基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统标定方法技术方案

一种基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统标定方法，所述方法包括如下步骤：建立对车斗形容器外形尺寸的三维扫描系统。对扫描的数据进行处理，用最小二乘法拟合出二维激光雷达扫描平面与标定件所交各线段的直线方程。相应直线方程进行两两组合求解，根据所求得的距离与标定件高度的三角函数关系计算出绕y坐标轴的旋转角β。将二维激光雷达旋转180度，对标定件扫描第二次，求得旋转圆半径R。利用最小二乘法拟合出二维激光雷达扫描平面与底面交线的直线方程，根据直线方程的斜率，计算出绕x轴的旋转角γ。将二维激光雷达逆向旋转180度，回到起始位置。将标定数据带入到坐标系转换的平移和旋转矩阵中，由此完成该系统的标定。

The calibration method of 3D scanning system of bucket shaped container based on 2D laser radar

A calibration method of 3D scanning system for bucket shaped container using a 2D laser radar, the method comprises the following steps: the establishment of 3D scanning system for bucket shaped container dimensions. After processing the scanned data, the linear equation of the line segment of the two-dimensional laser radar scanning plane and the calibration piece is fitted by the least square method. The corresponding linear equation is solved by 22 combinations. According to the trigonometric function relation between the distance obtained and the height of the calibration piece, the rotating angle beta of the Y axis is calculated. The two-dimensional laser radar is rotated 180 degrees, the target is scanned second times, and the radius of rotation circle is R. Using the least square method, the linear equation of the intersection plane between the scanning plane and the bottom surface of two dimensional lidar is fitted. According to the slope of the linear equation, the rotation angle of the X axis is calculated. Rotate the two-dimensional laser radar backward at 180 degrees and return to the starting position. The calibration data is brought into the translation and rotation matrix of coordinate transformation, thus the calibration of the system is completed.

