标定方法及装置与流程

本发明涉及激光测距领域，具体而言，涉及一种标定方法及装置。

背景技术：

激光测距(laserdistancemeasuring)是以激光器作为光源进行测距。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与光电测距仪相比，不仅可以日夜作业，而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，被广泛运用于各种测量领域。

作为一种常用的激光测距方法，利用激光三角测距的激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，反射回来的光束在光电探测器上形成一个激光光斑，通过获取该激光光斑的偏移量即可计算出从观测者到目标的距离。

然而，在激光三角测距方法中，虽然距离远近的变化与激光光斑在cmos上移动位移的变化是近似正比关系，但是该位移易受到外界环境与光学系统、材料、元器件性能等的影响，误差相对而言还是比较大，且每台测距机器的误差存在不一致性，所以需要对所用激光雷达近行标定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种标定方法及装置，其能够有效改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种标定方法，所述方法包括：在预设标定范围内选取多个采样点，获取每个采样点到观察点的真实距离；通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离；获取每个采样点对应的拟合距离与真实距离的方差，并从中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式。

第二方面，本发明实施例还提供了一种标定装置，其包括采样模块，用于在预设标定范围内选取多个采样点，获取每个采样点到观察点的真实距离；拟合模块，用于通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离；筛选模块，用于获取每个采样点对应的拟合距离与真实距离的方差，并从中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式。

本发明实施例提供的标定方法及装置，首先在预设标定范围内选取多个采样点，并获取每个采样点到观察点的真实距离，来为整个标定过程提供真实的参考数据；再通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离，可通过多项式拟合求出采样点到观察点之间的理论计算距离；最后获取每个采样点对应的拟合距离与真实距离的方差，并从中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式，可通过求方差的方式找出计算出来与真实距离最接近的那个拟合函数，并将这个最接近真实值的拟合函数筛选出来作为最佳拟合距离多项式，该最佳拟合距离多项式即能够最精确的表现所标定机器的真实测距性能。相对于现有技术，本发明实施例提供的标定方法及装置通过多项式拟合来创造出多条与真实值逼近的拟合多项式，再通过比较方差从中筛选出最精确的拟合函数，可以对不同性能参数的测距雷达提供具有针对性的标定，其操作方便且结果可靠，能够有效提高激光三角测距的测量精度，提升该标定方法的泛化能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为一种可应用于本发明实施例中的电子设备的结构框图；

图2为本发明第一实施例提供的标定方法的流程框图；

图3为本发明第一实施例中步骤s210的子步骤流程框图；

图4为本发明第一实施例中步骤s310的子步骤流程框图；

图5为本发明第一实施例中步骤s220的子步骤流程框图；

图6为本发明第一实施例提供的步骤s600、步骤s610、步骤s620的流程框图；

图7为本发明第一实施例中步骤s620的子步骤流程框图；

图8为本发明第二实施例提供的标定装置的结构框图；

图9为本发明第二实施例提供的拟合模块的结构框图；

图10为本发明第二实施例提供的拟合单元的结构框图；

图11为本发明第二实施例提供的筛选模块的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1示出了一种可应用于本申请实施例中的电子设备100的结构框图。如图1所示，电子设备100可以包括存储器110、存储控制器120、处理器130、显示屏幕140和标定装置。例如，该电子设备100可以为个人电脑(personalcomputer，pc)、平板电脑、智能手机、个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)等。

存储器110、存储控制器120、处理器130、显示屏幕140各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。所述标定方法分别包括至少一个可以以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器110中的软件功能模块，例如所述标定装置包括的软件功能模块或计算机程序。

存储器110可以存储各种软件程序以及模块，如本申请实施例提供的标定方法及装置对应的程序指令/模块。处理器130通过运行存储在存储器110中的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的标定方法。存储器110可以包括但不限于随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，只读存储器(readonlymemory，rom)，可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)，可擦除只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom)，电可擦除只读存储器(electricerasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)等。

处理器130可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

本发明实施例中所应用的电子设备100为实现标定，还可以具备自显示功能，其中的显示屏幕140可以在所述电子设备100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。例如，可以显示标定装置采集的真实距离以及拟合出的函数曲线、计算结果等数据。

在介绍本发明的具体实施例之前首先需要说明的是，本发明是计算机技术在激光测距领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明，凡本发明申请文件提及的软件功能模块均属此范畴，申请人不再一一列举。

