一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置及标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置及标定方法；标定装置由标定板、空心四面体挡板、支架构成。标定板为几何中心设有十字标志且高宽比为1：2的矩形板，以十字为中心生成边长L的正方形并以之为对称中心拓展生成9×17个黑白相间正方形格，在特定位置设置4个等腰直角三角形并将其挖空，空洞后面特定的空心四面体挡板，四面体的底与空洞吻合使正视标定板无空洞出现，标定板两侧有L/2宽度空余通过特定支架固定。标定方法：使用激光雷达探测、相机拍摄标定装置，根据本发明专利技术提出的“拟合插值法”计算特征点在激光雷达坐标系坐标以及相机像素坐标系坐标，获取足够多特征点对后带入坐标转换公式即可得到两个坐标系相对位置关系。

A Calibration Device and Method for Joint Calibration of Lidar and Camera

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置及标定方法
本专利技术涉及激光雷达数据处理、图像数据处理以及多传感器数据融合领域，具体涉及一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置及其标定方法。
技术介绍
目前对于激光雷达与相机的联合应用愈加广泛，二者进行数据融合的前提是进行联合标定，即获取激光雷达坐标系与相机像素坐标系之间的关系。特征点法是最常用且简单的标定方法，其标定误差主要来源于特征点对分别在激光雷达坐标系与图像像素坐标系下特征点坐标的确定，主要与标定板的设计及相应标定方法有关，因此标定板的结构设计及其对应的标定方法至关重要，是保证后期数据处理准确性的前提。用于激光雷达与相机联合标定的标定板设计形态各异，没有统一的标定板形状与标定方法。对于相机标定，多采用黑白棋盘格作为标定板，利用其较易检测到的角点进行标定与畸变校准；但是激光雷达只对深度信息敏感，黑白棋盘格不具有深度信息，所以无法利用其进行激光雷达标定。另外由于激光扫描线的不可见性无法在相机采集的图像中准确获得对应特征点的位置及坐标，因此以往的各种标定方法都存在很大的人工误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置及其标定方法，解决目前标定装置及标定方法不统一、适应性差、标定装置无法同时满足激光雷达与相机的标定需求且误差较大的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置包括标定板、空心四面体挡板和支架，其中标定板上设置有深度信息和角点信息；所述标定板由高宽比为1：2的矩形板构成，标定板的正面绘制有9×17个黑白相间的正方形格子，所述正方形格子的边长为L，标定板的中心设置有十字标志；标定板的左右两侧分别设置有宽度为L/2的标定板固定处，以最左下方的正方形格子的左下顶点为原点O，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，建立标定板坐标系，坐标系单位长度为L，则各正方形格子的顶点坐标从左到右，从下到上依次表示为：(0，0),(0，1)，(0，2)......(0，17)；(1，0),(1，1)，(1，2)......(1，17)，···(9，0),(9，1)，(9，2)......(9，17)；所述标定板中设置有四个等腰直角三角形Ti(i＝1，2，3，4)，且四个等腰直角三角形位置打通形成三角形空洞，位于标定板正面的三角形空洞的顶点坐标分别为：(1，5)(4，8)(7，5)、(10，5)(13，8)(16，5)、(2，1)(5，4)(8，1)及(9，1)(12，4)(15，1)，各三角形空洞均满足腰长为底边长为6L；所述空心四面体挡板由两个边长为的正三角形板构成，空心四面体挡板分别安装于各三角形空洞背面，空心四面体挡板的底面与三角形空洞等大，即直角边长为斜边长为6L；所述支架相对称的设置于所述标定板的两侧用于固定标定板，支架的宽为L/2，支架的底部设置有底座，支架上设置有固定凹槽，所述固定凹槽的宽度与标定板的厚度相匹配，所述支架从上到下等间距的设置有前后贯通的通孔，所述通孔下方设置有位置标记，通过在不同高度的通孔内插入阻隔棒以调整标定板的高度。其中，所述底座为棱台形结构，所述底座和支架通过螺钉连接固定；所述阻隔棒上设有螺纹，插入通孔后可通过对侧使用螺母进行固定。