多线激光雷达标定系统及标定方法与流程

本发明涉及一种多线激光雷达标定系统及标定方法。适用于无人驾驶、无人机测绘、巡查等。属于测绘技术领域。

背景技术：

在无人驾驶、无人机测绘、巡查等多个领域中，多线激光雷达是一种常用的传感器设备，以精度高、测程范围大，以及受外界环境的影响较小等特点，可以有效获取空间周围物体的方位与距离信息，但是为了实现对目标物体精确的定位，需对多线激光雷达进行精确的标定，从而提高雷达的测量精度以及确保激光雷达在实际工作中的可靠性。

在实际应用中，激光雷达在使用或出厂之前需要对发射的激光进行标定，而现有的传统方式是在空旷的、无干扰、异物少的空间内的不同距离放置具有一定特征的标准反射板，检测激光雷达在不同距离的扫描位置精度。其中检测过程又可以通过两种途径实现，一是标准反射板在地面不同距离之间的移动通常通过人工或者小车移动来实现，二是激光雷达在空中不同距离之间移动通常通过无人机自动航线飞行实现。由于人工或者小车地面移动标准反射板存在精度较差以及测量时间较长的问题使得激光雷达标定效率低、标定精度低。而无人机挂载激光雷达空中移动存在空域要求、安全飞行问题以及测量时间较长、工作量较大的问题使得激光雷达标定效率低，可执行性难度大。

技术实现要素：

本发明的目的之一，是为了解决现有激光雷达标定效率低、标定精度低以及场地要求高、可执行性难度大的问题，提供一种多线激光雷达标定系统。具有标定效率高、标定精度高以及场地要求低、可执行性方便等突出的实质性特点和显著技术进步。

本发明的目的之二，是为了提供一种多线激光雷达标定方法。具有标定效率高、标定精度高以及场地要求低、可执行性方便等突出的实质性特点和显著技术进步。

本发明的目的之一可以通过采取以下技术方案实现：

多线激光雷达标定系统，其结构特点在于：包括水平调平台、转接架、反光标靶、全站仪、电脑、激光测距仪和gps天线；水平调平台设置在支撑架上，配置数显水平仪以监测和判断水平调平台调平；转接架具有垂直方向和水平方向连接激光雷达的连接结构并设有惯性测量单元imu；反光标靶设置在转接架的相对位置、以形成约束激光束的区域；全站仪设置在转接架与反光标靶之间，形成高程测量结构；电脑设置在支撑架上，其i/o端口分别连接数显水平仪信号输出端、激光测距仪信号输出端、全站仪信号输出端和gps天线信号输出端，形成自动监测结构，以监测激光反射率变化和读取记录惯性测量单元imu姿态角。

本发明的目的之一还可以通过采取以下技术方案实现：

进一步地，转接架呈状，其上面、侧面和底面各设有安装孔用于与水平调平台连接，形成垂直方向和水平方向的激光雷达连接结构；转接架固定在水平调平台上；水平调平台用于将激光雷达调平和激光束的对齐和调整。

进一步地，水平调平台由双轴倾斜台和手动旋转台组成；通过双轴倾斜台可以调整台面的水平和倾斜情况；手动旋转台用于调整激光头的朝向；转接架中设有惯导板。

进一步地，反光标靶由一面或二面反光墙构成，在反光墙上形成水平轴和-3°、-1°、1°、3°四条垂直激光束，从而形成约束区域；当反光标靶由二面反光墙构成时，该二面反光墙成垂直连接结构。

进一步地，全站仪架设在三脚架；全站仪用于获取高程h1和放样指定高程h、高程h+1°和h-1°。

进一步地，所述电脑用于监测激光反射率变化和读取记录gps天线输入的imu姿态角△φ、△ω、△κ。

进一步地，激光测距仪用于测量反射标靶到激光的距离d。

进一步地，gps天线用于imu搜星获取姿态角信息。

本发明的目的之二可以通过采取以下技术方案实现：

多线激光雷达标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)准备好多线激光雷达标定系统，该多线激光雷达标定系统包括水平调平台、转接架、反光标靶、全站仪、电脑、激光测距仪和gps天线；