第一实施例

请参照图2，本实施例提供了一种标定方法，应用于标定装置，所述方法包括：

步骤s200：在预设标定范围内选取多个采样点，获取每个采样点到观察点的真实距离；

本实施例中，该标定方法可用于激光雷达或普通激光测距仪等设备，特别的，还可以应用于可移动机器人上安装的激光测距设备。所述预设标定范围可以是在标定前就设定好的探测范围，可以根据具体的标定环境以及测距设备的可测量范围等性能来选择合适的标定范围(尽量排除环境带来的测量误差)，且可通过多种形式确定所述预设标定范围。例如，通过设置滑台，将作为采样点的靶位设置在所述滑台上，通过将滑台在激光雷达(或其他激光测距设备)的可测量范围内移动多次，激光雷达在靶位每次移动中止时测量一次真实距离，以形成多个采样点以及多个真实距离；或是承载有靶位的滑台以匀速或变速连续运动，激光雷达以一定的时间间隔对靶位到激光雷达间的即时距离进行测量，以形成多个真实距离，以及记录多个采样点数据。另一种可能的方式是，设置一个正方形框，将激光雷达放置在所述正方形框中，需要注意的是该激光雷达与所述正方形框的最远距离尽量在该激光雷达的可测量范围内，然后使激光雷达在所述正方形框上进行多个随机点采样，并记录每个采样点对应的真实距离等数据。例如本发明的申请人在本方法的实验过程中所用到的正方形框为4.5m边长，其适用于一机器人上安装的测距设备。

可以理解的是，本实施例中，用于标定的测距设备可以是利用时差测距，即通过光束来回时间测量到物体的距离；也可以是利用像素位移来测距(例如激光三角测距)，即通过测量由物体返回的光束在ccd或cmos等光电探测器上的位移来测量到物体的距离。

步骤s210：通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离；

本实施例中，可以将上一步骤获取的真实距离与相应的采样点参数组成散点数据，再通过多项式拟合寻找最接散点的曲线即拟合距离多项式。在对使用时差法测距的设备进行标定时，获得的所述采样点参数可以是采样时间，通过时间与距离的关系建立拟合曲线逼近采样点的散点数据；在对使用位移法测距的设备进行标定时，获得的所述采样点参数可以是像素位移，通过像素位移与距离的关系建立拟合曲线逼近采样点的散点数据。可以理解的是，所述拟合距离多项式为以距离作为因变量，以采样点参数作为自变量的高阶函数。

需要注意的是，所述每个采样点对应的拟合距离多项式，可以是通过将所有的采样点进行分组，获得不同组采样点各自对应的拟合距离多项式，其中每组内的每个采样点所对应的拟合距离多项式可以是相同的。例如，一共选取了m个采样点，此时通过将所述m个采样点分为1～a、a～b、b～m三个组，再分别对三个组内的采样点进行多项式拟合，拟合出各自对应的拟合多项式，由于三个采样组各自对应的采样点不同，因此获取的拟合多项式也可能是具有细微差异的(由于测量环境和测距设备不变，各个拟合多项式之间的差异不会特别大)；再将1～a采样点的采样点参数(时间或位移)代入第一组对应的拟合多项式，将a～b采样点的采样点参数代入第二组对应的拟合多项式，将b～m采样点的采样点参数代入第三组对应的拟合多项式，就可以求出所有m个采样点中每个采样点各自对应的拟合距离。特别的，还可以选择交叉代入的方法来验证各个拟合多项式的普适性，例如将上述的1～a点参数代入第二组或第三组对应的拟合多项式中，将a～b点参数代入第一组或第三组对应的拟合多项式中，将b～m点参数代入第一组或第二组对应的拟合多项式中等等，最终均可以获取所有m个采样点对应的拟合距离。

步骤s220：获取每个采样点对应的拟合距离与真实距离的方差，并从中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式。

本实施例中，通过将上述步骤获得的各个采样点的拟合距离与其对应的真实距离求方差，再找出方差最小的拟合距离对应的拟合距离多项式，即可认为利用该方差最小的拟合距离多项式获得的结果是最接近实际真实数据的，即结果最精确的。此时，将该方差最小的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式，即可认为当前测距设备的标定工作完成。经过标定的测距设备可通过该最佳拟合距离多项式进行后续的实际测量，直接将实际测量点的参数代入该最佳拟合距离多项式即可求出精确结果。

具体的，在计算每个采样点对应的拟合距离与真实距离的方差时，例如，采样点还是分为上述的1～a、a～b、b～m三个组，由于这三个组对应有三个不同的拟合距离多项式，在计算时可以分组进行方差的计算，最后从三个方差结果中筛选出最小的那组对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式即可。需要注意的是，当1～a组的拟合距离是通过代入第二组或第三组的拟合距离多项式计算得出时，如果最终筛选出来1～a组的拟合距离与真实距离的方差最小，那么最佳拟合距离多项式应该为第二组或第三组拟合距离多项式，而不是1～a原始数据拟合出的第一组拟合距离多项式。可以理解的是，采样点参数代入的是哪一个拟合距离多项式来计算拟合距离，最后该拟合距离求得的方差对应的就是哪一个拟合距离多项式。