其中，空心四面体挡板采用以下方式制作安装：所述空心四面体挡板由长为宽为的长方形板裁切弯压而成，裁切部分分别为直角边为与的长方形左下角与右下角以及直角边为与的长方形左上角与右上角；弯压后产生的空心四面体挡板分为突起部分与非突起部分，突起部分与标定板构成四面体状，即空心四面体挡板突起部分非公共的两条边与三角形空洞的两条直角边完全贴合，将空心四面体挡板固定在三角形空洞后，正视标定板无空洞出现；空心四面体挡板突起部分两侧各有一个非突起部分，各非突起部分设有两个通孔，在标定板对应位置打上通孔后可利用螺丝与螺母可将空心四面体挡板固定在标定板上；一种用于激光雷达与相机联合标定的标定方法，基于上述标定装置，可通过“拟合插值法”寻找特征点对进行激光雷达与相机进行联合标定，具体包括以下步骤：步骤S1：调整标定板的位置和高度，使标定板与激光雷达、相机的视场角及分辨率相匹配，标定板高度设置应保证标定板主体中心十字标志与激光雷达中心高度一致；步骤S2：使用激光雷达扫描标定板正面，同时使用相机拍照；步骤S3：根据标定板结构，激光雷达一条扫描线将会存在6个距离的突变点，上述6个突变点在激光雷达坐标系下的坐标可通过点云直线拟合后求交点得知，选取扫描线与标定板上直角三角形直角边相交的4个距离突变点作为特征点，从左至右依次标记为M1、M2、M3、M4；步骤S4：根据步骤S3中直线拟合求得的交点坐标可计算得到|M1M2|、|M2M3|、|M3M4|，根据上述距离值组合判断扫描线的位置区域；步骤S5：根据标定板坐标系，每个等腰直角三角形的边都有对应的直线方程，对于M1点假设其X坐标为xm1，根据直线方程及M1点所在行数，即当前扫描线所在行数，求得其Y坐标ym1＝f(xm1)；同理应用于M2、M3、M4点，将每个点坐标统一至只存在单未知数；步骤S6：根据上述4点坐标、距离值及共线条件，求解出以上4点在直角坐标系中的坐标，具体求解方式如下：设各点坐标为M1(xm1，ym1)、M2(xm2，ym2)、M3(xm3，ym3)、M4(xm4，ym4)，|M1M2|＝l1、|M3M4|＝l2，则有步骤S7：通过处理相机拍摄的图像获得标定板各个角点在像素坐标系下的坐标，最后结合M1、M2、M3、M44点以及以上4点所在斜边对应的角点在直角坐标系中的坐标的对应关系，求解得到M1、M2、M3、M44点的像素坐标，具体求解如下：设在标定板坐标系中M1点所在斜边对应的角点M1’、M1”及M1点的坐标分别为(x'm1,y'm1)(x”m1,y”m1)(xm1,ym1)，像素坐标系中上述3点坐标分别为(u1,v1)(u2,v2)(u,v)，则有步骤S8：通过上述步骤获得4组特征点分别在激光雷达坐标系下的坐标与对应像素坐标系下的坐标，对于多线激光雷达假设雷达线数为n(n≥2)，将获得4n组特征点(4n≥5)，将特征点坐标代入坐标系转换方程求得激光雷达坐标系与相机坐标系之间的转换关系；对于单线激光雷达逐次调整标定板高度，分时获取更多特征点对信息，最终完成标定。其中，步骤S4中的具体判断方法如下：a)|M1M2|≤2L且7L<|M2M3|≤9L，表明扫描线在从上往下数第二行格子；b)2L<|M1M2|≤4L且5L<|M2M3|≤7L，表明扫描线在从上往下数第三行；c)4L<|M1M2|≤6L且3L<|M2M3|≤5L，表明扫描线在从上往下数第四行；d)|M1M2|≤2L且5L<|M2M3|≤7L，表明扫描线在从上往下数第六行；e)2L<|M1M2|≤4L且3L<|M2M3|≤5L，表明扫描线在从上往下数第七行；f)4L<|M1M2|≤6L且L<|M2M3|≤3L，表明扫描线在从上往下数第八行。其中，步骤S7中M1、M2、M3、M44点以及以上4点所在斜边对应的角点在直角坐标系中的坐标的对应关系包括共线关系以及各点在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置，其特征在于，所述标定装置包括标定板、空心四面体挡板和支架，所述标定板上设置有深度信息和角点信息；所述标定板由高宽比为1：2的矩形板构成，标定板的正面绘制有9×17个黑白相间的正方形格子，所述正方形格子的边长为L，标定板的中心设置有十字标志；标定板的左右两侧分别设置有宽度为L/2的标定板固定处，以最左下方的正方形格子的左下顶点为原点O，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，建立标定板坐标系，坐标系单位长度为L，则各正方形格子的顶点坐标从左到右，从下到上依次表示为：(0，0),(0，1)，(0，2)......(0，17)；(1，0),(1，1)，(1，2)......(1，17)，···(9，0),(9，1)，(9，2)......(9，17)；所述标定板中设置有四个等腰直角三角形Ti(i＝1，2，3，4)，且四个等腰直角三角形位置打通形成有三角形空洞，位于标定板正面的三角形空洞的顶点坐标分别为：(1，5)(4，8)(7，5)、(10，5)(13，8)(16，5)、(2，1)(5，4)(8，1)及(9，1)(12，4)(15，1)，各三角形空洞均满足腰长为...

