一种基于标定场的激光雷达两步标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，包括步骤：建立标定场、定标、角度标定准备、经纬仪组网、激光雷达扫描、经纬仪测量、建立角度修正方程、计算角度修正系数、建立基线场、激光雷达测量、经纬仪测量、建立距离修正方程、计算距离修正系数；本发明专利技术通过采用不需要精密设计与加工的标定装置作为标定基准，实现了对激光雷达的快速标定；解决了常规方法对测试场地、标定场以及标定装置要求过高的问题；通过转台配合实现整个测试过程，降低了测试难度，克服了常规方法难以保证全视场角度修正精度的难题；通过标定场与基线场的分步测试，达到了从标定模型中，分离距离修正的效果，弥补了常规方法距离参数与角度参数相互耦合的缺陷。

A two step calibration method for lidar based on calibration field

The invention discloses a method comprising the steps of laser radar calibration field two step calibration method based on: the establishment of calibration field calibration, calibration, angle preparation, theodolite network, laser radar scanning, theodolite, build angle correction equation, calculate the angle correction coefficient, establish baseline, laser radar measurement, theodolite and the establishment of distance correction equation, calculating the distance correction coefficient; calibration device of the invention adopts doesn't need precise design and processing as the calibration reference, realizes the fast calibration of laser radar; solve the conventional method for the test site, the calibration field and the calibration device is too high; with the realization of the whole test process by turntable, reduce the difficulty in testing, overcomes the problem of difficult to ensure the full field of view angle correction accuracy; through the calibration of field and baseline The step test has achieved the effect of separating the range correction from the calibration model, thus making up the defects of the coupling of the distance parameter and the angle parameter of the conventional method.

【技术实现步骤摘要】
一种基于标定场的激光雷达两步标定方法
本专利技术涉及一种激光雷达的标定方法，属于成像敏感器标定

技术介绍
激光雷达是用于对空间非合作目标进行目标捕获、距离和角度测量、位置和姿态测量以及三维重构的新型激光测量敏感器。为保证激光雷达对非合作目标的成功捕获概率，要求该敏感器在整个测程内，均具有较高的角度测量精度。因此，如何高精度的修正激光雷达的测角和测距误差、确定激光雷达测量本体系的位置和姿态，是实现敏感器高精度测量的前提，也是激光雷达标定需解决的问题。现有技术中，常规方法多采用平面度较好的平板、利用平面特征约束标定激光雷达，上述方法一方面对标定装置具有较高的设计和加工要求；另一方面，虽然能够在一定程度上，修正激光雷达测量的系统误差，但由于标定时，距离测量参数与角度参数相互耦合，使得其角度标定受到距离测量精度的影响难以保证其标定精度。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，通过采用不需要精密设计与加工的标定装置作为标定基准，实现了对激光雷达的快速标定；解决了常规方法对测试场地、标定场以及标定装置要求过高的问题；通过转台配合实现整个测试过程，降低了测试难度，克服了常规方法难以保证全视场角度修正精度的难题；通过标定场与基线场的分步测试，达到了从标定模型中，分离距离修正的效果，弥补了常规方法距离参数与角度参数相互耦合的缺陷。