单线阵激光雷达设备中心标定的方法
【专利摘要】本发明提供了一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法。该方法针对激光雷达设备中心高精度标定问题，采用激光雷达三角形反射靶标，通过对激光雷达三角反射靶标多次扫描成像，将激光雷达设备中心定标问题，改化为直线与直线求交问题，从而降低激光雷达设备中心定标与设备工作原理相关性，简化激光雷达设备中心定标流程，从而提高激光雷达设备中心定标与测距评估的精度。
【专利说明】单线阵激光雷达设备中心标定的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电子行业激光雷达【技术领域】，尤其涉及一种单线阵激光雷达设备中 心标定的方法。
【背景技术】
[0002] 随着三维激光扫描技术的进一步发展以及逆向工程、机械制造与高分辨率航天航 空应用需求的不断增长，对激光雷达扫描设备进行高精度定标、测距精度评价的重要性日 益突出。
[0003] 激光雷达设备高精度定标与测距精度评价首要确认激光雷达设备中心的精确位 置。实际应用中，由于激光雷达扫描设备其本身制造工艺，加工装调以及整器（包括激光雷 达设备的各个部件）运输震动都会激光雷达设备中心偏离设计位置，而对于高精度三维数 据获取相关的应用需求来说，上述设备中心偏差所带来的测距误差是难以接受的。
[0004] 此外，目前应用于实践的三维激光扫描仪种类很多，按工作原理大致分三类：采用 脉冲测距技术的三维激光扫描设备、采用相位干涉扫描系统与采用立体光或结构光的三角 法扫描系统，虽然各种成像体制都有相关设备中心的设计参考位置，但难以直接引出，不同 工作原理激光雷达设备中心定标方法不同且复杂。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法，以 提尚标定的精确性和普适性。
[0007](二）技术方案
[0008] 本发明单线阵激光雷达设备中心标定的方法包括：步骤A:提供正方形靶标，在该 正方形靶标的一对角线分布两相同的等腰直角三角形，该两等腰直角三角形分别关于该对 角线对称，且直角顶点均位于该对角线上，该两等腰直角三角形内部区域及正方形靶标的 两对角线的区域为激光信号反射区域，外部的区域为激光信号吸收区域；步骤B:在正方 形靶标上的等腰直角三角形的区域设置四个标记点-A、B、C、D，该四个标记点过同一条直 线，且该直线平行于等腰直角三角形的对称线，由两等腰直角三角形的顶点坐标及边长，求 取该四个标记点在正方形靶标上的二维坐标的表达式；步骤C:将激光雷达设备放置于转 台上；将全站仪放置于激光雷达设备与靶标能同时通视处；求取正方形靶标放置于第一位 置时，四个标记点在三维空间的对应点_PA、PB、Pc、Pd在全站仪坐标系下的坐标；步骤D:朝 向远离激光雷达设备的方向移动正方形靶标至第二位置，求取正方形靶标放置于第二位置 时，四个标记点在三维空间的对应点-PA,、PB,、Pc,、Pd,在全站仪坐标系下的坐标；步骤E: 在全站仪坐标系下，对于四个标记点中的每一个标记点，求取过Pi点与Pr点的直线Pi,i，的 方程，其中，i=A、B、C、D;以及步骤F:在全站仪坐标系下，求取四条直线-PA,A,、PB,B,、PC, B,、和PD,D,的交点，该交点即为激光雷达坐标系中心在全站仪坐标系下的坐标值，完成单线 阵激光雷达设备中心标定。
[0009] (三）有益效果
[0010] 从上述技术方案可以看出，本发明单线阵激光雷达设备中心标定的方法不关注工 作机理，仅通过设计的激光反射三角靶标，严格标定激光雷达设备中心，能有效的抑制激光 雷达设备生产应用过程中对高精度数据获取与验证的要求。同时，由于目前激光雷达设备 多采用线阵接收装置，所以本发明具有很强的普适性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1为根据本发明实施例单线阵激光雷达设备中心标定的方法的流程图；
[0012] 图2为图1所示方法所采用的正方形靶标的示意图；
[0013] 图3为图1所示方法所采用的正方形靶标中四个标记点的示意图；
[0014] 图4为图1所示方法中正方形靶标在第一位置和第二位置时，四个标记点在三维 空间对应点连线的示意图。
【具体实施方式】
[0015] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部 分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员 所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等 于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的 方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的 方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
[0016] 本发明针对激光雷达设备中心高精度标定问题，通过对特制反射靶标多次扫描成 像，将激光雷达设备中心定标问题，改为直线与直线求交问题，降低了激光雷达设备中心定 标与设备工作原理相关性。
[0017] 在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种单线阵激光雷达设备中心标定的方 法。图1为根据本发明实施例单线阵激光雷达设备中心标定的方法的流程图。如图1所示， 本实施例单线阵激光雷达设备中心标定的方法包括：