请参照图3，本实施例中，进一步的，所述步骤s210可以包括如下子步骤：

步骤s300：获取每个采样点对应的像素位移；

本实施例中，针对激光三角测距，采集的采样点的参数可以是采样点的反射光斑在光电探测器上的像素位移。

步骤s310：基于所述像素位移与所述真实距离，通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离。

本实施例中，以所述像素位移为自变量、所述真实距离为因变量建立拟合多项式，具体通过对真实距离随像素位移变化的散点进行多次多项式拟合，即可获取一个高阶拟合多项式。可以理解的是，拟合次数越多，得到的拟合曲线与真实散点越靠近。

请参照图4，本实施例中，进一步的，所述步骤s310可以包括如下子步骤：

步骤s400：基于所述像素位移与所述真实距离，从m个采样点中选取n个采样点进行多项式拟合，获取所述n个采样点对应的拟合距离多项式；

本实施例中，所述m个采样点可以是所有的采样点，也可以是经过筛选后用于计算的部分采样点。通过在所述m个采样点中选取n个采样点用于拟合多项式，再将剩余的(m-n)个采样点用于验证拟合多项式的稳定性，可以获得更为精确的拟合多项式。

具体的，对所述m个采样点中的n个采样点进行a～(n-1)次多项式拟合，计算公式如下：

f(x)＝aax^a+aa-1x^a-1+...+a1x+a0

其中，x为像素位移，f(x)为拟合距离。根据该式计算出各阶多项式系数a0...aa，即可确定该拟合距离多项式f(x)。本实施例中，优选的，拟合最小次数a≥6，此时可保证获取的结果足够精确，且计算效率高。

步骤s410：将所述m个采样点中剩余的(m-n)个采样点对应的像素位移分别代入所述n个采样点对应的拟合距离多项式，获取所述(m-n)个采样点对应的拟合距离。

本实施例中，具体的，将所述m个采样点中剩余的(m-n)个采样点对应的像素位移分别代入上一步骤获得的拟合距离多项式f(x)中，即可计算出各自对应的拟合距离。

可以理解的是，本实施例中，在所述m个采样点不变的情况下，从所述m个采样点中选取的n个采样点可以是多样的，即可以通过多次重复步骤s400到步骤s410来获取多个拟合距离多项式。例如，当m为10时，第一次可以选择1～6号采样点的像素位移进行拟合获取拟合距离多项式，再将7～10号采样点的像素位移代入该拟合距离多项式获取7～10号采样点对应的拟合距离；第二次可以选择2～7号采样点的像素位移进行拟合获取拟合距离多项式，再将1号、8～10号采样点的像素位移代入该拟合距离多项式获取1号、8～10号采样点对应的拟合距离，以此类推。实际操作时，可以重复到所有m个采样点对应的拟合距离全部计算出来，也可以只从m个点中随机选取部分点进行计算，例如选择2～5号采样点的像素位移进行拟合，但是只将7～10点的像素位移代入多项式进行计算。具体的选取规则，可以视具体需求而定。

请参照图5，本实施例中，进一步的，所述步骤s220可以包括如下子步骤：

步骤s500：获取所述m个采样点中的所述(m-n)个采样点对应的拟合距离与真实距离的(m-n)点方差；

本实施例中，将经过上述步骤获取的m个采样点中的(m-n)个采样点对应的拟合距离，与该(m-n)个采样点的真实距离求方差。具体的，方差计算公式如下：

其中，s²为方差，di为i点对应的真实距离，fi为i点对应的拟合距离；i＝(m-n)，1～i分别为(m-n)个采样点的编号。

步骤s510：从所有的所述(m-n)点方差中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式；

本实施例中，每经过一次计算，就能够获取一个s²，每一个s²对应一个f(x)。经过多次选取n个不完全相同的采样点进形计算，即可获得多个不完全相同的(m-n)点对应的s²，最终筛选出s²最小的那组(m-n)点对应的拟合距离多项式f(x)作为最佳拟合距离多项式。通过这种交叉代入的方式，可以最终获取一个稳定的拟合距离多项式。

请参照图6，本实施例中，进一步的，在所述步骤s220之后，还可以包括如下步骤：

步骤s600：获取当前测量点的像素位移，并通过相似三角形计算获取所述当前测量点到所述观察点的初步距离；

本实施例中，在经过上述步骤获取了最佳拟合距离多项式后，即可利用该最佳拟合距离多项式进行实际测量。首先，通过相似三角形进行几何推算即可计算出当前测量点到观察点的初步距离。具体的，将实际测量点的像素位移代入下式：