本专利技术的技术解决方案是：一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，包括如下步骤：步骤一：将N个反射目标布设在黑色背景板上，建立激光雷达角度标定场；步骤二：利用摄影测量相机定标标定场，测量N个反射目标的几何中心在标定场本体坐标系下的位置，坐标值设为(XCi，YCi，ZCi)；步骤三：将激光雷达安装于转台上，设置激光雷达的初始扫描范围及转台角度，并在激光雷达的出光方向上放置标定场；步骤四：架设第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3进行绝对定向；步骤五：定义激光雷达基准镜坐标系，利用第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3准直建立激光雷达基准镜坐标系；步骤六：从N个反射目标中选取U个目标，利用第二经纬仪A2和第三经纬仪A3测量U个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的位置，对应的坐标值分别设为(XJPk，YJPk，ZJPk)，XJPk，YJPk，ZJPk分别为第k个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；步骤七：根据步骤二和步骤六获得的数据，计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；步骤八：激光雷达扫描测量标定场，测量N个反射目标的三维点云数据；步骤九：对三维点云数据进行处理，计算激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)，Li表示第i个反射目标的几何中心距激光雷达的距离，βi和αi分别表示第i个反射目标的几何中心相对于激光雷达的垂直角和水平角；步骤十：标定场固定不动，调整激光雷达的扫描角度和转台的俯仰、偏航角，重复步骤四至步骤九，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描测量；步骤十一：将步骤七和步骤九的测量数据一一对应，建立角度修正方程，计算激光雷达角度修正系数；步骤十二：按照不同的间隔距离设置目标，建立激光雷达距离标定用基线场；步骤十三：架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1进行绝对定向；步骤十四：按照步骤五定义的激光雷达基准镜坐标系，通过第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1建立激光雷达基准镜坐标系；步骤十五：利用全站仪C1测量基线场的基线长度；步骤十六：通过激光雷达定角测量基线场中的每一段基线距离；步骤十七：将步骤十五和步骤十六的测量数据一一对应，建立测距修正方程，并计算激光雷达距离修正系数。在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤一中，标定场由目标和背景板两部分组成，目标为白色圆形漫反射目标，目标的直径dT与激光光斑的束腰直径dS相同；背景板由黑色阳极氧化处理的铝板制成，尺寸不小于1m×1m；将N个圆形漫反射目标，N不少于100，以不小于4*dT的间隔布设在背景板上。在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤三至步骤十中，将激光雷达视场Fov×Fov分为p×p个子区域，每个大小的视场子区域对应激光雷达的一组扫描参数，包括扫描中心角度(MotorX,MotorY)和扫描角度范围其中：MotorX和MotorY分别为X电机和Y电机转动的中心角度值，两个电机转动时，分别在MotorX±D范围内和MotorY±D范围内转动；设置完成第一个视场子区域的扫描参数后，在水平和竖直方向上移动标定场，使得标定场内的反射目标能够充满第一个视场子区域，记录此时的转台角度(yaw0,pitch0)，其中：yaw0表示转台的偏航角度值，pitch0表示转台的俯仰角度值；按照步骤四至步骤九完成第一个视场子区域的测试；然后设置激光雷达扫描参数，使激光雷达工作在第二视场子区域，第二视场子区域的扫描中心角度设为将转台的偏航角度反向调整为将转台的俯仰角度反向调整为yaw0，使得在标定场固定不动的情况下，仍能够覆盖激光雷达的第二视场子区域，并继续按照步骤四至步骤九完成第二视场子区域的测试；按照上述方式依次完成其余视场子区域的测试，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描。在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤四中，第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向架设第一经纬仪A1，第一经纬仪A1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向架设第二经纬仪A2，第二经纬仪A2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；第三经纬仪A3与第一经纬仪A1对标定场的观测夹角不小于60°。