一种用于激光-IMU外参标定的方法及系统技术方案

本公开提出了一种用于激光‑IMU外参标定的方法及系统，获取IMU测量数据和激光雷达的测量数据；对获得的IMU测量数据进行IMU预积分，计算获得IMU下一时刻相对IMU初始位姿的IMU位姿变换估算值，根据估算值和下一时刻IMU的实际测量值，获得数据关联的关联残差；对激光雷达的测量数据进行处理，利用IMU预积分将获得多个激光雷达点重投影到世界坐标系的投影坐标，计算每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差；采用非线性最小二乘方法，迭代优化激光雷达‑IMU外参标定，获得外参标定结果。解决了激光‑IMU外参标定中机械外参不易获得，人工测量误差较大，且测量比较麻烦的问题，在一定程度上相互弥补激光雷达与IMU的各自的缺点，可以提高SLAM方法的位姿求解精度和速度。

A method and system for laser IMU external parameter calibration

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光-IMU外参标定的方法及系统
本公开涉及机器人相关
，具体的说，是涉及一种用于激光-IMU外参标定的方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，并不必然构成在先技术。近年来，机器人行业已经提出了各种同时定位和建图的多传感器融合方法，这些技术都依赖于传感设备间精确地外部校准和同步。机器人在缺少地图信息和无GPS环境中，例如室内，森林，以及矿井等。机器人的SLAM(同时定位和建图)技术承担了重要的作用。在同时定位和建图过程中，机器人位姿的求解的实时性和准确性直接决定了SLAM建图的效果。惯性测量单元(简称为IMU)、激光雷达和视觉相机都是常用的测算机器人位姿的设备。专利技术人发现，IMU数据可以提高SLAM位姿求解的速度，但是IMU的测量存在极大的误差难以消除；激光雷达通常会在每一帧扫描中收集一系列3D点，如果不对外参进行标定，在进行激光里程计定位或者SLAM建图过程中去表达运动方式时会发生测量畸变导致运动失真。激光雷达可以提高位姿求解的精度，但是计算过程过于耗费资源，实时性差。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种用于激光-IMU外参标定的方法及系统，实现激光雷达(Lidar)与IMU紧耦合，对激光-IMU外参进行准确标定，解决激光-IMU外参标定中机械外参不易获得，人工测量误差较大，且测量比较麻烦的问题，在一定程度上相互弥补激光雷达(Lidar)与IMU的各自的缺点，可以提高SLAM方法的位姿求解精度和速度，本公开的外参标定方法可应用于激光雷达-IMU两种传感器的组合系统。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：一个或多个实施例提供了一种用于激光-IMU外参标定的方法，包括如下步骤：获取IMU测量数据和激光雷达的测量数据；对获得的IMU测量数据进行IMU预积分，计算获得IMU下一时刻相对IMU初始位姿的IMU位姿变换估算值，根据估算值和下一时刻IMU的实际测量值，获得数据关联的关联残差；对激光雷达的测量数据进行处理，利用IMU预积分将获得多个激光雷达点重投影到世界坐标系的投影坐标，计算每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差；根据关联残差和计算获得的每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差，采用非线性最小二乘方法，迭代优化激光雷达-IMU外参标定，获得外参标定结果。一种用于激光-IMU外参标定的系统，包括：数据获取模块：用于获取IMU测量数据和激光雷达的测量数据；第一数据处理模块：用于对获得的IMU测量数据进行IMU预积分，计算获得IMU下一时刻相对IMU初始位姿的IMU位姿变换估算值，根据估算值和下一时刻IMU的实际测量值，获得数据关联的关联残差；第二数据处理模块：用于对激光雷达的测量数据进行处理，利用IMU预积分将获得多个激光雷达点重投影到世界坐标系的投影坐标，计算每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差；外参标定结果计算模块：用于根据关联残差和计算获得的每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差，采用非线性最小二乘方法，迭代优化激光雷达-IMU外参标定，获得外参标定结果。一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开通过构建贝叶斯网，将m+1帧激光数据到来时IMU的位姿数据与m帧时IMU的位姿信息预测得到的m+1帧IMU位姿信息相减，得到IMU在m帧激光数据时刻的位姿残差，作为参数标定的约束条件，可以提高外参标定的准确性。本公开通过利用激光坐标系和IMU坐标系之间的重投影，确定激光雷达点的残差作为外参标定的约束条件。并利用每帧之间的IMU预积分求得的相对位姿变换，避免了激光雷达激光点的累计误差。本公开通过构建激光因子和IMU因子之间的数据关系，利用非线性最小二乘法对多帧数据进行联合优化，避免了因为噪声和IMU偏置等问题导致的数据模糊导致的方程无法求解等问题。通过数据关联和迭代多帧数据，将意外因素影响降低，使求解过程更具有鲁棒性，更接近真实值。本公开利用IMU预积分的思想解决激光雷达扫描中的运动失真，并且考虑了IMU预积分在进行优化之前存在偏差bf和时间漂移δt，通过一阶展开法加入偏差修正，来提高外参标定优化的效果。本公开的方法不用预先使用机械外参进行计算，避免了机械测量的繁琐复杂等问题。本公开的方法通过算法对外参进行计算优化，提高了外参测量的精度并免去了测量误差。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。图1是本公开实施例1的方法流程图；图2是本公开实施例1的激光位姿变换表示及重投影误差示意图；图3是本公开实施例1校准目标图像示例；图4是本公开实施例1的激光雷达因子和IMU因子之间的表示。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。技术术语解释：IMU：(英文：Inertialmeasurementunit，简称IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种用于激光-IMU外参标定的方法，包括如下步骤：步骤1、获取IMU测量数据和激光雷达的测量数据；步骤2、对获得的IMU测量数据进行IMU预积分，计算获得IMU下一时刻相对IMU初始位姿的IMU位姿变换估算值，根据估算值和下一时刻IMU的实际测量值，获得数据关联的关联残差；步骤3、对激光雷达的测量数据进行处理，利用IMU预积分将获得多个激光雷达点重投影到世界坐标系的投影坐标，计算每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差；步骤4、根据关联残差和计算获得的每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差，采用非线性最小二乘方法，迭代优化激光雷达-IMU外参标定，获得外参标定结果。外参标定结果包括IMU到激光雷达的姿态差异Rc和位置差异pc，IM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光-IMU外参标定的方法，其特征是，包括如下步骤：/n获取IMU测量数据和激光雷达的测量数据；/n对获得的IMU测量数据进行IMU预积分，计算获得IMU下一时刻相对IMU初始位姿的IMU位姿变换估算值，根据估算值和下一时刻IMU的实际测量值，获得数据关联的关联残差；/n对激光雷达的测量数据进行处理，利用IMU预积分将获得多个激光雷达点重投影到世界坐标系的投影坐标，计算每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差；/n根据关联残差和计算获得的每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差，采用非线性最小二乘方法，迭代优化激光雷达-IMU外参标定，获得外参标定结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于激光-IMU外参标定的方法，其特征是，包括如下步骤：
获取IMU测量数据和激光雷达的测量数据；
对获得的IMU测量数据进行IMU预积分，计算获得IMU下一时刻相对IMU初始位姿的IMU位姿变换估算值，根据估算值和下一时刻IMU的实际测量值，获得数据关联的关联残差；
对激光雷达的测量数据进行处理，利用IMU预积分将获得多个激光雷达点重投影到世界坐标系的投影坐标，计算每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差；
根据关联残差和计算获得的每个激光雷达点到校准目标地图的重投影误差，采用非线性最小二乘方法，迭代优化激光雷达-IMU外参标定，获得外参标定结果。


