CN111175725A - 一种车载多线激光雷达自动标定***及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动驾驶环境感知技术领域，具体的说是一种车载多线激光雷达自动标定***及标定方法。该***包括齿条滑轨装置、标定装置、控制装置、激光发射接收装置和滑块装置；所述滑轨装置和滑块装滑动配合；所述标定装置固定在一个滑块装置上；所述激光发射接收装置均固定在两个滑块装置上；所述滑块装置中的控制盒与控制装置无线连接；所述控制装置与激光发射接收装置有线连接；所述控制装置与PC机有线连接。本发明是一种车载多线激光雷达自动标定***及标定方法，能自动精确测定车体坐标系坐标，既不需要人工测量参数，也不需要人工调整标定装置，而且操作简单，标定精度高，标定效率大大提升，适用于批量标定车载激光雷达外参数。
Description
技术领域
本发明属于自动驾驶环境感知技术领域，具体的说是一种车载多线激光雷达自动标定***及标定方法。
背景技术
近年来，随着自动驾驶技术的飞速发展，激光雷达由于其测量精度高、测距范围大以及不受光线变化影响等优点被广泛运用于自动驾驶环境感知，并且随着制造工艺的改进，激光雷达的制造成本逐渐下降，进一步推动激光雷达在自动驾驶技术中被广泛运用。
在自动驾驶***中，激光雷达一般都安装在车辆的顶部。激光雷达在使用时获取的点云数据信息是基于其本身的坐标系的，在自动驾驶***中往往有多个传感器同时采集外部环境信息，为方便处理多个传感器的信息，需要将各个传感器的数据统一到车体坐标系。所以激光雷达在使用之前需要对其进行外参数标定，将其数据信息统一到车体坐标系下便于车辆控制***处理。
现有技术中，常见的激光雷达外参数标定方法主要有传统人工测量标定和标定物测量标定两种方法。传统的人工标定是通过人工利用卷尺等量具测量出激光雷达坐标系原点与车辆坐标系原点之间的横向、纵向及垂向的偏移距离，再利用角度测量仪器测量出激光雷达在车体坐标系下的俯仰角、侧倾角和偏航角。标定物测量标定是利用特定形状的标定板，通过激光雷达扫描标定板得到点云数据，再对标定板进行三维重建，利用几何关系对标定参数进行求解。
传统人工测量标定方法原理简单，但测量的精度受操作者的操作和量具的影响较大，并且在测量时不易确定车体坐标系原点的位置，使得测量结果存在较大误差与不确定性。标定物标定方法所需设备较简单，操作容易，但是标定板的放置位置与车体坐标系有特定要求，调整和移动较难，需要特定调整装置，并且激光雷达对于不同材料、不同颜色的标定板返回的点云强度不同，在三维重建时较难把握控制点的选取，另外，此种方法也难确定车体坐标系，所以这两种方法精度不高，不确定性较大。
发明内容
本发明提供了一种车载多线激光雷达自动标定***及标定方法，能自动精确测定车体坐标系坐标，既不需要人工测量参数，也不需要人工调整标定装置，而且操作简单，标定精度高，标定效率大大提升，适用于批量标定车载激光雷达外参数，解决了现有激光雷达标定技术中存在的较难准确建立车体坐标系、人工测量误差大、标定效率低等缺陷。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种车载多线激光雷达自动标定***，该***包括齿条滑轨装置1、标定装置3、控制装置5、两个激光发射接收装置4和五个滑块装置2；所述滑轨装置1和五个滑块装置2滑动配合；所述标定装置3固定在一个滑块装置2上；两个所述激光发射接收装置4均固定在两个滑块装置2上；所述滑块装置2中的控制盒2-2与控制装置5无线连接；所述控制装置5与激光发射接收装置4有线连接；所述控制装置5与PC机有线连接。