在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤五中，以基准镜几何中心为坐标系原点，基准镜前端面法线指向激光雷达视场方向的一侧为+Z方向，基准镜侧端面法线沿激光出射方向为+X方向，+Y方向按照右手法则定义；第一经纬仪A1沿Z方向准直基准镜，第二经纬仪A2沿X方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第一经纬仪A1、第二经纬仪A2的俯仰和偏航角度；第二经纬仪A2和第三经纬仪A3采用前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤六中，在标定场的上、下、左、右和中间区域选取U个漫反射目标Pk，U不少于10。在上述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法中，所述步骤七中，按照下式计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)；R＝(A·BT)·(B·BT)-1其中：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：将N个反射目标布设在黑色背景板上，建立激光雷达角度标定场；步骤二：利用摄影测量相机定标标定场，测量N个反射目标的几何中心在标定场本体坐标系下的位置，坐标值设为(XCi，YCi，ZCi)；步骤三：将激光雷达安装于转台上，设置激光雷达的初始扫描范围及转台角度，并在激光雷达的出光方向上放置标定场；步骤四：架设第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3进行绝对定向；步骤五：定义激光雷达基准镜坐标系，利用第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3准直建立激光雷达基准镜坐标系；步骤六：从N个反射目标中选取U个目标，利用第二经纬仪A2和第三经纬仪A3测量U个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的位置，对应的坐标值分别设为(XJPk，YJPk，ZJPk)，XJPk，YJPk，ZJPk分别为第k个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；步骤七：根据步骤二和步骤六获得的数据，计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；步骤八：激光雷达扫描测量标定场，测量N个反射目标的三维点云数据；步骤九：对三维点云数据进行处理，计算激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)，Li表示第i个反射目标的几何中心距激光雷达的距离，βi和αi分别表示第i个反射目标的几何中心相对于激光雷达的垂直角和水平角；步骤十：标定场固定不动，调整激光雷达的扫描角度和转台的俯仰、偏航角，重复步骤四至步骤九，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描测量；步骤十一：将步骤七和步骤九的测量数据一一对应，建立角度修正方程，计算激光雷达角度修正系数；步骤十二：按照不同的间隔距离设置目标，建立激光雷达距离标定用基线场；步骤十三：架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1进行绝对定向；步骤十四：按照步骤五定义的激光雷达基准镜坐标系，通过第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1建立激光雷达基准镜坐标系；步骤十五：利用全站仪C1测量基线场的基线长度；步骤十六：通过激光雷达定角测量基线场中的每一段基线距离；步骤十七：将步骤十五和步骤十六的测量数据一一对应，建立测距修正方程，并计算激光雷达距离修正系数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：将N个反射目标布设在黑色背景板上，建立激光雷达角度标定场；步骤二：利用摄影测量相机定标标定场，测量N个反射目标的几何中心在标定场本体坐标系下的位置，坐标值设为(XCi，YCi，ZCi)；步骤三：将激光雷达安装于转台上，设置激光雷达的初始扫描范围及转台角度，并在激光雷达的出光方向上放置标定场；步骤四：架设第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3进行绝对定向；步骤五：定义激光雷达基准镜坐标系，利用第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3准直建立激光雷达基准镜坐标系；步骤六：从N个反射目标中选取U个目标，利用第二经纬仪A2和第三经纬仪A3测量U个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的位置，对应的坐标值分别设为(XJPk，YJPk，ZJPk)，XJPk，YJPk，ZJPk分别为第k个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；步骤七：根据步骤二和步骤六获得的数据，计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)，XJi，YJi，ZJi分别为第i个反射目标在激光雷达基准镜坐标系X方向、Y方向和Z方向的坐标分量；步骤八：激光雷达扫描测量标定场，测量N个反射目标的三维点云数据；步骤九：对三维点云数据进行处理，计算激光雷达对每个反射目标的几何中心位置的测量数