CN114624683A - 一种激光雷达外置旋转轴的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达标定技术领域，具体公开了一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，包括以下步骤：S1：建立激光雷达坐标系与旋转轴所在坐标系的转换关系；S2：对旋转轴进行标定，S2.1：选取ROI；S2.2：迭代优化ROI墙厚，获得旋转轴向量：设置旋转轴向量a、b的区间范围，[a₀‑δ，a₀+δ]，[b₀‑δ，b₀+δ]；将a和b的区间范围等分，并进行排列组合；计算得到多个ROI的厚度总和H_i；对多个ROI的厚度总和H_i进行排序，得到H_min,此时对应的a和b的值为a_min和b_min；判断以下条件是否都不满足：①H_min≤H’，②β≤P；若至少满足一个条件，则取a_min和b_min为旋转轴向量u的a和b的值；若均不满足，则重新设置β的区间范围。本发明从面特征出发，有效解决激光雷达的外置旋转轴的标定精度问题，大大提升激光雷达外置旋转轴的标定精度。

Description

一种激光雷达外置旋转轴的标定方法

技术领域

本发明属于雷达标定技术领域，尤其涉及一种激光雷达外置旋转轴的标定方法。

背景技术

近年来，随着无人自动驾驶、无人机自动测绘、机器人等多个领域的发展，激光雷达作为一个测距传感器设备常用于各个领域中。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达***。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理***等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

在各个领域使用过程中，激光雷达机体与载体通常采用固定式相对静止连接。但这种固定式相对静止连接的方式使激光雷达的视场角受限于激光雷达自身和载体的移动，若在载体与激光雷达之间增加一个使激光雷达相对载体旋转的装置，即可让激光雷达的视场角扩大许多倍，对周围空间的距离信息可获取得更加全面。给激光雷达一个外置旋转运动，可让激光雷达更加全面的获取信息。若选用这种方法，激光雷达外置旋转轴的标定，即为一个需要解决的问题。

常见对激光雷达外置旋转轴的标定方法是从点、线等方法出发，但是这种标定方式的存在标定精度不高的问题，从而为各个领域的使用带来测量不准确的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，以解决采用从点、线等方式出发进行标定的方法存在标定精度不高、测量不准确的问题。本发明从面特征出发，有效解决激光雷达的外置旋转轴的标定精度问题，大大提升激光雷达外置旋转轴的标定精度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，包括以下步骤：

选取ROI：设置旋转轴向量

中a、b的初始值为a₀和b₀；根据旋转轴坐标系点云选取多个ROI，并获取每个ROI的区间范围；

迭代优化ROI墙厚，并获得旋转轴向量，具体包括以下步骤：设置旋转轴向量a、b的区间范围，a的区间范围为[a₀-δ，a₀+δ]，b的区间范围为[b₀-δ，b₀+δ]，其中a和b的取值必须满足以下关系：a²+b²≤1，δ为自定义的经验值；将a和b的区间范围等分为若干份小区间范围，并将等分后的小区间范围进行排列组合；根据a和b的每个组合，计算得到旋转轴坐标系点云选取的多个ROI的厚度总和H_i；对a和b的每个组合获取到的多个ROI的厚度总和H_i进行排序，得到最小厚度值H_min,此时对应的a和b的值为a_min和b_min；判断以下条件是否都不满足：H_min≤H’，β≤P，H’为设定的经验值，β为a和b的小区间范围，P为设定的a和b区间迭代的最小值；若至少满足一个条件，则取a_min和b_min为旋转轴向量u的a和b的值，即完成标定；若两个条件均不满足，则重新设置β的区间范围，重复上述步骤，直至至少满足一个上述条件。

进一步，在选取ROI之前，建立激光雷达坐标系与旋转轴所在坐标系的转换关系。

进一步，激光雷达坐标系与旋转轴所在坐标系的转换关系的建立步骤如下：

(1)设定O₀为激光雷达在t₀时刻时的位置，O₁为激光雷达在t₁时刻时的位置，O′为旋转轴的原点，记O′O₀为向量r1，O′O₁为向量r2；激光雷达在t₀至t₁时刻绕旋转轴向量u的旋转角度为φ；

(2)建立向量r1和向量r2的线性变换关系，并且该变换关系是旋转轴向量u和旋转角度φ的函数；

(3)根据线性变换关系建立激光雷达坐标系和旋转轴坐标系的坐标关系。

进一步，步骤(2)中，根据罗德里格旋转公式，建立向量r1和向量r2的线性变换关系：

r2＝D(u，φ)r1 公式1

其中，D(u，φ)为罗德里格旋转公式。

进一步，在步骤(3)中，具体的步骤为：

由罗德里格旋转公式得到激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的等效旋转向量φ＝φu；

由罗德里格旋转公式进行转换，将等效旋转向量φ转换为旋转矩阵R，公式如下：

其中I为单位向量，T为激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的平移矩阵，旋转矩阵R是关于旋转轴向量u和旋转角度φ的函数；

