一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境感知技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種提高三維激光測(cè)距系統(tǒng)采集全景 數(shù)據(jù)精度的方法和裝置，尤其涉及一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光傳感器屬于主動(dòng)傳感器，抗干擾能力強(qiáng)，可以提供準(zhǔn)確的深度信息，能詳細(xì)描 述環(huán)境幾何特征，直接快速獲取環(huán)境的三維模型，因此在三維環(huán)境感知中占據(jù)主導(dǎo)地位，在 包括復(fù)雜地形機(jī)器人導(dǎo)航、工程測(cè)量等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用價(jià)值。目前，世界上有多家銷售三 維激光檢測(cè)系統(tǒng)的制造廠商，如：奧地利Riegl、瑞士Leica、日本Topcon、美國(guó)Faro等，這 些傳感器價(jià)格昂貴，并且往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于維護(hù)與檢修。
[0003] 為了降低成本，多數(shù)的三維激光傳感器是在二維激光的基礎(chǔ)上添加一 維旋轉(zhuǎn)，從而獲得三維激光數(shù)據(jù)（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,Anthony MandowjAlejandroPequeno-Botert,andAlfonsoGarcla-Cerezoj^Designand DevelopmentofaFastandPreciseLow-Cost3DLaserRangefinder^,inProceedings ofthe2011IEEEInternationalConferenceonMechatronics, 2011) 〇 由于在安裝二 維激光傳感器的時(shí)候，無法避免角度和位置上的偏差，所以為了獲取準(zhǔn)確的三維激光數(shù)據(jù)， 在使用這種三維激光傳感器之前，需要對(duì)傳感器自身參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。
[0004] 文獻(xiàn)（余祖俊，楊婭楠，朱力強(qiáng)，〃三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定方法研究〃，電子 測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，21 (6)，31-35, 2007)中的標(biāo)定對(duì)象由一個(gè)LMS200二維激光傳感器以及一 個(gè)平移裝置組成，利用兩種標(biāo)定模板實(shí)現(xiàn)三維激光傳感器坐標(biāo)系與外界測(cè)量基準(zhǔn)坐標(biāo)之間 的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，該參數(shù)并不能矯正由于安裝問題所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。
[0005] 文獻(xiàn)（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,AnthonyMandow，Antonio J.Reina,AlejandroPequeno-BoterandAlfonsoGarcla-Cerezo,^Boresight CalibrationofConstructionMisalignmentsfor3DScannersBuiltwitha2DLaser RangefinderRotatingonItsOpticalCenter",Sensors, 14(11)，20025-20040,2014.) 利用Nelder-Mead方法對(duì)平面數(shù)據(jù)進(jìn)行平整度和面積最大優(yōu)化處理，標(biāo)定二維激光傳感器 相對(duì)于三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，雖然可以獲得比較準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)，但是由于忽 略了部分三維激光內(nèi)部參數(shù)，當(dāng)存在安裝誤差的時(shí)候，仍然會(huì)引入一定的數(shù)據(jù)誤差。同樣， 文獻(xiàn)（谷曉杰，卜春光，陳成，周浚哲，〃三維激光測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與標(biāo)定方法研究〃，沈陽(yáng) 理工大學(xué)學(xué)報(bào)，33 (5)，10-14, 47, 2014)只考慮了三維激光傳感器的部分內(nèi)部參數(shù)，不能作 為通用的方法對(duì)各種三維激光傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明要解決的問題是提出一種全景三維激光 傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法和裝置。
[0007] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn) 裝置包括三維激光傳感器和標(biāo)定裝置；所述三維激光傳感器包括旋轉(zhuǎn)云臺(tái)以及設(shè)置于旋轉(zhuǎn) 云臺(tái)上的二維激光傳感器；所述標(biāo)定裝置位于三維激光傳感器前方的設(shè)定距離內(nèi)。
