一种自旋转激光雷达及其旋转轴标定方法技术

本发明专利技术提供一种自旋转激光雷达及其旋转轴标定方法，自旋转激光雷达包括旋转端与固定端，旋转端用于固定激光雷达，固定端用于固定提供旋转动力的设备以及角度传感器；所述提供旋转动力的设备用于带动旋转端旋转，使激光雷达绕自身轴旋转；所述角度传感器用于检测激光雷达绕自身轴旋转的旋转角度。本发明专利技术通过在激光雷达与载体间加装一个自旋转装置，即让激光雷达在载体上绕激光雷达自身做旋转运动，这就将原来从“点”到“线”获取周围空间信息的方式，改变为从“点”到“线”再到“面”的方式，从而可获取更加稠密、视角范围更广的周围空间物体点云信息。

【技术实现步骤摘要】
一种自旋转激光雷达及其旋转轴标定方法
本专利技术涉及激光雷达领域，尤其涉及一种自旋转激光雷达及其旋转轴标定方法。
技术介绍
在无人自动驾驶、无人机自动测绘、机器人等多个领域中，常选用机械式激光雷达作为一种获取周围空间物体位姿的传感器设备，其具有高精度、长测距、抗干扰能力强、体积小、重量轻等特点。在常见的无人驾驶、测绘、机器人等领域，激光雷达机体与载体一般采用固定连接，保持二者的相对静止姿态，通过载体的运动，再机加上激光雷达与定位导航实现周围三维空间物体信息的获取。采用以上方法进行周围空间三维信息的获取，仅仅实现了从“点”到“线”的周围空间物体信息的获取，其获取的周围物体的点云信息会出现信息量不足的缺点，无法实现高精度的实景建模，应用场景受限。
技术实现思路
本专利技术提供的一种自旋转激光雷达及其旋转轴标定方法，主要解决的技术问题是：点云信息获取量不足，影响建模精度。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种自旋转激光雷达，包括旋转端与固定端，旋转端用于固定激光雷达，固定端用于固定提供旋转动力的设备以及角度传感器；所述提供旋转动力的设备用于带动旋转端旋转，使激光雷达绕自身轴旋转；所述角度传感器用于检测激光雷达绕自身轴旋转的旋转角度。进一步的，所述提供旋转动力的设备为伺服电机。本专利技术还提供一种基于自旋转激光雷达的旋转轴标定方法，包括：保持自旋转激光雷达的旋转端与固定端相对静止，通过激光雷达采集标定球的点云数据,记录点云数据为P0，利用角度传感器获取当前旋转位置为α0；通过提供旋转动力的设备驱动旋转端旋转相对角度，并利用角度传感器获取当前旋转位置为α1；并在该旋转位置下保持所述标定球、固定端与地球相对静止，此时使用激光雷达采集所述标定球的点云数据，记录点云数据为P1；获取旋转角度α＝α1-α0；基于所述点云数据P0、P1，使用最小二乘法拟合标定球，获取所述标定球的圆心位置C0(X0,Y0,Z0)与C1(X1，Y1，Z1)；假设激光雷达所绕自身轴的单位向量为n(nx，ny，nz)，且经过点Q(Xq，Yq，Zq)，以构建如下非线性方程组：其中，K＝1-cos(α)，M＝nxXq+nyYq+nzZq，nx2+ny2+nz2＝1；根据已知数据C0(X0,Y0,Z0)、C1(X1，Y1，Z1)、α，采用最小二乘进行求解，即可求得旋转轴的单位向量n(nx，ny，nz)，与经过点Q坐标Q(Xq，Yq，Zq)。进一步的，所述基于所述点云数据P0、P1，使用最小二乘法拟合标定球，获取所述标定球的圆心位置C0(X0,Y0,Z0)与C1(X1，Y1，Z1)包括：E为误差的平方和，优化目标为E值最小，E是X’，Y’，Z’的函数,ei为标定球半径拟合估计值与实际值的差值，其表示如下：ei(X′,Y′,Z′)＝(Xi-X′)2+(Yi-Y′)2+(Zi-Z′)2-R2；其中R为标定球的实际半径值。进一步的，在所述使用最小二乘法拟合标定球，获取所述标定球的圆心位置之前，还包括对点云数据P0、P1去噪滤波。本专利技术的有益效果是：根据本专利技术提供的一种自旋转激光雷达及其旋转轴标定方法，自旋转激光雷达包括旋转端与固定端，旋转端用于固定激光雷达，固定端用于固定提供旋转动力的设备以及角度传感器；所述提供旋转动力的设备用于带动旋转端旋转，使激光雷达绕自身轴旋转；所述角度传感器用于检测激光雷达绕自身轴旋转的旋转角度。本专利技术通过在激光雷达与载体间加装一个自旋转装置，即让激光雷达在载体上绕激光雷达自身做旋转运动，这就将原来从“点”到“线”获取周围空间信息的方式，改变为从“点”到“线”再到“面”的方式，从而可获取更加稠密、视角范围更广的周围空间物体点云信息。附图说明图1为本专利技术的自旋转激光雷达结构示意图；图2为本专利技术的固定端示意方案概图一；图3为本专利技术的固定端示意方案概图二；图4为本专利技术的旋转轴标定方法流程示意图；图5为本专利技术的第一次采集数据时的场景示意图；图6为本专利技术的第二次采集数据时的场景示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例一：请参见图1，本实施例提供一种自旋转激光雷达，包括旋转端与固定端，旋转端用于固定激光雷达，固定端用于固定提供旋转动力的设备以及角度传感器；所述提供旋转动力的设备用于带动旋转端旋转，使激光雷达绕自身轴旋转；所述角度传感器用于检测激光雷达绕自身轴旋转的旋转角度。如图2所示为固定端示意方案概图一，固定端可选安装步进电机与编码器，分别为旋转端提供旋转动力与实时旋转角度反馈。或者，如图3所示为固定端示意方案概图二，直接采用伺服电机为旋转端提供动力以及实时旋转角度记录。固定端的安装方式可随实际应用场景不同，做出可适应性调整，但必须安装为旋转端提供旋转动力的设备以及记录旋转端旋转角度的传感器。本专利技术通过在激光雷达与载体间加装一个自旋转装置，即让激光雷达在载体上绕激光雷达自身做旋转运动，这就将原来从“点”到“线”获取周围空间信息的方式，改变为从“点”到“线”再到“面”的方式，从而可获取更加稠密、视角范围更广的周围空间物体点云信息。采用在载体与激光雷达之间加装自旋转装置的方法，可获取更加稠密与视角范围更广，周围空间信息更全面空间点云，但由于机械上的安装精度以及整个激光雷达外壳的尺寸精度等，都会影响周围空间物体点云信息的获取精度。为了解决这个问题，本专利技术还提供了一种基于自旋转激光雷达的旋转轴标定方法，可高效、方便地对激光雷达的自旋转轴进行标定。请参见图4：S401、如图5所示，为第一次采集数据时的场景示意图。准备一个或者多个特制标定球(半径为R)，保持自旋转装置旋转端与固定端相对静止，使用激光雷达采集所用标定球的球面点云数据，记录此时的球面点云数据为P0，使用角度传感器获取当前旋转位置为α0。S402、如图6所示，为第二次采集数据时的场景示意图。使用驱动固定端提供旋转动力设备，旋转旋转端，此过程中保持所用特质标定球、固定端与地球相对静止。待旋转端旋转了某一相对角度后，停止旋转。S403、停止旋转之后，使用激光雷达又一次采集所用标定球的球面点云数据，记录此时的球面点云数据为P1，以及当前旋转位置为α1。S404、对点云数据P0、P1去噪滤波，获取其中所用标定球的点云数据。去噪录播可以采用现有任意方式，也可人工去噪，目标是得到的标定球的球面点云数据更加精确。S405、采用所用标定球的点云数据使用最小二乘法拟合标定球。即可获取标定球的圆心位置C0(X0,Y0,Z0)与C1(X1，Y1，Z1)。对P0点云数据去噪滤波，利用最小二乘法拟合所用标定球圆心位置C0；对P1点云数据去噪滤波，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自旋转激光雷达，其特征在于，包括旋转端与固定端，旋转端用于固定激光雷达，固定端用于固定提供旋转动力的设备以及角度传感器；所述提供旋转动力的设备用于带动旋转端旋转，使激光雷达绕自身轴旋转；所述角度传感器用于检测激光雷达绕自身轴旋转的旋转角度。/n