2.如权利要求1所述的一种用于激光-IMU外参标定的方法，其特征是：对获得的IMU测量数据进行IMU预积分，计算获得IMU下一时刻相对IMU初始位姿的IMU位姿变换估算值，计算公式如下：









其中，t为当前时刻,t+Δt时刻为下一时刻，R(t+Δt)为t+Δt时刻IMU姿态，v(t+Δt)为t+Δt时刻IMU的速度，p(t+Δt)为t+Δt时刻IMU姿态的位置，R(t)为t时刻IMU姿态,V(t)为t时刻IMU的速度,p(t)为t时刻IMU姿态的位置；bg(t)、ba(t)是IMU中陀螺仪和加速度计的偏差，g为重力加速度，为IMU角速度实际测量值ηgd(t)为IMU角速度噪声为IMU加速度实际测量值ηad(t)为IMU加速度噪声。


3.如权利要求1所述的一种用于激光-IMU外参标定的方法，其特征是：数据关联的关联残差具体为：












其中，为IMU在m帧激光扫描时IMU的残差向量，包含姿态残差，速度残差，位置残差，是第m帧激光雷达数据到来时IMU在世界坐标系下的位置，是第m+1帧激光雷达数据到来时IMU在世界坐标系下的位置，是第m帧激光雷达数据到来时IMU在世界坐标系下的姿态，Δtm是第m帧激光雷达数据与上一扫描时刻的时间间隔，是第m帧激光雷达数据到来时IMU在世界坐标系下的速度，g为重力加速度，是在世界坐标系下m帧激光和m+1帧激光之间的位置差值，是第m+1帧激光雷达数据到来时IMU在世界坐标系下的速度，是在世界坐标系下m帧激光和m+1帧激光之间的速度差值，是在世界坐标系下m帧激光和m+1帧激光之间的旋转差值。


4.如权利要求1所述的一种用于激光-IMU外参标定的方法，其特征是：对激光雷达的测量数据进行处理，利用IMU预积分将获得多个激光雷达点重投影到世界坐标系的投影坐标的方法，具体为：
将第i帧激光雷达坐标系FiL中的点Xi，投影到IMU进行第i帧数据采集以IMU原点为中心的坐标系FiI中，获得坐标系FiI中的坐标点；

【专利技术属性】
技术研发人员：宋锐，庞成林，李贻斌，田新城，马昕，荣学文，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37