所述齿条滑轨装置1包括横向齿条滑轨1-1、纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3和若干滚轮机构1-4；所述横向齿条滑轨1-1、纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3均为具有齿条结构的T型滑轨；所述横向齿条滑轨1-1的两端固定在水平地面上；所述纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3与横向齿条滑轨1-1垂直并且通过两个滑块装置2滑动配合；所述纵向短齿条滑轨1-3还与一个滑块装置2滑动配合；所述纵向长齿条滑轨1-2还与两个滑块装置2滑动配合；所述纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3的下方设置有若干滚轮机构1-4；所述滚轮机构1-4包括滚轮1-42、轮轴1-43、固定板1-41和电磁锁定装置1-44；所述固定板1-41的上端通过螺钉固定在纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3上；所述滚轮1-42通过轮轴1-43与固定板1-41的两端连接；所述电磁锁定装置1-44包括固定座1-441、回位弹簧1-442、转动轴1-443和摩擦片1-444；所述摩擦片1-444与回位弹簧1-442连接；在非工作状态下，所述摩擦片1-444的下半部分与固定座1-441接触；通电后，所述摩擦片1-444的下半部分离开固定座1-441压紧轮轴1-43，所述摩擦片1-444绕转动轴1-443转动。
所述滑块装置2还包括壳体2-1、步进电机2-3、减速机构2-4、齿轮轴2-5和运动齿轮2-6；所述壳体2-1下端开有与横向齿条滑轨1-1、纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3相配合的滑槽；所述控制盒2-2、步进电机2-3和齿轮轴2-5固定在壳体2-1上；所述减速机构2-4和运动齿轮2-6通过键与齿轮轴2-5连接；所述控制盒2-2与控制装置5通讯连接；所述减速机构2-4包括主动齿轮和与主动齿轮相啮合的从动齿轮；所述步进电机2-3的输出轴与运动齿轮2-6连接；所述运动齿轮2-6的齿形参数与横向齿条滑轨1-1相配合。
所述标定装置3包括标定靶3-1、底座3-2和调整螺母3-3；所述标定靶3-1为相互垂直的三个等腰直角三角形拼接而成，三个面的交点为目标点；所述标定靶3-1的下端为带有精确刻度的支撑杆，支撑杆上设有多个便于固定的环形槽；所述底座3-2的上端设置有支撑杆套，支撑杆套通过调整螺母3-3与支撑杆的环形槽固定；所述底座3-2固定在滑块装置2的顶部。
所述激光发射接收装置4包括激光发射器4-1和激光接收器4-2；所述激光发射器4-1固定在滑块装置2的顶部；所述激光接收器4-2固定在滑块装置2的顶部和底座3-2上。
一种车载多线激光雷达自动标定***的标定方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、测量并建立车体坐标系；
步骤二、调整标定靶3-1至合适高度和方向；
步骤三、移动标定靶3-1，获取多组点云数据以及获取目标点在车体坐标系下的坐标矩阵；
步骤四、处理点云数据得到激光雷达坐标系下目标点的坐标矩阵；
步骤五、构建方程求解标定矩阵。
所述步骤一的具体方法为：
横向齿条滑轨1-1安装固定在地面上，纵向长齿条滑轨1-2和纵向短齿条滑轨1-3间隔大于所标定车辆的宽度；将标定车辆垂直于横向齿条滑轨1-1方向行驶到两条纵向滑轨之间，前轮不超过横向滑轨即可；连接好激光雷达与PC端的数据传输线，控制装置5启动安装于横向齿条滑轨1-1上的两个滑块装置2向中间移动；当纵向长齿条滑轨1-2和纵向短齿条滑轨1-3与车轮外侧贴合时滑块停止运动，同时滚轮机构1-4的电磁锁定装置锁定车轮不让纵向长齿条滑轨1-2和纵向短齿条滑轨1-3移动；然后安装有激光发射器4-1和激光接收器4-2的两个滑块装置2移动到车辆尾部初始位置，初始位置根据车辆长度设定，此时激光发射器4-1与激光接收器4-2在同一直线上；控制装置5再控制两个滑块装置2以相同速度匀速地从初始位置同时向车头方向运动，一直移动到横向齿条滑轨1-1和纵向长齿条滑轨1-2和纵向短齿条滑轨1-3的连接位置；在此过程中，激光发射器4-1一直发射出激光光束到激光接收器4-2，当激光发射器4-1和激光接收器4-2之间被车轮遮挡住时，激光接收器4-2就暂时接收不到激光信号，通过计算遮挡时间间隔可以准确测算出标定车辆的轴距长度，另外通过测量从激光发射器4-1发射激光到接收器4-2接收到激光信号的时间长度，可以计算出车辆宽度，从而可以建立出车体坐标系。
