基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置，包括数据采集模块、采集辅助模块、数据传输模块和数据分析处理模块；其中数据采集模块包括二维激光雷达和标定模块，其中标定模块由三个相互垂直的非透明正方形平面组成；采集辅助模块包括支撑架和设置在支撑架上的旋转云台，所述的二维激光雷达设置在旋转云台上，旋转云台由数据分析处理模块控制。本发明专利技术能够有效的进行一次数据获取，降低标定繁杂程度，并且快速准确的将二维激光坐标系与世界坐标系相融合，并把标定结果应用到大场景三维重构中。

【技术实现步骤摘要】
基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置及方法
本专利技术涉及计算机视觉领域，具体是一种基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置及方法。
技术介绍
三维重构是利用传感器技术获取大场景的三维结构信息，在智慧城市、交通规划、3D建模与仿真等领域均有非常重要的应用。在一些特定位置如隧道、涵洞、桥梁下方、矿道、高楼下方等场景中，由于不能有效接收GPS信号，因此传统GPS接收机、IMU单元、激光测距仪等传统三维测量工具均不能有效使用，此时利用激光对这些位置进行三维重构，可有效获取场景中信息。三维重构首要的步骤是进行标定工作，标定过程是否简便、快速，标定结果是否准确直接关系到后续三维重建工作的进行以及相关研究的开展。目前，标定过程中通常采用的方法有以下两种：基于平面模板的标定算法和引入非线性约束条件的基于最小解(MinimalSolution)的标定算法。基于平面模板的标定算法需对标定平面模板获取5次数据，但标定过程繁琐复杂；引入非线性约束条件的基于最小解的标定算法仍需要3次数据获取，然而该算法计算过程比较复杂，算法推导过程繁琐，且存在多解问题。在数据获取方法中，可运用多线雷达提取三维特征，然而多线雷达造价较高，不适于推广应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置及方法，简化了三维重构步骤，降低了三维重构成本。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置，其特征在于：它包括数据采集模块、采集辅助模块、数据传输模块和数据分析处理模块；其中数据采集模块包括二维激光雷达和标定模块，其中标定模块由三个相互垂直的非透明正方形平面组成；采集辅助模块包括支撑架和设置在支撑架上的旋转云台，所述的二维激光雷达设置在旋转云台上，旋转云台由数据分析处理模块控制。按上述方案，数据传输模块包括网络传输模块和大比特率数据传输模块，二维激光雷达采集的数据依次通过网络传输模块和大比特率数据传输模块，然后通过串口传输至所述的数据分析处理模块；所述的大比特率数据传输模块的传输速率为500kbps。一种利用上述基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置实现的标定方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、通过二维激光雷达在旋转云台的旋转过程中获取大场景距离信息；S2、二维激光雷达与大场景标定建模：运用标定模块，将二维激光雷达与大场景标定转化为视觉领域的perspective-three-point问题，对二维激光坐标系与世界坐标系进行统一；S3、旋转式二维激光标定建模：加入旋转云台的旋转变量，确定二维激光坐标系相对于云台坐标系之间的关系；S4、大场景三维重构数据融合：结合S2和S3，对所测数据进行融合，进行大场景三维重构。按上述方法，定义激光坐标系[XL,YL,ZL]T，以激光至标定块方向为x轴，以扫描方向为y轴，x轴与y轴构成扫描面，垂直于扫描面为z轴；世界坐标系[XW,YW,ZW]T，以标定块三个平面交线建立世界坐标系，坐标系满足右手法则；所述的S2具体为：在激光坐标系下，运用二维激光雷达发出的二维激光对标定模块进行测距，使激光同时对三个相互垂直的非透明正方形平面进行扫描，分别得到三条直线，求得三条直线的交点在激光坐标系下的坐标；根据所测距离信息解得三条直线的交点在世界坐标系下的坐标；通过三条直线的交点分别在激光坐标系和世界坐标系下的坐标，建立激光坐标系和世界坐标系的关系矩阵方程：其中，RL为激光旋转矩阵，TL为激光平移矩阵，且RL为3×3矩阵，TL为3×1矩阵；根据公式(1)解得RL和TL。按上述方法，所述的S3具体为：定义云台坐标系，以云台旋转平面为x、y轴，以旋转轴为z轴；首先建立云台旋转模型：RP为云台旋转矩阵，θ为旋转角度；其次根据云台旋转模型建立二维激光旋转模型：其中RPL为激光对云台的旋转矩阵，TPL为激光对云台的平移矩阵；根据S2解得的RL和TL，计算RPL与TPL，得出激光坐标系和云台坐标系之间的矩阵关系；按上述方法，所述的S4具体为：通过云台旋转采集到不同旋转角度的激光扫描数据，利用RPL与TPL，将不同旋转角度下的激光扫描数据转换成激光坐标系下的数据，再利用RL和TL将激光坐标系下的数据转化为世界坐标系下的数据，从而进行大场景三维重构。