【技术特征摘要】
1.一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置，其特征在于，所述标定装置包括标定板、空心四面体挡板和支架，所述标定板上设置有深度信息和角点信息；所述标定板由高宽比为1：2的矩形板构成，标定板的正面绘制有9×17个黑白相间的正方形格子，所述正方形格子的边长为L，标定板的中心设置有十字标志；标定板的左右两侧分别设置有宽度为L/2的标定板固定处，以最左下方的正方形格子的左下顶点为原点O，向右为X轴正方向，向上为Y轴正方向，建立标定板坐标系，坐标系单位长度为L，则各正方形格子的顶点坐标从左到右，从下到上依次表示为：(0，0),(0，1)，(0，2)......(0，17)；(1，0),(1，1)，(1，2)......(1，17)，···(9，0),(9，1)，(9，2)......(9，17)；所述标定板中设置有四个等腰直角三角形Ti(i＝1，2，3，4)，且四个等腰直角三角形位置打通形成有三角形空洞，位于标定板正面的三角形空洞的顶点坐标分别为：(1，5)(4，8)(7，5)、(10，5)(13，8)(16，5)、(2，1)(5，4)(8，1)及(9，1)(12，4)(15，1)，各三角形空洞均满足腰长为底边长为6L；所述空心四面体挡板由两个边长为的正三角形板构成，空心四面体挡板分别安装于各三角形空洞背面，空心四面体挡板的底面与三角形空洞等大，即直角边长为斜边长为6L；所述支架相对称的设置于所述标定板的两侧用于固定标定板，支架的宽为L/2，支架的底部设置有底座，支架上设置有固定凹槽，所述固定凹槽的宽度与标定板的厚度相匹配，所述支架从上到下等间距的设置有前后贯通的通孔，所述通孔下方设置有位置标记，通过在不同高度的通孔内插入阻隔棒以调整标定板的高度。2.根据权利要求1所述一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置，其特征在于，所述底座为棱台形结构，所述底座和支架通过螺钉连接固定；所述阻隔棒上设有螺纹，插入通孔后可通过对侧使用螺母进行固定。3.根据权利要求1所述一种用于激光雷达与相机联合标定的标定装置，其特征在于，空心四面体挡板采用以下方式制作安装：所述空心四面体挡板由长为宽为的长方形板裁切弯压而成，裁切部分分别为直角边为与的长方形左下角与右下角以及直角边为与的长方形左上角与右上角；弯压后产生的空心四面体挡板分为突起部分与非突起部分，突起部分与标定板构成四面体状，即空心四面体挡板突起部分非公共的两条边与三角形空洞的两条直角边完全贴合，将空心四面体挡板固定在三角形空洞后，正视标定板无空洞出现；空心四面体挡板突起部分两侧各有一个非突起部分，各非突起部分设有两个通孔，在标定板对应位置打上通孔后可利用螺丝与螺母可将空心四面体挡板固定在标定板上。4.一种用于激光雷达与相机联合标定的标定方法，基于权利要求1所述的标定装置，其特征在于，该方法通过“拟合插值法”寻找特征点对进行激光雷达与相机联合标定，具体包括以下步骤：步骤S1：调整标定板的位置和高度，使标定板与激光雷达、相机的视场角及分辨率相匹配，标定板高度设置应保证标定板主体中心十字标志与激光雷达中心高度一致；步骤S2：...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡怀宇，庞伟凇，陈晓冬，汪毅，卓励然，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12