激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的坐标关系如下式：

O'＝[R,T]O 公式3

其中O'为旋转轴的坐标系坐标值，O为激光雷达的坐标系坐标值。

进一步，重新设置的β的小区间范围要小于a、b的区间范围中δ的取值。

进一步，重新设置a和b的区间范围为[a_min-β，a_min+β]、[b_min-β,b_min+β]。

进一步，ROI选取1-20个。

本技术方案的有益效果在于：①通过本标定方法，可以快速迭代出激光雷达外置旋转轴的轴参数，从面特征出发，有效解决激光雷达的外置旋转轴的标定精度问题，大大提升激光雷达外置旋转轴的标定精度，解决现有技术中采用从点、线等方式出发进行标定的方法带来的标定精度不高、测量准确性不高的问题，从而为各个领域的测量带来便利和准确的测量。②通过设置旋转轴，与激光雷达与载体固定式相对静止连接相比，能够扩大激光雷达的视场角，对周围空间的距离信息获取更加全面，使得激光雷达的视场角不再受限于激光雷达自身和载体的移动。③本标定方法可以适用于各种类型激光雷达，例如单线、多线、固态等。

附图说明

图1为本发明一种激光雷达外置旋转轴的标定方法的流程示意图；

图2为步骤S2中对旋转轴进行标定的流程图；

图3为激光雷达外置旋转轴旋转示意图；

图4为激光雷达处于矩形空间的示意图；

图5为激光雷达在矩形空间内经外置旋转后的俯视图；

图6为激光雷达在矩形空间内经外置旋转后的主视图；

图7为a、b为a₀和b₀时的空间点云图；

图8为标定旋转轴之后的空间点云图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例基本如附图1-8所示：如图1所示，一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，包括以下步骤：

步骤S1：建立激光雷达坐标系与旋转轴所在坐标系的转换关系；具体包括以下步骤：

(1)设定O₀为激光雷达在t₀时刻时的位置，O₁为激光雷达在t₁时刻时的位置，O′为旋转轴的原点，记O′O₀为向量r1，O′O₁为向量r2；激光雷达在t₀至t₁时刻绕旋转轴向量u的旋转角度为φ；

(2)根据罗德里格(Rodrigues)旋转公式，建立向量r1和向量r2的线性变换关系，并且该变换关系是旋转轴向量u和旋转角度φ的函数；公式为：

r2＝D(u，φ)r1 公式1

其中，D(u，φ)为罗德里格(Rodrigues)旋转公式；

(3)根据线性变换关系建立激光雷达坐标系和旋转轴坐标系的坐标关系；具体步骤为：

由罗德里格(Rodrigues)旋转公式得到激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的等效旋转向量φ＝φu；

由罗德里格(Rodrigues)旋转公式进行转换，将激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的等效旋转向量φ转换为旋转矩阵R，公式如下：

其中I为单位向量，T为激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的平移矩阵，旋转矩阵R是关于旋转轴向量u和旋转角度φ的函数；

激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的坐标关系如下式：

O'＝[R,T]O 公式3

其中O'为旋转轴的坐标系坐标值，O为激光雷达的坐标系坐标值。

步骤S2：对旋转轴进行标定，如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤S2.1：选取ROI：如图4所示，为激光雷达放置在一个矩形空间的示意图，现设定旋转轴向量

中a、b的初始值为a₀和b₀；当激光雷达绕旋转轴旋转1-100圈之后，激光雷达点云坐标值经过公式3可获取到旋转轴坐标系点云，如图5、6所示(虚线表示点云，矩形框表示ROI)。根据旋转轴坐标系点云选取多个ROI，具体为1-20个，并获取每个ROI的区间范围；

步骤S2.2：迭代优化ROI墙厚，并获得旋转轴向量，具体包括以下步骤：

步骤S2.2.1：设置旋转轴向量a、b的区间范围，a的区间范围为[a₀-δ，a₀+δ]，b的区间范围为[b₀-δ，b₀+δ]，其中a和b的取值必须满足以下关系：a²+b²≤1，其中δ为自定义的经验值；

步骤S2.2.2：将a和b的区间范围等分为多份，即为若干份小区间范围，并将等分后的a和b的小区间范围进行排列组合；

步骤S2.2.3：根据a和b的每个组合，通过公式3计算得到旋转轴坐标系点云选取的多个ROI的厚度总和H_i；

步骤S2.2.4：对a和b的每个组合获取到的多个ROI的厚度总和H_i进行排序(从小到大或从大到小排序)，得到最小厚度值H_min,此时对应最小时的a和b的值，记做a_min和b_min；