所述步骤二的具体方法为：
调节标定靶3-1上的调整螺母3-3，将标定靶3-1的高度和角度调整到激光雷达能完整的扫描到标定靶3-1三个面的位置。
所述步骤三的具体方法为：
技术人员从PC端发送指令到控制装置5，控制装置5则按照指令控制安装有标定靶3-1的滑块装置2向相应的方向移动指定的距离，在移动过程中通过激光发射器4-1和激光接收器4-2工作来测算标定靶3-1移动的距离及标定靶3-1目标点在车体坐标系下三维坐标；移动完成后滑块装置2通过无线通讯将目标点坐标发送到控制装置5，然后技术人员采集激光雷达的点云数据并从控制装置5获取到相应的目标点在车体坐标系下的坐标；按此方法多次移动标定靶3-1的位置，采集四组或者更多组激光雷达点云数据和车体坐标系下的目标点坐标矩阵X，最后一行补全为1是为了方便求解标定矩阵；
所述步骤四的具体方法为：
将得到的激光雷达点云坐标数据导入Matlab中，利用采用特征值法对点云数据进行处理，拟合出标定靶3-1三个平面在激光雷达坐标系下的方程：
式中，x’,y’,z’为雷达坐标系下的坐标量，A1、B1、C1,A2、B2、C2,A3、B3、C3分别为三个平面方程的系数和常量；
联立以上三个平面方程便可以求解出目标点在激光雷达坐标系下的三维坐标x’，y’，z’；重复此过程便可以求解出四组目标点的坐标数据，从而得到激光雷达坐标系下目标点的坐标矩阵X’；
所述步骤五的具体方法为：
两个三维坐标系相互转换涉及到旋转和平移两种操作，旋转包括绕目标坐标系的X、Y、Z轴的旋转量，平移包括沿目标坐标系X、Y、Z方向上的平移量，将旋转量和平移量整合到一个矩阵中得到旋转平移矩阵，即为所求的标定矩阵；设所求的标定矩阵为R，该矩阵为一个4x4的矩阵，包含12个未知数，通过步骤三和步骤四得到两个坐标矩阵X和X’，按照转换原理得到一组非齐次线性方程组：
式中，a～l为两个坐标系之间旋转和平移变换关系，这些参数没有单位，求解上所述方程组便可以求解出矩阵标定矩阵R。
本发明的有益效果为：
1、通过激光测算建立车体坐标系，能准确的确定出目标点在车体坐标系下的坐标(x,y,z)，避免了人工测量引入较大测量误差，标定***的准确性有一定保证；
2、标定靶3-1采用组合式平面，相比于其他形状的标定物能让激光雷达充分的扫描到标定靶3-1并采集到较多符合要求的点云数据。采用特征值法拟合点云平面得到的精度更高，同时避免了测量偶然性带来的误差。且通过联立平面方程得出目标点在激光雷达坐标系下的三维坐标，避免了传统方法将(x,y)和z解耦分开拟合带来的精度降低问题；
3、通过滑块装置2自动移动标定靶3-1并返回精确的目标点坐标，避免了人工移动带来的不确定误差。且可连续移动，在较短时间内完成多组标定数据采集，大大提高标定的效率；
4、滑轨装置移动灵活，标定效率高，适用于多种车体宽度的标定车辆，可用于批量标定车载激光雷达装置；
5、采用较高精度标准制造的该套标定***，可用于验证其他标定方法、标定算法的正确性，为激光雷达标定算法开发提供验证方法。
附图说明
图1为建立车体坐标系原理图；
图2为自动标定***标定过程示意图；
图3为标定***结构轴侧图；
图4为滚轮机构轴侧图；
图5为锁紧电磁锁定装置剖视图；
图6a为滑块装置的轴测图；
图6b为滑块装置的内部结构示意图；
图7为标定装置结构轴测图。