【技术实现步骤摘要】
基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统标定方法
本专利技术涉及一种车斗形容器三维扫描系统及其标定方法，尤其涉及一种基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统标定方法。
技术介绍
激光雷达具有测距速度快、精度高、获取的测量信息直观等优点，在军事、航空和民用等领域得到了越来越广泛的应用。目前，激光雷达主要分为二维激光雷达和三维激光雷达两种。二维激光雷达只能在单一扫描平面上得到距离和角度信息，以极坐标的形式进行保存，而且把得到的数据经过后期处理还原成的图像也只是被扫描物体在激光雷达扫描平面上的二维轮廓图。而三维激光雷达可以在二维扫描的同时还能转动扫面平面，这样便可以直接扫描得到空间点的三维数据信息，并能更直观的反映被扫描物体的外形特征，因此在一些导航、工程测量等重要的领域具有更大应用价值，但价格昂贵。在实际工业生产中，车斗形容器非常常见，尤其在物料运输过程中的装车环节。目前，人们在装车环节中对车斗的外形尺寸的获取还主要依靠人工的直接测量，这样不仅测量误差较大，而且在一些环境恶劣的情况下，对工作人员的身体健康危害也极大。为解决这些问题，解放劳动力，我们可以直接选用三维激光雷达对车斗进行扫描，然后对扫描数据直接提取出车斗的外形轮廓的尺寸信息。但是三维激光雷达价格昂贵，在普通的民用企业的装车环节中使用并不现实。因此，专利技术一种廉价、简单的车斗形容器三维扫描系统对于民用工业应用具有非常强的现实意义。而对车斗形容器外形尺寸进行测量首先需要对标定件进行标定。
技术实现思路
基于以上目的，本专利技术提出一种基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统标定方法。所述方法包括如下步骤：1、首先建立对车斗形容器外形尺寸的三维扫描系统，所述系统安装在被扫描车斗形容器的正上方，通过旋转二维激光雷达的扫面平面，完成对车斗形容器的扫描，实现三维扫描，所述系统所采用的硬件包括：二维激光雷达1，旋转工作台2，电机3，支架4，装有点云数据存储和处理程序的计算机5和标定件6，二维激光雷达1扫描平面位于激光雷达的前端，垂直于激光雷达侧面。二维激光雷达1安装到旋转工作台2的台面上，电机3安装在旋转工作台2的侧面，带动旋转工作台2的台面在水平面上完成旋转动作，进而带动安装在旋转工作台2台面上的二维激光雷达1转动，旋转工作台2的上端安装在支架4上，而支架4安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，并保证旋转工作台2的台面与地面平行，装有点云数据存储和处理程序的计算机5放置在二维激光雷达1的扫描范围外，二维激光雷达1和电机3分别通过数据传输线与装有点云数据存储和处理程序的计算机5连接到一起，标定件6是内部为中空三棱柱的长方体，标定件6放在二维激光雷达1正下方的地面上。2、将支架4安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，使旋转工作台2的台面与地平面尽量保持平行。并将标定件6放置于选转工作台正下方的地平面上。控制二维激光雷达1，对该位置下的标定件6扫描一次，保存扫描数据。3、对上步扫描的数据进行处理，用最小二乘法拟合出二维激光雷达1的扫描平面与标定件6所交各线段的直线方程。4、利用上步求得的相应直线方程进行两两组合求解，求出交点坐标，即为二维激光雷达1的扫描平面与标定件6棱边的交点坐标，由此可得到任意两交点之间的距离，并根据所求得的距离与标定件6高度的三角函数关系计算出绕y坐标轴的旋转角β。5、将二维激光雷达1旋转180度，对标定件6扫描第二次，对扫描数据进行同上的数据处理，根据两次扫描所求得的扫面平面与棱边交点之间的距离及其几何关系可以计算求得旋转圆半径R。6、由于标定件6中空，两次扫描必然扫到了地平面，根据扫描数据的特点，利用最小二乘法拟合出二维激光雷达1的扫描平面与底面交线的直线方程，根据直线方程的斜率，计算出绕x轴的旋转角γ。7、将二维激光雷达1逆向旋转180度，回到起始位置。8、将计算得到的标定数据，带入到坐标系转换的平移和旋转矩阵中，由此完成该系统的标定。附图说明图1是根据本专利技术方法的三维扫描系统总体结构示意图；图2是根据本专利技术方法的测量坐标系关系图；图3是根据本专利技术方法的第一次扫描示意图；图4是根据本专利技术方法的第二次扫描示意图；图5是根据本专利技术方法的底面投影示意图；图6是根据本专利技术方法的整体结构右侧投影示意图。具体实施方式结合附图1-6对本专利技术做具体描述。建立如图1所示的三维扫描系统。所述系统安装在被扫描车斗形容器的正上方，通过旋转二维激光雷达1的扫面平面，完成对车斗形容器的扫描，实现三维扫描，所述系统所采用的硬件包括：二维激光雷达1，旋转工作台2，电机3，支架4，装有点云数据存储和处理程序的计算机5和标定件6，二维激光雷达1扫描平面位于激光雷达的前端，垂直于激光雷达侧面。二维激光雷达1安装到旋转工作台2的台面上，电机3安装在旋转工作台2的侧面，带动旋转工作台2的台面在水平面上完成旋转动作，进而带动安装在旋转工作台2台面上的二维激光雷达1转动，旋转工作台2的上端安装在支架4上，而支架4安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，并保证旋转工作台2的台面与地面平行，装有点云数据存储和处理程序的计算机5放置在二维激光雷达1的扫描范围外，二维激光雷达1和电机3分别通过数据传输线与装有点云数据存储和处理程序的计算机5连接到一起，标定件6是内部为中空三棱柱的长方体，标定件6放在二维激光雷达1正下方的地面上。建立如图2所示的两个坐标系：（1）旋转工作台坐标系o-xyz；（2）激光雷达坐标系o1-x1y1z1。其中，旋转工作台坐标系的原点在旋转工作台2的旋转中心，z轴正方向垂直于地面向下，当面对二维激光雷达1初始位置的顶端站立时，y轴正方向平行于地平面向左，x轴方向由右手定则判断。由于在工作过程中，旋转工作台坐标系固定不动，因此可以将旋转工作台坐标系定义为世界坐标系；激光雷达坐标系的原点在扫描中心，因为二维激光雷达1扫描平面上有自身的二维坐标系，我们定义激光雷达坐标系的y1轴、z1轴的正方向与自身二维坐标系坐标轴的正方向相同，x1轴的方向根据右手定则判断。将旋转工作台坐标系的原点o向激光雷达坐标系的o1x1y1平面投影于点o’，得到两坐标系原点在o1x1y1平面内的距离为o1o’，而o’o的距离h在安装过程中测量得到。则激光雷达的扫描平面应垂直于o1x1y1平面以o1o’为半径绕o’做圆周运动，我们定义o1o’为旋转圆半径R。因为安装误差的存在，平面o1x1y1相对于平面oxy必会产生绕三坐标轴的旋转角，但由于系统的特性及所建立的两坐标轴关系，平面o1x1y1相对于平面oxy绕z轴的旋转角为0。因此对该系统的标定主要就是对绕y坐标轴的旋转角β、绕x轴的旋转角γ和旋转圆半径R三个量的标定。首先建立对车斗形容器外形尺寸的测量系统，所述系统安装在被扫描车斗形容器的正上方，通过旋转二维激光雷达1的扫面平面，完成对车斗形容器的扫描，实现三维扫描，所述系统所采用的硬件包括：二维激光雷达1，旋转工作台2，电机3，支架4，装有点云数据存储和处理程序的计算机5和标定件6，二维激光雷达1的扫描平面位于激光雷达的前端，垂直于激光雷达侧面。二维激光雷达1安装到旋转工作台2的台面上，电机3安装在旋转工作台2的侧面，带动旋转工作台2的台面在水平面上完成旋转动作，进而带动安装在旋转工作台2台面上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统标定方法，所述方法包括如下步骤：首先建立对车斗形容器外形尺寸的三维扫描系统，所述系统安装在被扫描车斗形容器的正上方，通过旋转二维激光雷达的扫面平面，完成对车斗形容器的扫描，实现三维扫描，所述系统所采用的硬件包括：二维激光雷达（1），旋转工作台（2），电机（3），支架（4），装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）和标定件（6），二维激光雷达（1）的扫描平面位于激光雷达的前端，垂直于激光雷达侧面，二维激光雷达（1）安装到旋转工作台（2）的台面上，电机（3）安装在旋转工作台（2）的侧面，带动旋转工作台（2）的台面在水平面上完成旋转动作，进而带动安装在旋转工作台（2）台面上的二维激光雷达（1）转动，旋转工作台（2）的上端安装在支架（4）上，而支架（4）安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，并保证旋转工作台（2）的台面与地面平行，装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）放置在二维激光雷达（1）的扫描范围外，二维激光雷达（1）和电机（3）分别通过数据传输线与装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）连接到一起，标定件（6）是内部为中空三棱柱的长方体，标定件（6）放在二维激光雷达（1）正下方的地面上；将支架（4）安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，使旋转工作台（2）的台面与地平面保持平行，并将标定件（6）放置于选转工作台正下方的地平面上，控制二维激光雷达（1），对该位置下的标定件（6）扫描一次，保存扫描数据；建立两个坐标系：（1）旋转工作台坐标系o‑xyz；（2）激光雷达坐标系o...

