车辆坐标系下的坐标根据装置的中心位置和尺寸参数是易于得到的，经过计算即可得到一组两坐标系下对应标定点的坐标数据。
参阅图1，一种多线激光雷达的标定系统，该标定系统包括旋转式64线激光雷达1、通讯线束2、PC3、搭载雷达的车辆4以及标定装置5。
参阅图2、图4，标定装置5包括标定板5-1、标定杆5-2、转盘5-3、弹簧锁止机构、螺栓5-7、垫片5-8、端盖5-9、轴承5-10、滚珠5-11以及底座5-12；其中所述的标定板5-1卡在标定杆5-2的上端；所述的标定杆5-2的下端与转盘5-3螺纹连接；所述的转盘5-3卡在底座5-12的环形凹槽内并且与底座5-12通过弹簧锁止机构固定；所述的轴承5-10设置在底座5-12和转盘5-3的轴承孔5-3-5之间并且与转盘5-3过盈配合；所述的端盖5-9设置在转盘5-3上，并且通过螺栓5-7固定在底座5-12的中心轴上；所述的螺栓5-7与端盖5-9之间设置有垫片5-8；所述的滚珠5-11设置在转盘5-3和底座5-12之间。
参阅图2—图7，所述的标定板5-1为正三角形，三个角的下端设置有圆形凸台，并且三个角做了圆角处理，目的在于减小对雷达激光束的遮挡，以便于更快地寻找到符合要求的、落在标定杆5-2上的激光点；三个标定杆5-2都为相同的细长杆，所述的标定杆5-2的上端开有沉陷孔；标定板5-1下方的圆形凸台与标定杆5-2顶部的沉陷孔对应，使之能配合安装，将标定板5-1安装在标定杆5-2上方，形成供激光雷达扫描垂向高度的水平面。所述的标定杆5-2的下端有内螺纹孔，用以竖直连接转盘5-3上部的外螺纹短杆，并实时调节顶部标定板5-1的水平度，来得到实际位置保持水平的标定平面。
参阅图2、图3、图4、图7，所述的转盘5-3为圆形，其外缘均匀分布张角为60°、深度在2mm左右的齿槽5-3-1，用以配合弹簧限位装置；所述的转盘5-3靠近外侧区域加工出与底座半球孔径向位置对应的、截面为等半径劣弧的沟道5-3-2，用以与滚珠5-11配合，减小转盘5-3转动时的摩擦；转盘5-3下部内侧加工出环形凹槽5-3-3，目的是减轻转盘5-3的重量；转盘5-3上表面接近外缘处设有呈正三角形分布的三个外螺纹短杆5-3-4，用以与标定杆5-2连接；转盘5-3中心为轴承孔5-3-5与本实用新型中采用的圆柱滚子轴承5-10进行过盈配合安装。此外，考虑到标定过程中计算转盘转动5-3角度的方便，在转5-3盘的加工过程中将某一齿作为一号齿，将其与某一外螺纹短杆的中心位置径向对齐，并以一定间隔角度(如0.5°)来加工转盘5-3的周向齿槽5-3-1。
参阅图3，所述的弹簧锁止机构包括锁止杆5-4、弹簧5-5和锁止手柄5-6，并配合底座5-3上的锁止机构安装孔；所述的锁止杆5-4的一端带有外螺纹，用以与锁止手柄5-6连接；所述的锁止杆5-4的另一端为60°角的锥面，该锥面在弹簧5-5的作用力下卡在转盘5-3的齿槽5-3-1中，起到将转盘5-3锁止在合适旋转角度的作用。
参阅图3，图4、所述的端盖5-9中央有三个与转盘5-3中心螺纹孔位置对应的通孔，端盖5-9通过螺栓5-7固连到底座5-12中心轴上，起到对轴承5-10的轴向定位和对转盘的轴向限位作用。
圆柱滚子轴承5-10安装在底座5-12中间轴和转盘5-3上的轴承孔之间，起到减小转盘转动摩擦以及限制转盘径向位移的作用。
滚珠5-11在转盘5-3和底座5-12之间起到支撑并减小摩擦的作用。
参阅图2、图3、图4，所述的底座5-12的底面形状为正方形，其外部一侧设有安装弹簧锁止机构的安装孔，其下部有四个圆柱形支撑脚，上表面加工出环形凹槽，用以安装转盘5-3；所述的环形凹槽底部有六个等大小的半球坑，这些半球坑等间隔地分布在同一个圆上，并与转盘5-3底部环形沟道5-3-2的位置、大小相对应，用以安装滚珠5-11；所述的滚珠5-11的下端设置在半球坑内；所述的底座5-12的中间设有凹槽，凹槽的中间设有中心轴，中心轴的高度高于底座5-12外围1mm左右，该轴作为转盘5-3的转动中心轴，并限制转盘5-3的径向位移；所述的中心轴的顶部设置有三个与端盖5-9螺纹连接的螺纹孔。
除弹簧5-5、轴承5-10等特殊部件外，装置的主体部件均采用铝合金材质。
在装配的过程中，采用如下装配顺序：