【技术特征摘要】
1.一种自旋转激光雷达，其特征在于，包括旋转端与固定端，旋转端用于固定激光雷达，固定端用于固定提供旋转动力的设备以及角度传感器；所述提供旋转动力的设备用于带动旋转端旋转，使激光雷达绕自身轴旋转；所述角度传感器用于检测激光雷达绕自身轴旋转的旋转角度。


2.如权利要求1所述的自旋转激光雷达，其特征在于，所述提供旋转动力的设备为伺服电机。


3.一种基于自旋转激光雷达的旋转轴标定方法，其特征在于，包括：
保持自旋转激光雷达的旋转端与固定端相对静止，通过激光雷达采集标定球的点云数据,记录点云数据为P0，利用角度传感器获取当前旋转位置为α0；
通过提供旋转动力的设备驱动旋转端旋转相对角度，并利用角度传感器获取当前旋转位置为α1；并在该旋转位置下保持所述标定球、固定端与地球相对静止，此时使用激光雷达采集所述标定球的点云数据，记录点云数据为P1；
获取旋转角度α＝α1-α0；基于所述点云数据P0、P1，使用最小二乘法拟合标定球，获取所述标定球的圆心位置C0(X0,Y0,Z0)与C1(X1，Y1，Z1)；
假设激光雷达所绕自身轴的单位向量为n(nx，ny，nz)，且经过点Q(Xq，Yq，Zq)，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈方圆，余崇圣，李梦，董子乐，王建波，
申请(专利权)人：重庆知至科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50