[0008] 所述標(biāo)定裝置為相紙，相紙表面噴繪有nXm個(gè)相互交替的正方形黑格和白格；每 個(gè)黑格和白格的正中心有鏤空。
[0009] 所述鏤空的形狀為圓形。
[0010] 一種全景三維激光傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：
[0011] 1)將二維激光傳感器的掃描數(shù)據(jù)按^軸的正負(fù)平均分為兩個(gè)部分，構(gòu)成激光的掃 描平面；當(dāng)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)帶動(dòng)二維激光傳感器旋轉(zhuǎn)360度時(shí)，^軸的正負(fù)兩部分激光數(shù)據(jù)組成 兩個(gè)空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0012] 2)從兩個(gè)空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取標(biāo)定所需的激光數(shù)據(jù)特征點(diǎn)；
[0013] 3)對(duì)兩個(gè)空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中激光點(diǎn)的距離進(jìn)行優(yōu)化得到標(biāo)定參數(shù)。
[0014] 所述兩個(gè)部分的掃描角度相等，且大于等于90度。
[0015] 所述從兩個(gè)空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取標(biāo)定所需的激光數(shù)據(jù)特征點(diǎn)，包括以下步 驟：
[0016] 2-1)根據(jù)標(biāo)定裝置與二維激光傳感器之間的距離，以及兩個(gè)空間三維點(diǎn)數(shù)據(jù)與激 光掃描序列索引值之間的映射關(guān)系，得到標(biāo)定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)；
[0017] 2-2)根據(jù)標(biāo)定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)得到標(biāo)定裝置的平面；
[0018] 2-3)根據(jù)平面對(duì)標(biāo)定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化；
[0019] 2-4)對(duì)二值化后的數(shù)據(jù)提取標(biāo)定裝置上的角點(diǎn)。
[0020] 所述根據(jù)平面對(duì)標(biāo)定裝置區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化，包括以下步驟：
[0021] 根據(jù)標(biāo)定裝置的平面以及二維激光傳感器到標(biāo)定裝置的平面的距離d對(duì)區(qū)域內(nèi) 的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理：
[0023] 其中，區(qū)域內(nèi)i點(diǎn)二值化后的取值，I為經(jīng)驗(yàn)距離閾值。
[0024] 所述對(duì)二值化后的數(shù)據(jù)提取標(biāo)定裝置上的角點(diǎn)，包括以下步驟：
[0025] 標(biāo)定裝置上鏤空區(qū)域的數(shù)據(jù)為0,其他區(qū)域數(shù)據(jù)為255,按列統(tǒng)計(jì)0和255的點(diǎn)數(shù) 分布直方圖，按行統(tǒng)計(jì)得到列坐標(biāo)
[0027]其中，i，j分別表示行列下標(biāo)；函數(shù)1(0為0-1函數(shù)，如果括號(hào)內(nèi)條件為真則值 為1，否則為〇 ;median()為中值選擇函數(shù)，Iu表示二值化取值；
[0028] 根據(jù)每列的列坐標(biāo)確定鏤空中心坐標(biāo)，并得到每四個(gè)相鄰的黑格和白格的交點(diǎn)坐 標(biāo)作為角點(diǎn)坐標(biāo)。
[0029] 所述對(duì)兩個(gè)空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中激光點(diǎn)的距離進(jìn)行優(yōu)化得到標(biāo)定參數(shù)，包括以下 步驟：
[0033] a、0、y為二維激光坐標(biāo)系與三維激光坐標(biāo)系之間繞軸，yt軸，zt軸旋轉(zhuǎn)的誤 差角度。
[0034] 所述迭代優(yōu)化算法為最小二乘法或牛頓下降法。
[0035] 本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：
[0036] 1.本發(fā)明僅以三維激光傳感器作為測(cè)量裝置，以從環(huán)境中選定的特征為計(jì)算依 據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全景三維激光數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。
[0037] 2.本發(fā)明解決了全景三維激光傳感器內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定問題，僅通過一次數(shù)據(jù)采集就 可以方便的實(shí)現(xiàn)多個(gè)特征點(diǎn)自動(dòng)提取。