[0018] 步骤A :提供一边长为Atl的正方形靶标，在该正方形靶标的一对角线分布两相同 的等腰直角三角形，该两等腰直角三角形分别关于该对角线对称，且直角顶点均位于该对 角线上，该两等腰直角三角形内部区域及正方形靶标的两对角线的区域为激光信号反射区 域，外部的区域为激光信号吸收区域；
[0019] 图2为图1所示方法所采用的正方形靶标的示意图。如图2所示，该靶标整体上 呈正方形。该正方形的边长Atl由下式确定：
[0020]
【权利要求】
1. 一种单线阵激光雷达设备中心标定的方法，其特征在于，包括： 步骤A:提供正方形靶标，在该正方形靶标的一对角线分布两相同的等腰直角三角形， 该两等腰直角三角形分别关于该对角线对称，且直角顶点均位于该对角线上，该两等腰直 角三角形内部区域及正方形靶标的两对角线的区域为激光信号反射区域，外部的区域为激 光信号吸收区域； 步骤B:在正方形靶标上的等腰直角三角形的区域设置四个标记点-A、B、C、D，该四个 标记点过同一条直线，且该直线平行于等腰直角三角形的对称线，由两等腰直角三角形的 顶点坐标及边长，求取该四个标记点在正方形祀标上的二维坐标的表达式； 步骤C:将激光雷达设备放置于转台上；将全站仪放置于激光雷达设备与靶标能同时 通视处；求取正方形靶标放置于第一位置时，四个标记点在三维空间的对应点_PA、PB、PC、PD 在全站仪坐标系下的坐标； 步骤D:朝向远离激光雷达设备的方向移动正方形靶标至第二位置，求取正方形靶标 放置于第二位置时，四个标记点在三维空间的对应点_PA,、PB,、Pc,、PD,在全站仪坐标系下 的坐标； 步骤E:在全站仪坐标系下，对于四个标记点中的每一个标记点，求取过Pi点与Pp点 的直线Pw，的方程，其中，i=A、B、C、D;&& 步骤F:在全站仪坐标系下，求取四条直线-PA,A,、PB,B,、PC,C,、和PD,D,的交点，该交点即 为激光雷达坐标系中心在全站仪坐标系下的坐标值，完成单线阵激光雷达设备中心标定。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，两个等腰直角三角形的直 角顶点分别为（a，a)和（b，b); 四个标记点A，B，C，D的坐标分别为：（a，ya)，（xb，2a+l_xb)，（b，y。），（xd，2a+l_xd)，其 中，73、^、7。、^为未知量，1为等腰直角三角形的直角边的边长。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括： 子步骤C1，由激光雷达对正方形靶标上的四个标记点进行探测，记录该四个标记点与 激光雷达的距离值PA，PB，Pc，PD;A、B两点之间的长度LAB和相对于激光雷达中心的分 束角9AB;及C、D两点之间的长度Lm和相对于激光雷达中心的分束角0 子步骤C2 :构建关于四个标记点的四元方程组，计算该四个标记点在正方形靶标上的 二维坐标； 子步骤C3 :设过正方形靶标上坐标原点且垂直于正方形靶标平面的矢量为Z轴，该轴 以沿靶标面向外为正方向，建立靶标三维坐标系，得到四个标记点在三维空间的对应点在 三维靶标坐标系下的三维坐标； 子步骤C4 :利用全站仪对正方形靶标进行探测，获得全站仪坐标系至靶标坐标系的旋 转矩阵R和平移向量T;以及 步骤C5 :由全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T，将四个标记点在三 维空间的对应点在靶标坐标系下的三维坐标转换为在全站仪坐标系下的三维坐标。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤C2中，所述四元方程组中： 方程一为关于A、B两标记点距离的方程：（xb-a)2+(2a+l-xb-ya)2=LAB2,其中，'2 =
方程二为关于C、D两标记点距离的方程：（Xd-b)2+(2b+l-xd-ye)2=Lm2,其中，Lcd2 =
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤C4具体包括： 利用全站仪对正方形靶标上的两等腰直角三角形的6个顶点中任意4个点进行检测， 得到其全站仪坐标系下的坐标值；以及 由该4个特殊点在靶标坐标系下的坐标值以及在全站仪坐标系下的坐标值，经过求 解，得到全站仪坐标系至靶标坐标系的旋转矩阵R和平移向量T。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤C5中，按照下式求取四个标记 点在三维空间的对应点在在全站仪坐标系下的三维坐标：
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A中： 所述正方形靶标的边长&为：
，其中，0为激光雷达设备的视场角，H 为设定的试验距离。
8. 根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤A中：
所述等腰直角三角形的直角边的边长1为： ，其中，0为激光雷达设备 的分束角。
【文档编号】G01S7/497GK104483664SQ201510003656
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2015年1月5日 优先权日:2015年1月5日
【发明者】李传荣, 张丹丹, 周梅, 吴昊昊, 张慧静, 胡坚, 李子扬 申请人:中国科学院光电研究院