其中，q为初步距离，fs为光电探测器的焦距，x为当前测量点的像素位移。

步骤s610：将所述当前测量点的像素位移代入所述最佳拟合距离多项式，获取所述当前测量点的最佳拟合距离；

本实施例中，将当前测量点的像素位移代入上述步骤获取的最佳拟合距离多项式，就可以计算出当前测量点的最佳拟合距离。

步骤s620：基于所述初步距离和所述最佳拟合距离，获取最终距离。

本实施例中，将所述初步距离和所述最佳拟合距离进行比较，可以按一定规则来选取较佳的距离值作为最终输出的测量距离。大部分情况下，经过拟合获取的最佳拟合距离要更靠近真实距离值。

请参照图7，本实施例中，进一步的，所述步骤s620可以包括如下子步骤：

步骤s700：判断所述初步距离和所述最佳拟合距离的偏差是否大于预设阈值；

在所述步骤s700的判断结果为是时，执行步骤s710；

在所述步骤s700的判断结果为否时，执行步骤s720。

步骤s710：选取所述最佳拟合距离作为最终距离；

步骤s720：选取所述初步距离和所述最佳拟合距离的均值作为最终距离。

本实施例中，作为一种判断的规则，可以设置一个阈值作为可容忍的偏差范围。当所述初步距离和所述最佳拟合距离的偏差大于该阈值时，选择所述最佳拟合距离作为最终距离更为可靠；而当所述初步距离和所述最佳拟合距离的偏差小于该阈值时，由于所述最佳拟合距离和真实距离也存在极小的偏差，此时选择取两者的均值作为最终距离更为可靠。

本实施例提供的标定方法通过多项式拟合来创造出多条与真实值逼近的拟合多项式，再通过比较方差从中筛选出最精确的拟合函数，可以对不同性能参数的测距雷达提供具有针对性的标定，其操作方便且结果可靠，能够有效提高激光距的测量精度，提升该标定方法的泛化能力；将相似三角形计算获取的初步距离与拟合计算获取的拟合距离作比较，并设定规则进行最终输出值选取的判断方法，使得其测量结果更具有说服力。

第二实施例

请参照图8，本实施例提供了一种标定装置800，其包括：

采样模块810，用于在预设标定范围内选取多个采样点，获取每个采样点到观察点的真实距离；

拟合模块820，用于通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离；

筛选模块830，用于获取每个采样点对应的拟合距离与真实距离的方差，并从中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式。

请参照图9，本实施例中，进一步的，所述拟合模块820还可以包括如下单元：

像素单元821，用于获取每个采样点对应的像素位移；

拟合单元822，用于基于所述像素位移与所述真实距离，通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离。

请参照图10，本实施例中，进一步的，所述拟合单元812还可以包括如下子单元：

第一拟合子单元910，用于基于所述像素位移与所述真实距离，从m个采样点中选取n个采样点进行多项式拟合，获取所述n个采样点对应的拟合距离多项式；

第二拟合子单元920，用于将所述m个采样点中剩余的(m-n)个采样点对应的像素位移分别代入所述n个采样点对应的拟合距离多项式，获取所述(m-n)个采样点对应的拟合距离。

请参照图11，本实施例中，进一步的，所述筛选模块830还可以包括如下单元：

方差单元831，用于获取所述m个采样点中的所述(m-n)个采样点对应的拟合距离与真实距离的(m-n)点方差；

筛选单元832，用于从所有的所述(m-n)点方差中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式。

综上所述，本发明实施例提供的标定方法及装置，首先在预设标定范围内选取多个采样点，并获取每个采样点到观察点的真实距离，来为整个标定过程提供真实的参考数据；再通过多项式拟合获取每个采样点对应的拟合距离多项式，并基于所述拟合距离多项式获取每个采样点对应的拟合距离，可通过多项式拟合求出采样点到观察点之间的理论计算距离；最后获取每个采样点对应的拟合距离与真实距离的方差，并从中筛选出最小方差对应的拟合距离多项式作为最佳拟合距离多项式，可通过求方差的方式找出计算出来与真实距离最接近的那个拟合函数，并将这个最接近真实值的拟合函数筛选出来作为最佳拟合距离多项式，该最佳拟合距离多项式即能够最精确的表现所标定机器的真实测距性能。相对于现有技术，本发明实施例提供的标定方法及装置通过多项式拟合来创造出多条与真实值逼近的拟合多项式，再通过比较方差从中筛选出最精确的拟合函数，可以对不同性能参数的测距雷达提供具有针对性的标定，其操作方便且结果可靠，能够有效提高激光三角测距的测量精度，提升该标定方法的泛化能力。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。