本专利技术的有益效果为：1、设计出了一种特殊的标定模块：本专利技术设计了一种互相垂直的三平面标定物体，只需要1次数据采集，即可将标定问题转化为视觉领域经典的P3P问题。传统标定算法中有Zhang提出的基于平面模板的标定算法以及Vasconcelos提出的引入非线性约束条件的基于最小解的外参数标定算法。Zhang提出的算法需采集5次数据，标定过程复杂；Vasconcelos提出的算法需3次数据采集即可完成标定过程，然而计算过程较为复杂，算法推导过程繁琐。利用三垂直平面标定模块以及标定方法进行标定，只需1次数据采集，即可将标定问题转化为计算机视觉领域经典的P3P问题。并且标定模块制造方便，因此简化了标定过程。2、提高了三维重构精度：传统方法运用二维激光进行三维重构时，会默认激光中心与云台旋转中心在同一条中心线上，从而带来较大的重构误差。针对上述情况，本专利技术对二维激光以及旋转云台旋转进行了建模，充分考虑了激光中心线偏移云台中心线所带来的误差，并加以校正，从而提高了三维重构精度。3、简化了计算过程：在传统的标定算法中，通常运用代数运算，因此计算量大且过程比较复杂。在本专利技术中，运用最小解算法，且运用矩阵运算代替了代数运算，充分应用矩阵的特殊性质，使算法过程得到极大简化，算法的结果准确。附图说明图1为二维激光扫描坐标图。图2为本专利技术整体结构示意图。图3为二维激光扫描标定块散点图，其中，(a)和(b)两幅子图分别表示激光在云台旋转的两个不同角度下扫描结果。图4为二维激光标定数据拟合图，其中，(a)和(b)两幅子图分别表示激光在云台旋转的两个不同角度下扫描结果。图5为数据采集与传输单元结构示意图。图中：1.支撑架；2.旋转云台；3.二维激光雷达；4.网络传输模块；5.大比特率数据传输模块；6.PC机；7.标定模块。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术作进一步说明。如图2和图5所示，本专利技术提供一种基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置，包括数据采集模块、采集辅助模块、数据传输模块和数据分析处理模块；其中数据采集模块包括二维激光雷达3和标定模块7，其中标定模块7由三个相互垂直的非透明正方形平面组成；采集辅助模块包括支撑架1和设置在支撑架1上的旋转云台2，所述的二维激光雷达3设置在旋转云台2上，旋转云台2由数据分析处理模块控制。优选的，所述的数据传输模块包括网络传输模块4和大比特率数据传输模块5，二维激光雷达3采集的数据依次通过网络传输模块4和大比特率数据传输模块5，然后通过串口传输至所述的数据分析处理模块；所述的大比特率数据传输模块的传输速率为500kbps以上。本实施例中，选用单线二维激光雷达，可对大场景内物体进行距离测量，最大测量范围达到80m，测量角度达到180°，精度为0.25°，频率为75Hz；标定模块由三个正方形平面组成，正方形边长30cm，互相垂直，具有不透明、不变形的特性。由于二维激光雷达的频率达到7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置，其特征在于：它包括数据采集模块、采集辅助模块、数据传输模块和数据分析处理模块；其中数据采集模块包括二维激光雷达和标定模块，其中标定模块由三个相互垂直的非透明正方形平面组成；采集辅助模块包括支撑架和设置在支撑架上的旋转云台，所述的二维激光雷达设置在旋转云台上，旋转云台由数据分析处理模块控制。

【技术特征摘要】
1.一种利用基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置实现的标定方法，其特征在于：基于旋转式二维激光三维重构系统的标定装置包括数据采集模块、采集辅助模块、数据传输模块和数据分析处理模块；其中数据采集模块包括二维激光雷达和标定模块，其中标定模块由三个相互垂直的非透明正方形平面组成；采集辅助模块包括支撑架和设置在支撑架上的旋转云台，所述的二维激光雷达设置在旋转云台上，旋转云台由数据分析处理模块控制；本方法包括以下步骤：S1、通过二维激光雷达在旋转云台的旋转过程中获取大场景距离信息；S2、二维激光雷达与大场景标定建模：运用标定模块，将二维激光雷达与大场景标定转化为视觉领域的perspective-three-point问题，对二维激光坐标系与世界坐标系进行统一；定义激光坐标系[XL,YL,ZL]T，以激光至标定模块方向为x轴，以扫描方向为y轴，x轴与y轴构成扫描面，垂直于扫描面为z轴；定义世界坐标系[XW,YW,ZW]T，以标定模块三个平面交线建立世界坐标系，坐标系满足右手法则；所述的S2具体为：在激光坐标系下，运用二维激光雷达发出的二维激光对标定模块进行测距，使激光同时对三个相互垂直的非透明正方形平面进行扫描，分别得到三条直线，求得三条直线的交点在激光坐标系下的坐标；根据所测距离信息解得三条直线的交点在世界坐标系下的坐标；通过三条直线的交点分别在激光坐标系和世界坐标系下的坐标，建立激光坐标系和世界坐标系的关系矩阵方程：...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡钊政，李祎承，胡月志，李娜，谢磊，王相龙，褚端峰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42