据(Li，βi，αi)，Li表示第i个反射目标的几何中心距激光雷达的距离，βi和αi分别表示第i个反射目标的几何中心相对于激光雷达的垂直角和水平角；步骤十：标定场固定不动，调整激光雷达的扫描角度和转台的俯仰、偏航角，重复步骤四至步骤九，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描测量；步骤十一：将步骤七和步骤九的测量数据一一对应，建立角度修正方程，计算激光雷达角度修正系数；步骤十二：按照不同的间隔距离设置目标，建立激光雷达距离标定用基线场；步骤十三：架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1，通过互瞄内觇标和绝对长度测量对架设第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1进行绝对定向；步骤十四：按照步骤五定义的激光雷达基准镜坐标系，通过第四经纬仪B1、第五经纬仪B2和全站仪C1建立激光雷达基准镜坐标系；步骤十五：利用全站仪C1测量基线场的基线长度；步骤十六：通过激光雷达定角测量基线场中的每一段基线距离；步骤十七：将步骤十五和步骤十六的测量数据一一对应，建立测距修正方程，并计算激光雷达距离修正系数。2.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤一中，标定场由目标和背景板两部分组成，目标为白色圆形漫反射目标，目标的直径dT与激光光斑的束腰直径dS相同；背景板由黑色阳极氧化处理的铝板制成，尺寸不小于1m×1m；将N个圆形漫反射目标，N不少于100，以不小于4*dT的间隔布设在背景板上。3.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤三至步骤十中，将激光雷达视场Fov×Fov分为p×p个子区域，每个大小的视场子区域对应激光雷达的一组扫描参数，包括扫描中心角度(MotorX,MotorY)和扫描角度范围其中：MotorX和MotorY分别为X电机和Y电机转动的中心角度值，两个电机转动时，分别在MotorX±D范围内和MotorY±D范围内转动；设置完成第一个视场子区域的扫描参数后，在水平和竖直方向上移动标定场，使得标定场内的反射目标能够充满第一个视场子区域，记录此时的转台角度(yaw0,pitch0)，其中：yaw0表示转台的偏航角度值，pitch0表示转台的俯仰角度值；按照步骤四至步骤九完成第一个视场子区域的测试；然后设置激光雷达扫描参数，使激光雷达工作在第二视场子区域，第二视场子区域的扫描中心角度设为将转台的偏航角度反向调整为将转台的俯仰角度反向调整为yaw0，使得在标定场固定不动的情况下，仍能够覆盖激光雷达的第二视场子区域，并继续按照步骤四至步骤九完成第二视场子区域的测试；按照上述方式依次完成其余视场子区域的测试，直至激光雷达视场Fov×Fov范围均完成对标定场的扫描。4.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤四中，第一经纬仪A1、第二经纬仪A2和第三经纬仪A3的架设方法为：沿激光雷达基准镜的前端面法线方向架设第一经纬仪A1，第一经纬仪A1距激光雷达基准镜的距离不小于1m；沿激光雷达基准镜的侧端面法线方向架设第二经纬仪A2，第二经纬仪A2距激光雷达基准镜的距离不小于1m；第三经纬仪A3与第一经纬仪A1对标定场的观测夹角不小于60°。5.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤五中，以基准镜几何中心为坐标系原点，基准镜前端面法线指向激光雷达视场方向的一侧为+Z方向，基准镜侧端面法线沿激光出射方向为+X方向，+Y方向按照右手法则定义；第一经纬仪A1沿Z方向准直基准镜，第二经纬仪A2沿X方向准直基准镜，测量基准镜+Z轴、+X轴分别相对于第一经纬仪A1、第二经纬仪A2的俯仰和偏航角度；第二经纬仪A2和第三经纬仪A3采用前方交会方法测量，测量基准镜前端面几何中心的位置，并将此位置沿基准镜-Z方向平移基准镜边长一半的距离，以平移后的位置为基准镜坐标系的原点，建立激光雷达基准镜坐标系。6.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤六中，在标定场的上、下、左、右和中间区域选取U个漫反射目标Pk，U不少于10。7.根据权利要求1所述的一种基于标定场的激光雷达两步标定方法，其特征在于：所述步骤七中，按照下式计算N个反射目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值(XJi，YJi，ZJi)；R＝(A·BT)·(B·BT)-1其中：(XCPk,YCPk,ZCPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在标定场本体坐标系下的坐标值；表示U个反射目标的重心在标定场本体坐标系下的坐标值；(XJPk,YJPk,ZJPk)表示U个反射目标中，第k个目标的几何中心在激光雷达基准镜坐标系下的坐标值；表示U个反射目标的重心在在激光雷达基准镜坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴奋陟，王立，郭绍刚，朱飞虎，吴云，刘达，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11