图中：1、齿条滑轨装置；2、滑块装置；3、标定装置；4、激光发射接收装置；5、控制装置；1-1、横向齿条滑轨；1-2、纵向长齿条滑轨；1-3、纵向短齿条滑轨；1-4、滚轮机构；1-41、固定板；1-42、滚轮；1-43、轮轴；1-44、电磁锁定装置；1-441、固定座；1-442、回位弹簧；1-443、转动轴；1-444、摩擦片；2-1、壳体；2-2、控制盒；2-3、步进电机；2-4、减速机构；2-5、齿轮轴；2-6、运动齿轮；3-1、标定靶；3-2、底座；3-3、调整螺母；4-1、激光发射器；4-2、激光接收器。
具体实施方式
车载激光雷达标定原理：
激光雷达安装固定于车辆顶部，两者的坐标系具有确定的相对位置关系。标定过程就是求解出一个坐标转换矩阵R，使得激光雷达坐标系下的三维坐标能转换到车体坐标系下，从而能让自动驾驶***的上层控制***能根据感知层信息准确控制车辆。
车体坐标系建立的原理：
参阅图1，在该***中，通过两条纵向滑轨贴合车轮外侧保证了建立的车体坐标系纵轴与实际车辆纵向中心线相重合。设由纵向长齿条滑轨1-2和横向齿条滑轨1-1构成的坐标系为O1X1Y1Z1，利用激光发射器4-1和激光接收器4-2从车辆尾部开始，同步地以速度v向前移动，并从初始位置开始计时。在移动过程中由于后轮和前轮的遮挡，激光接收器4-2一端会出现两个接收不到激光信号的时间段，记录下第一个遮挡时间段结束时刻t1到第二个遮挡时间段开始时刻t2以及运动到终点时的时刻t3。并记录下从激光发射器4-1发射出激光开始到接收器接收到激光信号时的时间△t，利用以上测量数据可以计算得出滑轨坐标系O1X1Y1Z1与车体坐标系OXYZ的转换关系：
△x＝C△t/2；△y＝v[t3-(t1+t2)/2]
式中，C为光在真空中的传播速度。
式中，x,y,z为车体坐标系的坐标量，x1,y1,z1为滑轨坐标系的坐标量。
标定***获取目标点数据的工作原理：
激光雷达的激光发射装置发射出激光光束打到标定靶3-1的三个平面后，接收装置接收反射回的激光信号从而得到三个平面的点云坐标数据。得到的点云坐标数据是在激光雷达坐标系下的，再利用Matlab对坐标数据进行处理，通过特征值法以及奇异值分解算法拟合出三个平面的方程，联立三个平面方程即可得出相应的目标点在激光雷达坐标系下的坐标(x’，y’，z’)。
对于目标点在车体坐标系下的坐标，则通过激光发射器4-1和激光接收器4-2测出目标点距离滑轨坐标系原点的距离Δy1,Z1轴坐标为Δz1可由***自动获取。从而得出其在O1X1Y1Z1下的坐标为(0,Δy1，Δz1)，再通过O1X1Y1Z1坐标系与OXYZ坐标系的转换关系得出目标点在车体坐标系下的坐标为(x，y，z)＝(Δx，Δy+Δy1，Δz1)。
移动标定靶3-1位置，重复以上步骤即可得到四组或多组目标点的数据，然后就可进行标定矩阵的求解。
参阅图2，一种车载多线激光雷达自动标定***，该***包括齿条滑轨装置1、标定装置3、控制装置5、两个激光发射接收装置4和五个滑块装置2。激光雷达安装于标定车辆的顶部，标定车辆驶入到车载多线激光雷达自动标定***内适当位置，PC端通过数据传输线分别与激光雷达和标定***的控制装置5连接。
参阅图3、图4、图5，所述齿条滑轨装置1包括横向齿条滑轨1-1、纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3和若干滚轮机构1-4。
所述横向齿条滑轨1-1的两端固定在水平地面上；所述纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3与横向齿条滑轨1-1垂直并且通过两个滑块装置2滑动配合；所述纵向短齿条滑轨1-3还与一个滑块装置2滑动配合；所述纵向长齿条滑轨1-2还与两个滑块装置2滑动配合；所述纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3的下方设置有若干滚轮机构1-4。