1.将标定装置的底座5-12置于水平地面上；
2.将六个滚珠5-11放入底座5-12的半球坑内；
3.将锁止弹簧5-5套在锁止杆5-6有外螺纹的一侧，两者一同从底座5-12的锁止机构安装孔的内侧穿过，并通过锁止杆5-6有外螺纹的一端在底座5-12的外侧与锁止手柄进行螺纹连接，形成锁止机构；
4.轴承5-10以过盈配合的形式安装在转盘5-3的轴承孔5-3-5内，轴承5-10与转盘5-3一同安装在底座5-12的中心轴上，此时滚珠5-11的上半部分应恰好位于转盘5-3下部的沟道5-3-2内。转动转盘，使锁止杆5-4的锥面端插入前文所述一号齿对应的齿槽中；
5.利用螺纹连接，将标定杆5-2竖直安装在转盘5-3上；
6.利用标定杆5-2上部的沉陷孔，将标定板5-1安装在三根标定杆5-2的顶部；
7.调整标定杆5-2下部的螺纹连接，使标定板5-1的上表面成为一个水平表面。
利用上述多线激光雷达的标定装置的具体标定方法如下：
步骤一、确定标定装置的中心位置，并将标定板5-1调整至水平位置；
设激光雷达坐标系为OXlYlZl，车辆坐标系为OXvYvZv，在标定工作开始前，首先将多线激光雷达的标定装置置于水平地面上，并测量得到底座5-2中心在车辆坐标系下的实际坐标xv,yv,0，同时为了能方便地确定落在标定板5-1上的激光点在车辆坐标系下的竖坐标zv，也即标定板5-1离地面的实际高度，需要先将标定板5-1调整至完全水平的位置，由于标定杆5-2和转盘5-3之间采用螺纹连接，因此可以通过旋转三根标定杆5-2来分别调整上面标定板5-1三个角的高度，再结合水平仪进行判断，使其上部的标定板5-1达到水平；
步骤二、调整转盘5-3角度，获取合适的雷达点云数据；
转动转盘，同时在PC端对雷达输出结果进行观察，当在雷达输出结果中能够观察到一组同时落在同一根标定杆(5-2)上的点时，利用弹簧锁止机构锁定当前角位置。这样一组点通常包含两至三个，通过雷达反馈回的信息可以知道这一组点在雷达坐标系下的坐标，分别记为xl1a,yl1a,zl1a、xl1b,yl1b,zl1b乃至xl1c,yl1c,zl1c，同时，通过计数转盘在转动过程中转过的齿数，将其乘以齿槽的固定间隔角度，或者采用事先在底座5-12上标出角度刻度的方法，计算得到此时转盘5-3转过的角度θ1；
步骤三、分别拟合雷达坐标系下标定板5-1所在平面和标定杆5-2所在直线的表达式，求实际标定板5-1和标定杆5-2的交点在雷达坐标系下的坐标；
在标定过程中，激光雷达1分别获取了一组落在标定板5-1的扫描点坐标信息(xl1i,yl1i,zl1i)(i＝0,1,2,…)，和一组落在标定杆5-2上的扫描点坐标信息(xl1a,yl1a,zl1a)、(xl1b,yl1b,zl1b)乃至(xl1c,yl1c,zl1c)，利用最小二乘法对这两组信息分别进行拟合，可以得到雷达坐标系OXlYlZl下标定杆5-2所在空间直线的方程
式中，x,y,z为雷达坐标系下的空间坐标变量，x1,y1,z1,和m1,n1,p1为空间直线的拟合参数。x,y,z,x1,y1,z1的单位为m，参数m1,n1,p没有单位。
以及标定板5-1所在空间平面的方程
a1x+b1y+c1z+d1＝0
式中，x,y,z为雷达坐标系下的空间坐标变量，单位m，而a1,b1,c1,d1为空间平面的拟合参数，没有单位。
将这组“线-面”方程联立求解，就计算得到了该线-面交点在雷达坐标系中的三维坐标(xl1,yl1,zl1)；
步骤四、测量得出上述线-面交点在车辆坐标系下的坐标；
在步骤三中我们通过计算的方式得到了一个线-面交点在雷达坐标系下的坐标，与此同时，该交点在车辆坐标系OXvYvZv下的坐标是可以根据转盘5-3转动角度θ1以及标定装置的几何尺寸直接计算得到的：在步骤一中，装置中心在车辆坐标系下的位置坐标(xv,yv,0)已知，标定杆5-2位于以装置中心为圆心，半径r已知的圆上，标定板高度h同样已知，因此，上述“线-面”交点在车辆坐标系下的坐标(xv1,yv1,zv1)＝(xv+rsinθ1,yv+rcosθ1,h)；
步骤五、重复步骤二—步骤四，获得多组数据，并构建方程组求解标定矩阵。
在步骤三、四中，我们得到了一组可以用于建立坐标转移矩阵方程的数据点，并得到一个齐次坐标方程：
