一種全景三維激光傳感器數據校準方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于環境感知技術領域，具體的說是一種提高三維激光測距系統采集全景 數據精度的方法和裝置，尤其涉及一種全景三維激光傳感器數據校準方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 激光傳感器屬于主動傳感器，抗干擾能力強，可以提供準確的深度信息，能詳細描 述環境幾何特征，直接快速獲取環境的三維模型，因此在三維環境感知中占據主導地位，在 包括復雜地形機器人導航、工程測量等領域具有較大應用價值。目前，世界上有多家銷售三 維激光檢測系統的制造廠商，如：奧地利Riegl、瑞士Leica、日本Topcon、美國Faro等，這 些傳感器價格昂貴，并且往往結構復雜，不利于維護與檢修。
[0003] 為了降低成本，多數的三維激光傳感器是在二維激光的基礎上添加一 維旋轉，從而獲得三維激光數據（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,Anthony MandowjAlejandroPequeno-Botert,andAlfonsoGarcla-Cerezoj^Designand DevelopmentofaFastandPreciseLow-Cost3DLaserRangefinder^,inProceedings ofthe2011IEEEInternationalConferenceonMechatronics, 2011) 〇 由于在安裝二 維激光傳感器的時候，無法避免角度和位置上的偏差，所以為了獲取準確的三維激光數據， 在使用這種三維激光傳感器之前，需要對傳感器自身參數進行標定。
[0004] 文獻（余祖俊，楊婭楠，朱力強，〃三維激光掃描測量系統標定方法研究〃，電子 測量與儀器學報，21 (6)，31-35, 2007)中的標定對象由一個LMS200二維激光傳感器以及一 個平移裝置組成，利用兩種標定模板實現三維激光傳感器坐標系與外界測量基準坐標之間 的旋轉參數和平移參數，該參數并不能矯正由于安裝問題所產生的數據誤差。
[0005] 文獻（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,AnthonyMandow，Antonio J.Reina,AlejandroPequeno-BoterandAlfonsoGarcla-Cerezo,^Boresight CalibrationofConstructionMisalignmentsfor3DScannersBuiltwitha2DLaser RangefinderRotatingonItsOpticalCenter",Sensors, 14(11)，20025-20040,2014.) 利用Nelder-Mead方法對平面數據進行平整度和面積最大優化處理，標定二維激光傳感器 相對于三維數據坐標系的兩個旋轉角度，雖然可以獲得比較準確的三維數據，但是由于忽 略了部分三維激光內部參數，當存在安裝誤差的時候，仍然會引入一定的數據誤差。同樣， 文獻（谷曉杰，卜春光，陳成，周浚哲，〃三維激光測距系統設計與標定方法研究〃，沈陽 理工大學學報，33 (5)，10-14, 47, 2014)只考慮了三維激光傳感器的部分內部參數，不能作 為通用的方法對各種三維激光傳感器進行標定。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術中存在的上述問題，本發明要解決的問題是提出一種全景三維激光 傳感器數據校準方法和裝置。
[0007] 本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種全景三維激光傳感器數據校準 裝置包括三維激光傳感器和標定裝置；所述三維激光傳感器包括旋轉云臺以及設置于旋轉 云臺上的二維激光傳感器；所述標定裝置位于三維激光傳感器前方的設定距離內。
[0008] 所述標定裝置為相紙，相紙表面噴繪有nXm個相互交替的正方形黑格和白格；每 個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據校準方法，包括以下步驟：
[0011] 1)將二維激光傳感器的掃描數據按^軸的正負平均分為兩個部分，構成激光的掃 描平面；當旋轉云臺帶動二維激光傳感器旋轉360度時，^軸的正負兩部分激光數據組成 兩個空間三維點云數據；
[0012] 2)從兩個空間三維點云數據中提取標定所需的激光數據特征點；
[0013] 3)對兩個空間三維點云數據中激光點的距離進行優化得到標定參數。
[0014] 所述兩個部分的掃描角度相等，且大于等于90度。
[0015] 所述從兩個空間三維點云數據中提取標定所需的激光數據特征點，包括以下步 驟：
[0016] 2-1)根據標定裝置與二維激光傳感器之間的距離，以及兩個空間三維點數據與激 光掃描序列索引值之間的映射關系，得到標定裝置區域內的數據；