所述横向齿条滑轨1-1、纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3的截面为T字型截面，上端加工有齿条结构，滑轨主体部分采用铝合金材料，齿条部分为经过表面处理的合金钢，两个部分通过激光焊接拼接为一个整体。纵向长齿条滑轨1-2和纵向短齿条滑轨1-3则可通过移动滑块装置2左右横向移动。所述滚轮机构1-4包括滚轮1-42、轮轴1-43、固定板1-41和电磁锁定装置1-44，并通过螺钉固定安装在纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3底部；所述电磁锁定装置1-44包括固定座1-441、回位弹簧1-442、转动轴1-443和摩擦片1-444；所述电磁锁定装置1-44的固定座1-441安装在固定板1-41侧面，在纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3移动到指定位置后，电磁锁定装置1-44通电，产生电磁力克服回位弹簧1-442的弹簧拉力使摩擦片1-444绕转动轴1-443转动，使摩擦片1-444下半部分压紧轮轴1-43，此时即锁定滚轮1-42，使纵向齿条滑轨的位置不会因外界扰动发生变化。滑轨整体质量较轻，齿条部分耐磨性好，制造精度有一定要求。
参阅图6a和图6b，所述滑块装置2包括壳体2-1、控制盒2-1、步进电机2-3、减速机构2-4、齿轮轴2-5和运动齿轮2-6，在本***中，共采用五个滑块装置2，用于控制标定靶3-1、激光发射接收装置4和纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3的自动移动。
所述壳体2-1下端开有与横向齿条滑轨1-1、纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3相配合的滑槽；所述控制盒2-2、步进电机2-3和齿轮轴2-5固定在壳体2-1上；所述减速机构2-4和运动齿轮2-6通过键与齿轮轴2-5连接；所述控制盒2-2通过无线通讯接收控制装置5信号从而控制步进电机2-3的转动，并将相应的信息返回控制装置5。所述控制盒2-2为现有技术，包括电机控制芯片STSPIN820和通讯模块SKB369。所述减速机构2-4包括主动齿轮和与主动齿轮相啮合的从动齿轮；所述步进电机2-3的输出轴与运动齿轮2-6连接，将传出的动力传递给运动齿轮2-6；所述运动齿轮2-6的齿形参数与横向齿条滑轨1-1相配合，运动齿轮2-6转动时带动滑块装置2向相应方向移动相应的距离。
参阅图7，所述标定装置3包括标定靶3-1、底座3-2和调整螺母3-3。
所述标定靶3-1为相互垂直的三个等腰直角三角形拼接而成，三个面的交点为目标点；所述标定靶3-1的下端为带有精确刻度的支撑杆，支撑杆上设有多个便于固定的环形槽；所述底座3-2的上端设置有支撑杆套，支撑杆套通过调整螺母3-3与支撑杆的环形槽固定；所述底座3-2通过螺钉固定在滑块装置2的顶部。调整螺母3-3用于调整标定靶3-1的高度和方向，标定人员可根据标定车辆的具体情况调整标定靶3-1至合适高度和方向，便于采集完整的点云数据点信息。
参阅图3、图7，所述激光发射接收装置4包括激光发射器4-1和激光接收器4-2；本***中共采用两套激光发射接收装置4，分别用于测量建立车体坐标系和测量标定靶3-1的位置坐标，两套装置安装固定在相应位置的滑块顶部和标定靶底座上，并且发射器和接收器安装高度相同，安装面相互平行。
参阅图2，所述控制装置5为现有技术，主要包括处理器芯片EPM570IM100C6N、存储器M25P40-VMN6TP和通讯模块SKB369，并设有数据输入输出端口，所述控制装置5安装固定在横向齿条滑轨1-1的右端。所述控制装置5通过无线连接控制滑块装置2按照相应的指令进行移动，通过有线连接控制激光发射接收装置4运行，并接收处理由滑块和激光发射接收装置4传回的数据信息，再通过数据传输线将处理后的数据传输到PC端。所述处理器芯片EPM570IM100C6N和存储器M25P40-VMN6TP对滑块装置2和激光发射装置4传回的数据进行计算处理及存储，同时处理器芯片向滑块装置2和激光发射装置4发送相应的控制命令；所述通讯模块SKB369与滑块控制盒2-2中的通讯模块进行无线连接并通讯，实现控制装置5与滑块装置2之间的双向数据传递功能。