式中，(xv1,yv1,zv1,1)和(xl1,yl1,zl1,1)分别为前面得到的“线-面”交点在车辆坐标系下空间坐标的齐次坐标和该交点在雷达坐标系中空间坐标的齐次坐标，方程右边第一项即为待求的坐标转移矩阵T，由坐标变换矩阵相关知识可知，矩阵T中的待求参数a～i表征两个坐标系之间的比例、错切和旋转变换关系，待求参数m～p则表征两坐标系之间的平移量关系，这些参数没有单位；
由于一次测量可以建立x、y、z三个方向上的共三个方程，而待定的标定矩阵共有12个未知数，因此需要进行至少四次步骤二～四的工作：继续转动转盘5-3寻求其他合适的扫描点，或者调整标定装置与车辆间的距离，重复步骤二～四，建立四组乃至更多个方程组，组成超定方程组，利用PC端软件进行最小二乘法求解，即可计算得出坐标转移矩阵T中各项参数的值，从而确定标定矩阵T，在之后的实际应用中，将矩阵T与雷达输出三维坐标相乘，即可得到对应点在车辆坐标系下的实际三维坐标。
Claims (5)
1.一种多线激光雷达的标定装置，其特征在于，该装置包括标定板(5-1)、标定杆(5-2)、转盘(5-3)、弹簧锁止机构、螺栓(5-7)、垫片(5-8)、端盖(5-9)、轴承(5-10)、滚珠(5-11)以及底座(5-12)；其中所述的标定板(5-1)卡在标定杆(5-2)的上端；所述的标定杆(5-2)的下端与转盘(5-3)螺纹连接；所述的转盘(5-3)卡在底座(5-12)的环形凹槽内并且与底座(5-12)通过弹簧锁止机构固定；所述的轴承(5-10)设置在底座(5-12)和转盘(5-3)的轴承孔(5-3-5)之间并且与转盘(5-3)过盈配合；所述的端盖(5-9)设置在转盘(5-3)上，并且通过螺栓(5-7)固定在底座(5-12)的中心轴上；所述的螺栓(5-7)与端盖(5-9)之间设置有垫片(5-8)；所述的滚珠(5-11)设置在转盘(5-3)和底座(5-12)之间。
2.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达的标定装置，其特征在于，所述的标定板(5-1)为正三角形，三个角的下端设置有圆形凸台；所述的标定杆(5-2)的上端开有沉陷孔，该沉陷孔与标定板(5-1)的圆形凸台相配合；所述的标定杆(5-2)的下端有内螺纹孔；所述的转盘(5-3)为圆形，其外缘均匀分布张角为60°、深度在2mm左右的齿槽(5-3-1)；所述的转盘(5-3)的下部外侧区域加工有截面为等半径劣弧的沟道(5-3-2)，所述的滚珠(5-11)的上端设置在沟道(5-3-2)内；所述的转盘(5-3)的下部的内侧加工有环形凹槽(5-3-3)；所述的转盘(5-3)的上表面外缘处设置有呈正三角形分布的三个外螺纹短杆(5-3-4)，所述的外螺纹短杆(5-3-4)与标定杆(5-2)的内螺纹孔螺纹连接；所述的转盘(5-3)的中心为轴承孔(5-3-5)。
3.根据权利要求2所述的一种多线激光雷达的标定装置，其特征在于，所述的弹簧锁止机构包括锁止杆(5-4)、弹簧(5-5)和锁止手柄(5-6)；所述的锁止杆(5-4)的一端带有外螺纹，并且与锁止手柄(5-6)连接；所述的锁止杆(5-4)的另一端为60°角的锥面，该锥面在弹簧(5-5)的作用力下卡在转盘(5-3)的齿槽(5-3-1)中。
4.根据权利要求2所述的一种多线激光雷达的标定装置，其特征在于，所述的端盖(5-9)中央设置有三个通孔。
5.根据权利要求4所述的一种多线激光雷达的标定装置，其特征在于，所述的底座(5-12)的底面形状为正方形，其外部一侧设有安装弹簧锁止机构的安装孔，其下部有四个圆柱形支撑脚，上表面加工出环形凹槽；所述的环形凹槽底部有六个等大小的半球坑，这些半球坑等间隔地分布在同一个圆上，并与转盘(5-3)底部环形沟道沟道(5-3-2)的位置、大小相对应；所述的滚珠(5-11)的下端设置在半球坑内；所述的底座(5-12)的中间设有凹槽，凹槽的中间设有中心轴，中心轴的高度高于底座(5-12)外围1mm，所述的中心轴的顶部设置有三个与端盖(5-9)螺纹连接的螺纹孔。
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