[0017] 2-2)根據標定裝置區域內的數據得到標定裝置的平面；
[0018] 2-3)根據平面對標定裝置區域內的數據進行二值化；
[0019] 2-4)對二值化后的數據提取標定裝置上的角點。
[0020] 所述根據平面對標定裝置區域內的數據進行二值化，包括以下步驟：
[0021] 根據標定裝置的平面以及二維激光傳感器到標定裝置的平面的距離d對區域內 的數據進行二值化處理：
[0023] 其中，區域內i點二值化后的取值，I為經驗距離閾值。
[0024] 所述對二值化后的數據提取標定裝置上的角點，包括以下步驟：
[0025] 標定裝置上鏤空區域的數據為0,其他區域數據為255,按列統計0和255的點數 分布直方圖，按行統計得到列坐標
[0027]其中，i，j分別表示行列下標；函數1(0為0-1函數，如果括號內條件為真則值 為1，否則為〇 ;median()為中值選擇函數，Iu表示二值化取值；
[0028] 根據每列的列坐標確定鏤空中心坐標，并得到每四個相鄰的黑格和白格的交點坐 標作為角點坐標。
[0029] 所述對兩個空間三維點云數據中激光點的距離進行優化得到標定參數，包括以下 步驟：
[0033] a、0、y為二維激光坐標系與三維激光坐標系之間繞軸，yt軸，zt軸旋轉的誤 差角度。
[0034] 所述迭代優化算法為最小二乘法或牛頓下降法。
[0035] 本發明具有以下有益效果及優點：
[0036] 1.本發明僅以三維激光傳感器作為測量裝置，以從環境中選定的特征為計算依 據，實現對全景三維激光數據的校準。
[0037] 2.本發明解決了全景三維激光傳感器內部參數標定問題，僅通過一次數據采集就 可以方便的實現多個特征點自動提取。
[0038] 3.本發明解決了手動點選匹配對所引入的人為誤差不可控和時間開銷大問題，充 分考慮影響數據精度的可能因素，提高傳感器標定精度，并提升了標定方法的通用性。
[0039] 4.本發明為全景三維激光傳感器標定奠定基礎，可用在復雜地形機器人導航、工 程測量等領域。
[0040] 5.本發明所提出的校準方法全面考慮可能存在的二維激光坐標系與三維激光坐 標系之間的位置和旋轉誤差，提升了方法的通用性。
[0041]6.本發明所采用的標定裝置便于制作，攜帶方便，可重復使用。
【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個角度誤差示意圖一；
[0044] 圖3為三維激光傳感器3個角度誤差示意圖二；
[0045] 圖4為三維激光傳感器3個角度誤差示意圖三；
[0046] 圖5為標定裝置示意圖；
[0047] 圖6為標定裝置角點提取示意圖；
[0048] 圖7為三維激光傳感器結構示意圖；
[0049] 圖8為全景三維激光傳感器；
[0050] 圖9為矯正前室內全景三維激光點云數據實驗結果圖；
[0051] 圖10為矯正后的點云數據實驗結果圖。
【具體實施方式】
[0052] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0053] 本發明最大的創新點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標定。為此本發明將二維激光坐標系和三維激光坐標系 之間的三個角度參數和一個偏轉心距離參數作為待標定參數，經過平面擬合、激光數據二 值化、角點提取處理，從采集的兩部分三維激光數據中分別提取出屬于標定裝置的特征點， 采用迭代優化方法對待標定參數進行求解，從而得到二維激光坐標系和三維激光坐標系之 間的角度和位置參數。
[0054] 本發明方法以二維激光坐標系與三維激光坐標系之間的3個角度參數和1個位置 參數作為待標定參數，利用兩部分激光數據中標定裝置上的角點不能重合的現象，采用迭 代優化方法對標定參數進行求解，該標定參數可以滿足多種全景三維激光傳感器的數據矯 正需求。具體步驟如下：
[0055]a)將標定裝置放在實驗區域內，標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據按^的正負平均分為兩個部分，每部分 掃描角度為90度，當旋轉云臺帶動LMS200激光旋轉360度的時候，正負兩部分激光數據正 好組成兩個空間三維點云數據；
[0057]c)根據標定裝置的擺放位置，篩選出標定裝置區域的數據，并進行平面擬合，依據 標定裝置區域激光點數據到所擬合平面的距離值d來對區域數據進行二值化處理
[0059]其中1$區域內i點二值化后的取值，。為經驗距離閾值，二值化后，鏤空圓孔區 域的數據為〇,其他區域數據為255,按列統計0和255的點數分布直方圖，按行統計得到列 坐標
[0061]其中i，j分別表示行列下標，函數1 (?)為0-1函數，如果括號內條件為真則值為 1，否則為〇，median〇為中值選擇函數，^表示二值化取值，從而確定了鏤空中心坐標，并 可進一步根據四鄰域關系確定黑白格角點坐標；
[0062]d)兩部分三維激光點云中對應角點