采用上述车载多线激光雷达自动标定***具体标定的方法如下：
步骤一、测量并建立车体坐标系；
横向齿条滑轨1-1安装固定在地面上，纵向长齿条滑轨1-2、纵向短齿条滑轨1-3间隔大于所标定车辆的宽度。将标定车辆垂直于横向齿条滑轨1-1方向行驶到两条纵向滑轨之间，前轮不超过横向滑轨即可。连接好激光雷达与PC端的数据传输线，控制器启动安装于横向齿条滑轨1-1上的两个滑块向中间移动，当两条滑轨与车轮外侧贴合时滑块停止运动，同时滚轮上的电磁锁定装置锁定车轮不让滑轨移动。然后安装有激光发射器4-1和激光接收器4-2的两个滑块装置2移动到车辆尾部初始位置，初始位置可以根据车辆长度设定，此时激光发射器4-1与激光接收器4-2在同一直线上。控制装置5再控制两个滑块装置2以相同速度匀速地从初始位置同时向车头方向运动，一直移动到横向齿条滑轨1-1和两条纵向齿条滑轨的连接位置。在此过程中，激光发射器4-1一直发射出激光光束到激光接收器4-2，当激光发射器4-1和激光接收器4-2之间被车轮遮挡住时，激光接收器4-2就暂时接收不到激光信号，通过计算遮挡时间间隔可以准确测算出标定车辆的轴距长度，另外通过测量激光发射器4-1发射出激光到激光接收器4-2接收到激光信号的时间长度，可以计算出车辆宽度，从而可以建立出车体坐标系。
步骤二、调整标定靶3-1至合适高度和方向；
调节标定靶3-1上的调整螺母3-3，将标定靶3-1的高度和角度调整到激光雷达能基本完整的扫描到标定靶3-1三个面的位置。
步骤三、移动标定靶3-1，获取多组点云数据和目标点在车体坐标系下的坐标矩阵；
技术人员从PC端发送指令到控制装置5，控制装置5则按照指令控制安装有标定靶3-1的滑块向相应的方向移动指定的距离，在移动过程中通过激光发射器4-1和激光接收器4-2工作来测算标定靶3-1移动的距离及标定靶3-1目标点在车体坐标系下三维坐标。移动完成后滑块通过无线通讯将目标点坐标发送到控制装置5，然后技术人员采集激光雷达的点云数据并从控制装置5获取到相应的目标点在车体坐标系下的坐标。按此方法多次移动标定靶3-1的位置，采集四组或者更多组激光雷达点云数据和车体坐标系下的目标点坐标矩阵X，最后一行补全为1是为了方便求解标定矩阵。
步骤四、处理点云数据得到激光雷达坐标系下目标点的坐标矩阵；
将得到的激光雷达点云坐标数据导入Matlab中，利用采用特征值法对点云数据进行处理，拟合出标定靶3-1三个平面在激光雷达坐标系下的方程：
式中，x’,y’,z’为雷达坐标系下的坐标量，A1、B1、C1,A2、B2、C2,A3、B3、C3分别为三个平面方程的系数和常量；
联立以上三个平面方程便可以求解出目标点在激光雷达坐标系下的三维坐标(x’，y’，z’)。重复此过程便可以求解出四组目标点数据的坐标，从而得到激光雷达坐标系下目标点的坐标矩阵X’。
步骤五、构建方程求解标定矩阵。
两个三维坐标系相互转换涉及到旋转和平移两种操作，旋转包括绕目标坐标系的X、Y、Z轴的旋转量，平移包括沿目标坐标系X、Y、Z方向上的平移量，将旋转量和平移量整合到一个矩阵中得到旋转平移矩阵，即为所求的标定矩阵。设所求的标定矩阵为R，该矩阵为一个4x4的矩阵，包含12个未知数，通过步骤三和步骤四得到两个坐标矩阵X和X’，按照转换原理得到一组非齐次线性方程组。
式中，a～l为两个坐标系之间旋转和平移变换关系，这些参数没有单位，求解上所述方程组便可以求解出矩阵标定矩阵R。
Claims (7)
1.一种车载多线激光雷达自动标定***，其特征在于，该***包括齿条滑轨装置(1)、标定装置(3)、控制装置(5)、两个激光发射接收装置(4)和五个滑块装置(2)；所述滑轨装置(1)和五个滑块装置(2)滑动配合；所述标定装置(3)固定在一个滑块装置(2)上；两个所述激光发射接收装置(4)均固定在两个滑块装置(2)上；所述滑块装置(2)中的控制盒(2-2)与控制装置(5)无线连接；所述控制装置(5)与激光发射接收装置(4)有线连接；所述控制装置(5)与PC机有线连接。