【技术特征摘要】
1.一种基于二维激光雷达的车斗形容器三维扫描系统标定方法，所述方法包括如下步骤：首先建立对车斗形容器外形尺寸的三维扫描系统，所述系统安装在被扫描车斗形容器的正上方，通过旋转二维激光雷达的扫面平面，完成对车斗形容器的扫描，实现三维扫描，所述系统所采用的硬件包括：二维激光雷达（1），旋转工作台（2），电机（3），支架（4），装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）和标定件（6），二维激光雷达（1）的扫描平面位于激光雷达的前端，垂直于激光雷达侧面，二维激光雷达（1）安装到旋转工作台（2）的台面上，电机（3）安装在旋转工作台（2）的侧面，带动旋转工作台（2）的台面在水平面上完成旋转动作，进而带动安装在旋转工作台（2）台面上的二维激光雷达（1）转动，旋转工作台（2）的上端安装在支架（4）上，而支架（4）安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，并保证旋转工作台（2）的台面与地面平行，装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）放置在二维激光雷达（1）的扫描范围外，二维激光雷达（1）和电机（3）分别通过数据传输线与装有点云数据存储和处理程序的计算机（5）连接到一起，标定件（6）是内部为中空三棱柱的长方体，标定件（6）放在二维激光雷达（1）正下方的地面上；将支架（4）安装到距离地面有一定高度的某一固定位置，使旋转工作台（2）的台面与地平面保持平行，并将标定件（6）放置于选转工作台正下方的地平面上，控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄风山，马帅，张付祥，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：河北,13