一种激光雷达与IMU的标定方法、装置及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光雷达与IMU的标定方法、装置及存储介质，本发明专利技术通过激光雷达获取特征物的第一点云数据并通过IMU获取第一IMU数据，变换预设次数载体相对于特征物的姿态，每一次变换后均通过激光雷达获取特征物的第二点云数据并通过IMU获取第二IMU数据，从而计算得到IMU坐标系中重力矢量的第一原始观测值以及第一变换观测值，激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值以及第二变换观测值，用于计算激光雷达与IMU之间的目标转换矩阵，以特征物作为特征获取点云数据并与IMU数据构建约束，不需要依赖额外的人工标靶和传感器，降低标定的条件要求；采用静态扫描的方式，不受激光雷达与IMU时间同步的影响、无需校准点云的运动畸变以及估计运动轨迹。运动畸变以及估计运动轨迹。运动畸变以及估计运动轨迹。

【技术实现步骤摘要】
一种激光雷达与IMU的标定方法、装置及存储介质


[0001]本专利技术涉及标定领域，尤其是一种激光雷达与IMU的标定方法、装置及存储介质。

技术介绍

[0002]激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)与惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)组合是一种常见的多源传感器融合方式，惯导的高频角速度、加速度信息可以为激光点云配准提供更好的先验值，惯性里程计与激光里程计紧耦合提升位姿估计的精度和鲁棒性。每个传感器都有各自的空间基准和时间基准，在融合两种传感器的数据进行定位、建图、感知之前，需先将不同传感器的测量值转换到同一坐标系下，即获取各传感器坐标系之间的旋转和平移关系实现标定。
[0003]现今，激光雷达与惯性测量单元的标定通常通过手眼标定法、在线估计法以及基于特征的方法等方法，手眼标定法依赖于IMU独立地估计轨迹，精度低；在线估计法需要有充足的线加速度和角速度激励，来使滤波收敛，若初始值的误差较大，可能致使滤波收敛缓慢或失败；基于特征的方法要求LiDAR和IMU已精确时间同步，并且需校准运动引起的点云畸变，运动轨迹对外部参数的可观性的影响是复杂的，若载体的运动受限或姿态变化不够充分，会导致在某个方向上退化。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，为了解决上述技术问题的至少之一，本专利技术的目的是提供一种激光雷达与IMU的标定方法、装置、设备及存储介质，降低标定的条件要求、简化标定过程。
[0005]本专利技术实施例提供了一种激光雷达与IMU的标定方法，包括：
[0006]通过激光雷达获取特征物的第一点云数据并通过IMU获取第一IMU数据；所述特征物与铅垂线平行或垂直，所述激光雷达与所述IMU固定于载体；
[0007]变换预设次数所述载体相对于特征物的姿态，每一次变换后均通过所述激光雷达获取特征物的第二点云数据并通过所述IMU获取第二IMU数据；
[0008]根据所述第一IMU数据计算IMU坐标系中重力矢量的第一原始观测值，根据所述第一点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值，根据所述第二IMU数据计算IMU坐标系中重力矢量的第一变换观测值，根据所述第二点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二变换观测值；所述第一原始观测值以及所述第一变换观测值构成第一集合，所述第二原始观测值以及所述第二变换观测值构成第二集合；
[0009]根据所述第一集合以及所述第二集合计算所述激光雷达与所述IMU之间的目标转换矩阵。
[0010]进一步，所述根据所述第一IMU数据计算IMU坐标系中重力矢量的第一原始观测值，包括：
[0011]根据所述第一IMU数据确定加速度计的观测值；
[0012]计算所述加速度计的观测值与加速度计的预设零偏的第一差距；
[0013]根据所述第一差距与所述第一差距的模的比值，得到IMU坐标系中重力矢量的第一原始观测值。
[0014]进一步，所述第一IMU数据包括若干组加速度计的数值，所述根据所述第一IMU数据确定加速度计的观测值，包括：
[0015]根据若干组所述加速度计的数值，计算IMU坐标系的第一坐标轴的均值、第二坐标轴的均值以及第三坐标轴的均值；所述第一坐标轴的均值、所述第二坐标轴的均值以及所述第三坐标轴的均值构成所述加速度计的观测值。
[0016]进一步，所述根据所述第一点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值，包括：
[0017]当所述特征物为与所述铅垂线垂直的第一平面：从所述第一点云数据提取位于所述第一平面的第一点集；根据待优化的第一平面的法向量以及所述第一点集，构建所述第一点集中每一点至所述第一平面的第一距离方程；对所述第一距离方程进行拟合处理，计算使得所述第一距离方程的结果之和最小的第一平面的第一目标法向量作为激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值；
[0018]当所述特征物为与所述铅垂线平行的第二平面和第三平面，所述第二平面和所述第三平面相交：分别从所述第一点云数据提取位于所述第二平面的第二点集以及位于所述第三平面的第三点集；根据待优化的第二平面的法向量以及所述第二点集，构建所述第二点集中每一点至所述第二平面的第二距离方程，根据待优化的第三平面的法向量以及所述第三点集，构建所述第三点集中每一点至所述第三平面的第三距离方程；对所述第二距离方程进行拟合处理，计算使得所述第二距离方程的结果之和最小的第二平面的第二目标法向量，对所述第三距离方程进行拟合处理，计算使得所述第三距离方程的结果之和最小的第三平面的第三目标法向量；将所述第二目标法向量以及所述第三目标法向量的叉积作为激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值。