2.根据权利要求1所述的一种车载多线激光雷达自动标定***，其特征在于，所述齿条滑轨装置(1)包括横向齿条滑轨(1-1)、纵向长齿条滑轨(1-2)、纵向短齿条滑轨(1-3)和若干滚轮机构(1-4)；所述横向齿条滑轨(1-1)、纵向长齿条滑轨(1-2)、纵向短齿条滑轨(1-3)均为具有齿条结构的T型滑轨；所述横向齿条滑轨(1-1)的两端固定在水平地面上；所述纵向长齿条滑轨(1-2)、纵向短齿条滑轨(1-3)与横向齿条滑轨(1-1)垂直并且通过两个滑块装置(2)滑动配合；所述纵向短齿条滑轨(1-3)还与一个滑块装置(2)滑动配合；所述纵向长齿条滑轨(1-2)还与两个滑块装置(2)滑动配合；所述纵向长齿条滑轨(1-2)、纵向短齿条滑轨(1-3)的下方设置有若干滚轮机构(1-4)；所述滚轮机构(1-4)包括滚轮(1-42)、轮轴(1-43)、固定板(1-41)和电磁锁定装置(1-44)；所述固定板(1-41)的上端通过螺钉固定在纵向长齿条滑轨(1-2)、纵向短齿条滑轨(1-3)上；所述滚轮(1-42)通过轮轴(1-43)与固定板(1-41)的两端连接；所述电磁锁定装置(1-44)包括固定座(1-441)、回位弹簧(1-442)、转动轴(1-443)和摩擦片(1-444)；所述摩擦片(1-444)与回位弹簧(1-442)连接；在非工作状态下，所述摩擦片(1-444)的下半部分与固定座(1-441)接触；通电后，所述摩擦片(1-444)的下半部分离开固定座(1-441)压紧轮轴(1-43)，所述摩擦片(1-444)绕转动轴(1-443)转动。
3.根据权利要求1所述的一种车载多线激光雷达自动标定***，其特征在于，所述滑块装置(2)还包括壳体(2-1)、步进电机(2-3)、减速机构(2-4)、齿轮轴(2-5)和运动齿轮(2-6)；所述壳体(2-1)下端开有与横向齿条滑轨(1-1)、纵向长齿条滑轨(1-2)、纵向短齿条滑轨(1-3)相配合的滑槽；所述控制盒(2-2)、步进电机(2-3)和齿轮轴(2-5)固定在壳体(2-1)上；所述减速机构(2-4)和运动齿轮(2-6)通过键与齿轮轴(2-5)连接；所述控制盒(2-2)与控制装置(5)通讯连接；所述减速机构(2-4)包括主动齿轮和与主动齿轮相啮合的从动齿轮；所述步进电机(2-3)的输出轴与运动齿轮(2-6)连接；所述运动齿轮(2-6)的齿形参数与横向齿条滑轨(1-1)相配合。
4.根据权利要求1所述的一种车载多线激光雷达自动标定***，其特征在于，所述标定装置(3)包括标定靶(3-1)、底座(3-2)和调整螺母(3-3)；所述标定靶(3-1)为相互垂直的三个等腰直角三角形拼接而成，三个面的交点为目标点；所述标定靶(3-1)的下端为带有精确刻度的支撑杆，支撑杆上设有多个便于固定的环形槽；所述底座(3-2)的上端设置有支撑杆套，支撑杆套通过调整螺母(3-3)与支撑杆的环形槽固定；所述底座(3-2)固定在滑块装置(2)的顶部。
5.根据权利要求1所述的一种车载多线激光雷达自动标定***，其特征在于，所述激光发射接收装置(4)包括激光发射器(4-1)和激光接收器(4-2)；所述激光发射器(4-1)固定在滑块装置(2)的顶部；所述激光接收器(4-2)固定在滑块(2)的顶部和底座(3-2)上。
6.根据权利要求1—5任意一项所述的一种车载多线激光雷达自动标定***的标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、测量并建立车体坐标系；
步骤二、调整标定靶(3-1)至合适高度和方向；
步骤三、移动标定靶(3-1)，获取多组点云数据以及获取目标点在车体坐标系下的坐标矩阵；
步骤四、处理点云数据得到激光雷达坐标系下目标点的坐标矩阵；