[0038] 3.本發(fā)明解決了手動(dòng)點(diǎn)選匹配對(duì)所引入的人為誤差不可控和時(shí)間開銷大問題，充 分考慮影響數(shù)據(jù)精度的可能因素，提高傳感器標(biāo)定精度，并提升了標(biāo)定方法的通用性。
[0039] 4.本發(fā)明為全景三維激光傳感器標(biāo)定奠定基礎(chǔ)，可用在復(fù)雜地形機(jī)器人導(dǎo)航、工 程測(cè)量等領(lǐng)域。
[0040] 5.本發(fā)明所提出的校準(zhǔn)方法全面考慮可能存在的二維激光坐標(biāo)系與三維激光坐 標(biāo)系之間的位置和旋轉(zhuǎn)誤差，提升了方法的通用性。
[0041]6.本發(fā)明所采用的標(biāo)定裝置便于制作，攜帶方便，可重復(fù)使用。
【附圖說明】
[0042] 圖1為全景三維激光傳感器模型示意圖；
[0043] 圖2為三維激光傳感器3個(gè)角度誤差示意圖一；
[0044] 圖3為三維激光傳感器3個(gè)角度誤差示意圖二；
[0045] 圖4為三維激光傳感器3個(gè)角度誤差示意圖三；
[0046] 圖5為標(biāo)定裝置示意圖；
[0047] 圖6為標(biāo)定裝置角點(diǎn)提取示意圖；
[0048] 圖7為三維激光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049] 圖8為全景三維激光傳感器；
[0050] 圖9為矯正前室內(nèi)全景三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；
[0051] 圖10為矯正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0053] 本發(fā)明最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于全面考慮在安裝過程中可能存在的角度和位置誤差，適 用于多種全景三維激光傳感器參數(shù)標(biāo)定。為此本發(fā)明將二維激光坐標(biāo)系和三維激光坐標(biāo)系 之間的三個(gè)角度參數(shù)和一個(gè)偏轉(zhuǎn)心距離參數(shù)作為待標(biāo)定參數(shù)，經(jīng)過平面擬合、激光數(shù)據(jù)二 值化、角點(diǎn)提取處理，從采集的兩部分三維激光數(shù)據(jù)中分別提取出屬于標(biāo)定裝置的特征點(diǎn)， 采用迭代優(yōu)化方法對(duì)待標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行求解，從而得到二維激光坐標(biāo)系和三維激光坐標(biāo)系之 間的角度和位置參數(shù)。
[0054] 本發(fā)明方法以二維激光坐標(biāo)系與三維激光坐標(biāo)系之間的3個(gè)角度參數(shù)和1個(gè)位置 參數(shù)作為待標(biāo)定參數(shù)，利用兩部分激光數(shù)據(jù)中標(biāo)定裝置上的角點(diǎn)不能重合的現(xiàn)象，采用迭 代優(yōu)化方法對(duì)標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行求解，該標(biāo)定參數(shù)可以滿足多種全景三維激光傳感器的數(shù)據(jù)矯 正需求。具體步驟如下：
[0055]a)將標(biāo)定裝置放在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，標(biāo)定裝置與三維激光傳感器之間距離的合適范圍 為2m_10m之間；
[0056]b)將SICKLMS200激光傳感器的掃描數(shù)據(jù)按^的正負(fù)平均分為兩個(gè)部分，每部分 掃描角度為90度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)帶動(dòng)LMS200激光旋轉(zhuǎn)360度的時(shí)候，正負(fù)兩部分激光數(shù)據(jù)正 好組成兩個(gè)空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0057]c)根據(jù)標(biāo)定裝置的擺放位置，篩選出標(biāo)定裝置區(qū)域的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平面擬合，依據(jù) 標(biāo)定裝置區(qū)域激光點(diǎn)數(shù)據(jù)到所擬合平面的距離值d來對(duì)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理
[0059]其中1$區(qū)域內(nèi)i點(diǎn)二值化后的取值，。為經(jīng)驗(yàn)距離閾值，二值化后，鏤空?qǐng)A孔區(qū) 域的數(shù)據(jù)為〇,其他區(qū)域數(shù)據(jù)為255,按列統(tǒng)計(jì)0和255的點(diǎn)數(shù)分布直方圖，按行統(tǒng)計(jì)得到列 坐標(biāo)
[0061]其中i，j分別表示行列下標(biāo)，函數(shù)1 (?)為0-1函數(shù)，如果括號(hào)內(nèi)條件為真則值為 1，否則為〇，median〇為中值選擇函數(shù)，^表示二值化取值，從而確定了鏤空中心坐標(biāo)，并 可進(jìn)一步根據(jù)四鄰域關(guān)系確定黑白格角點(diǎn)坐標(biāo)；
[0062]d)兩部分三維激光點(diǎn)云中對(duì)應(yīng)角點(diǎn)