步骤S2.2.5：判断以下条件是否都不满足：①H_min≤H’，②β≤P，其中H’为设定的经验值，β为a和b的小区间范围，P为设定的a和b区间迭代的最小值；

步骤S2.2.6：若至少满足上述①和②中的一个条件，则取a_min和b_min为旋转轴向量u的a和b的值，即完成标定，循环完成；若两个条件均不满足，则重新设置β的区间范围，重新设置旋转轴向量u中的a和b的区间范围为[a_min-β，a_min+β]、[b_min-β,b_min+β]，并从步骤S2.2.2开始重复计算，直至至少满足一个上述条件，结束循环；注意，此时重新设置的β的小区间范围要小于a、b的区间范围中δ的取值。

通过本标定方法，可以快速迭代出激光雷达外置旋转轴的轴参数，从面特征出发，有效解决激光雷达的外置旋转轴的标定精度问题，大大提升激光雷达外置旋转轴的标定精度，解决现有技术中采用从点、线等方式出发进行标定的方法带来的标定精度不高、测量准确性不高的问题，从而为各个领域的测量带来便利和准确的测量。通过设置旋转轴，与激光雷达与载体固定式相对静止连接相比，能够扩大激光雷达的视场角，对周围空间的距离信息获取更加全面，使得激光雷达的视场角不再受限于激光雷达自身和载体的移动。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”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、物品或者设备不仅包括那些要素，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、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

选取ROI：设置旋转轴向量

中a、b的初始值为a₀和b₀；根据旋转轴坐标系点云选取多个ROI，并获取每个ROI的区间范围；

迭代优化ROI墙厚，并获得旋转轴向量，具体包括以下步骤：设置旋转轴向量a、b的区间范围，a的区间范围为[a₀-δ，a₀+δ]，b的区间范围为[b₀-δ，b₀+δ]，其中a和b的取值必须满足以下关系：a²+b²≤1，δ为自定义的经验值；将a和b的区间范围等分为若干份小区间范围，并将等分后的小区间范围进行排列组合；根据a和b的每个组合，计算得到旋转轴坐标系点云选取的多个ROI的厚度总和H_i；对a和b的每个组合获取到的多个ROI的厚度总和H_i进行排序，得到最小厚度值H_min,此时对应的a和b的值为a_min和b_min；判断以下条件是否都不满足：H_min≤H’，β≤P，H’为设定的经验值，β为a和b的小区间范围，P为设定的a和b区间迭代的最小值；若至少满足一个条件，则取a_min和b_min为旋转轴向量u的a和b的值，即完成标定；若两个条件均不满足，则重新设置β的区间范围，重复上述步骤，直至至少满足一个上述条件。

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：在选取ROI之前，建立激光雷达坐标系与旋转轴所在坐标系的转换关系。

3.根据权利要求2所述的一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：激光雷达坐标系与旋转轴所在坐标系的转换关系的建立步骤如下：

(1)设定O₀为激光雷达在t₀时刻时的位置，O₁为激光雷达在t₁时刻时的位置，O′为旋转轴的原点，记O′O₀为向量r1，O′O₁为向量r2；激光雷达在t₀至t₁时刻绕旋转轴向量u的旋转角度为φ；

(2)建立向量r1和向量r2的线性变换关系，并且该变换关系是旋转轴向量u和旋转角度φ的函数；

(3)根据线性变换关系建立激光雷达坐标系和旋转轴坐标系的坐标关系。

4.根据权利要求3所述的一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：步骤(2)中，根据罗德里格旋转公式，建立向量r1和向量r2的线性变换关系：

r2＝D(u，φ)r1 公式1

其中，D(u，φ)为罗德里格旋转公式。

5.根据权利要求4所述的一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：在步骤(3)中，具体的步骤为：

由罗德里格旋转公式得到激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的等效旋转向量φ＝φu；

由罗德里格旋转公式进行转换，将等效旋转向量φ转换为旋转矩阵R，公式如下：

其中I为单位向量，T为激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的平移矩阵，旋转矩阵R是关于旋转轴向量u和旋转角度φ的函数；

激光雷达坐标系与旋转轴坐标系的坐标关系如下式：

O'＝[R,T]O 公式3

其中O'为旋转轴的坐标系坐标值，O为激光雷达的坐标系坐标值。

6.根据权利要求1所述的一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：重新设置的β的小区间范围要小于a、b的区间范围中δ的取值。

7.根据权利要求6所述的一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：重新设置a和b的区间范围为[a_min-β，a_min+β]、[b_min-β,b_min+β]。

8.根据权利要求1所述的一种激光雷达外置旋转轴的标定方法，其特征在于：ROI选取1-20个。

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