步骤五、构建方程求解标定矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种车载多线激光雷达自动标定***的标定方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法为：
横向齿条滑轨(1-1)安装固定在地面上，纵向长齿条滑轨(1-2)和纵向短齿条滑轨(1-3)间隔大于所标定车辆的宽度；将标定车辆垂直于横向齿条滑轨(1-1)方向行驶到两条纵向滑轨之间，前轮不超过横向滑轨即可；连接好激光雷达与PC端的数据传输线，控制装置(5)启动安装于横向齿条滑轨(1-1)上的两个滑块装置(2)向中间移动；当纵向长齿条滑轨(1-2)和纵向短齿条滑轨(1-3)与车轮外侧贴合时滑块停止运动，同时滚轮机构(1-4)的电磁锁定装置(1-44)锁定车轮不让纵向长齿条滑轨(1-2)和纵向短齿条滑轨(1-3)移动；然后安装有激光发射器(4-1)和激光接收器(4-2)的两个滑块装置(2)移动到车辆尾部初始位置，初始位置根据车辆长度设定，此时激光发射器(4-1)与激光接收器(4-2)在同一直线上；控制装置(5)再控制两个滑块装置(2)以相同速度匀速地从初始位置同时向车头方向运动，一直移动到横向齿条滑轨(1-1)和纵向长齿条滑轨(1-2)和纵向短齿条滑轨(1-3)的连接位置；在此过程中，激光发射器(4-1)一直发射出激光光束到激光接收器(4-2)，当激光发射器(4-1)和激光接收器(4-2)之间被车轮遮挡住时，激光接收器(4-2)就暂时接收不到激光信号，通过计算遮挡时间间隔可以准确测算出标定车辆的轴距长度，通过测量从激光发射器4-1发射激光到接收器4-2接收到激光信号的时间长度，可以计算出车辆宽度，从而可以建立出车体坐标系；
所述步骤二的具体方法为：
调节标定靶(3-1)上的调整螺母(3-3)，将标定靶(3-1)的高度和角度调整到激光雷达能完整的扫描到标定靶(3-1)三个面的位置；
所述步骤三的具体方法为：
技术人员从PC端发送指令到控制装置(5)，控制装置(5)则按照指令控制安装有标定靶(3-1)的滑块装置(2)向相应的方向移动指定的距离，在移动过程中通过激光发射器(4-1)和激光接收器(4-2)工作来测算标定靶(3-1)移动的距离及标定靶(3-1)目标点在车体坐标系下三维坐标；移动完成后滑块装置(2)通过无线通讯将目标点坐标发送到控制装置(5)，然后技术人员采集激光雷达的点云数据并从控制装置(5)获取到相应的目标点在车体坐标系下的坐标；按此方法多次移动标定靶(3-1)的位置，采集四组或者更多组激光雷达点云数据和车体坐标系下的目标点坐标矩阵X，最后一行补全为1是为了方便求解标定矩阵；
所述步骤四的具体方法为：
将得到的激光雷达点云坐标数据导入Matlab中，利用采用特征值法对点云数据进行处理，拟合出标定靶(3-1)三个平面在激光雷达坐标系下的方程：
式中，x’,y’,z’为雷达坐标系下的坐标量，A1、B1、C1,A2、B2、C2,A3、B3、C3分别为三个平面方程的系数和常量；
联立以上三个平面方程便可以求解出目标点在激光雷达坐标系下的三维坐标(x’，y’，z’)；重复此过程便可以求解出四组目标点的坐标数据，从而得到激光雷达坐标系下目标点的坐标矩阵X’；
所述步骤五的具体方法为：
两个三维坐标系相互转换涉及到旋转和平移两种操作，旋转包括绕目标坐标系的X、Y、Z轴的旋转量，平移包括沿目标坐标系X、Y、Z方向上的平移量，将旋转量和平移量整合到一个矩阵中得到旋转平移矩阵，即为所求的标定矩阵；设所求的标定矩阵为R，该矩阵为一个4x4的矩阵，包含12个未知数，通过步骤三和步骤四得到两个坐标矩阵X和X’，按照转换原理得到一组非齐次线性方程组：
式中，a～l为两个坐标系之间旋转和平移变换关系，这些参数没有单位，求解上所述方程组便可以求解出矩阵标定矩阵R。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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