[0019]进一步，所述根据所述第一点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值，包括：
[0020]当所述特征物为物体，物体的轴线与所述铅垂线平行，从所述第一点云数据提取位于所述物体的第四点集：
[0021]根据待优化的轴线的单位向量以及所述第四点集，构建所述第四点集中每一点至所述特征物的表面的第四距离方程；
[0022]对所述第四距离方程进行拟合处理，计算使得所述第四距离方程的结果之和最小的轴线的目标单位向量作为激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值。
[0023]进一步，所述根据所述第一集合以及所述第二集合计算所述激光雷达与所述IMU之间的目标转换矩阵，包括：
[0024]计算所述第一集合的第一均值以及所述第二集合的第二均值；
[0025]计算所述第一集合中每一观测值与所述第一均值的差值，得到第一坐标信息，计算所述第二集合中每一观测值与所述第二均值的差值，得到第二坐标信息；
[0026]根据所述第一坐标信息、所述第二坐标信息以及预设求矩阵迹函数，构建对称矩阵方程；
[0027]对所述对称矩阵方程进行计算处理，确定使得所述对称矩阵方程的结果为最大值
对应的目标特征向量；
[0028]将所述目标特征向量代入至所述激光雷达与所述IMU之间的待求解的预设转换矩阵，得到所述激光雷达与所述IMU之间的目标转换矩阵。
[0029]进一步，所述根据所述第一集合以及所述第二集合计算所述激光雷达与所述IMU之间的目标转换矩阵的步骤之前，还包括：
[0030]根据所述预设次数、所述第二变换观测值以及预设求矩阵迹函数，计算可观性得分；
[0031]当所述可观性得分小于得分阈值，返回所述变换预设次数所述载体相对于特征物的姿态的步骤，直至所述可观性得分大于或等于得分阈值；
[0032]当所述可观性得分大于或等于得分阈值，根据所述第一集合以及所述第二集合计算所述激光雷达与所述IMU之间的目标转换矩阵。
[0033]本专利技术实施例还提供一种激光雷达与IMU的标定装置，包括：
[0034]第一获取模块，用于通过激光雷达获取特征物的第一点云数据并通过IMU获取第一IMU数据；所述特征物与铅垂线平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达与IMU的标定方法，其特征在于，包括：通过激光雷达获取特征物的第一点云数据并通过IMU获取第一IMU数据；所述特征物与铅垂线平行或垂直，所述激光雷达与所述IMU固定于载体；变换预设次数所述载体相对于特征物的姿态，每一次变换后均通过所述激光雷达获取特征物的第二点云数据并通过所述IMU获取第二IMU数据；根据所述第一IMU数据计算IMU坐标系中重力矢量的第一原始观测值，根据所述第一点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值，根据所述第二IMU数据计算IMU坐标系中重力矢量的第一变换观测值，根据所述第二点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二变换观测值；所述第一原始观测值以及所述第一变换观测值构成第一集合，所述第二原始观测值以及所述第二变换观测值构成第二集合；根据所述第一集合以及所述第二集合计算所述激光雷达与所述IMU之间的目标转换矩阵。2.根据权利要求1所述激光雷达与IMU的标定方法，其特征在于：所述根据所述第一IMU数据计算IMU坐标系中重力矢量的第一原始观测值，包括：根据所述第一IMU数据确定加速度计的观测值；计算所述加速度计的观测值与加速度计的预设零偏的第一差距；根据所述第一差距与所述第一差距的模的比值，得到IMU坐标系中重力矢量的第一原始观测值。3.根据权利要求2所述激光雷达与IMU的标定方法，其特征在于：所述第一IMU数据包括若干组加速度计的数值，所述根据所述第一IMU数据确定加速度计的观测值，包括：根据若干组所述加速度计的数值，计算IMU坐标系的第一坐标轴的均值、第二坐标轴的均值以及第三坐标轴的均值；所述第一坐标轴的均值、所述第二坐标轴的均值以及所述第三坐标轴的均值构成所述加速度计的观测值。4.根据权利要求1所述激光雷达与IMU的标定方法，其特征在于：所述根据所述第一点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值，包括：当所述特征物为与所述铅垂线垂直的第一平面：从所述第一点云数据提取位于所述第一平面的第一点集；根据待优化的第一平面的法向量以及所述第一点集，构建所述第一点集中每一点至所述第一平面的第一距离方程；对所述第一距离方程进行拟合处理，计算使得所述第一距离方程的结果之和最小的第一平面的第一目标法向量作为激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值；当所述特征物为与所述铅垂线平行的第二平面和第三平面，所述第二平面和所述第三平面相交：分别从所述第一点云数据提取位于所述第二平面的第二点集以及位于所述第三平面的第三点集；根据待优化的第二平面的法向量以及所述第二点集，构建所述第二点集中每一点至所述第二平面的第二距离方程，根据待优化的第三平面的法向量以及所述第三点集，构建所述第三点集中每一点至所述第三平面的第三距离方程；对所述第二距离方程进行拟合处理，计算使得所述第二距离方程的结果之和最小的第二平面的第二目标法向量，对所述第三距离方程进行拟合处理，计算使得所述第三距离方程的结果之和最小的第三平面的第三目标法向量；将所述第二目标法向量以及所述第三目标法向量的叉积作为激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值。
5.根据权利要求1所述激光雷达与IMU的标定方法，其特征在于：所述根据所述第一点云数据计算激光雷达坐标系中重力矢量的第二原始观测值，包括：当所述特征物为物体，物体的轴线与所述铅垂线平行，从所述第一点云数据提取位于所述物体的第四点集：根据待优...

【专利技术属性】
技术研发人员：余培冬，陈源军，潘国富，李典斌，
申请(专利权)人：广州市中海达测绘仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：