2)首先将激光雷达固定在调平台，调整激光线束在指定的约束区域内，然后使激光束角度固定，通过两次不同的安装，分别读取惯导板中的姿态角数据，从而得出激光头组件和惯导板安装角度，在通过该差值和离轴发射角borsight角的关系求得，△φ、△ω、△κ；其中激光雷达水平安装时标定俯仰角pitch和航向角heading对应的△ω、△κ，激光雷达竖直安装时标定滚转角roll对应的△φ。

本发明的目的之二还可以通过采取以下技术方案实现：

进一步地，将激光雷达设为水平安装，具体步骤如下：

1)将水平调平台调至水平，水平固定激光雷达，架设全站仪并调平；首先用全站仪测量激光头高程，获得h1，加上规格尺寸h2，获得激光水平轴高程h，然后用全站仪在反光标靶3即投影墙面上测出高程为h的水平线；

2)粗对准连接在转接架中的激光头旋转中轴，用激光测距仪测得激光头旋转中轴到反光标靶即投影墙面的距离d，该距离d为30m+1m左右，d越大测量误差占比越小；

3)选取激光束±1°的激光，用全站仪测出两条水平线，通过三角关系求得d，用全站仪测出高程为h+1°的水平直线和高程为h-1°的水平直线，并做出该水平直线；用放光贴纸沿着边缘贴上，获得“二”字的约束区域；

4)通过电脑5和激光雷达连接，设置不同反射率对应的颜色，并且将激光束控制在约束区域内，则认为先调整航向角heading方向水平，在俯仰角pitch方向上移动时，区域内点云同时的由蓝色变为红色，则判断为heading方向水平；再调整俯仰角pitch方向水平，这里提到的航向角heading，俯仰角pitch是以机载状态下安装所对应的；

5)再通过电脑和惯性测量单元imu连接读取并采集姿态角数据，通过转换关系△ω＝俯仰角pitch，△κ＝-滚转角roll，这里的俯仰角pitch和滚转角roll对应惯性测量单元imu中的姿态角度数，求得离轴发射角borsight角，△ω、△κ。

进一步地，将激光雷达设为竖直安装，具体步骤如下：

1)以全站仪测量激光中轴线的位置高程h2，并在投影面上测量对应的高程h2，获得激光中轴对应的投影线标靶，并且设置激光器视场角为90-270°，先调整pitch方向上的水平，在滚转角roll方向上移动时，区域内点云同时的由蓝色变为红色，则判断为俯仰角pitch方向水平；再调整滚转角roll方向上的水平。这里的俯仰角pitch和滚转角roll对应机载状态所对应的俯仰角pitch、滚转角roll；

2)电脑连接激光头，先调整俯仰角pitch方向上的水平，在滚转角roll方向上移动时，区域内点云同时的由蓝色变为红色，则判断为俯仰角pitch方向水平。再调整滚转角roll方向上的水平；

3)再通过电脑和惯性测量单元imu连接读取并采集姿态角数据，通过转换关系△φ＝-滚转角roll，这里的滚转角roll对应机载状态下滚转角roll。

本发明具有如下突出的实质性特点和显著技术进步：

1、本发明涉及的多线激光雷达标定系统，由于将水平调平台设置在支撑架上，配置数显水平仪以监测和判断水平调平台调平；转接架具有垂直方向和水平方向连接激光雷达的连接结构并设有惯性测量单元imu；反光标靶设置在转接架的相对位置、以形成约束激光束的区域；全站仪设置在转接架与反光标靶之间，形成高程测量结构；电脑设置在支撑架上，其i/o端口分别连接数显水平仪信号输出端、激光测距仪信号输出端、全站仪信号输出端和gps天线信号输出端，形成自动监测结构，以监测激光反射率变化和读取记录惯性测量单元imu姿态角；因此能够解决现有激光雷达标定效率低、标定精度低以及场地要求高、可执行性难度大的问题，具有标定效率高、标定精度高以及场地要求低、可执行性方便等突出的实质性特点和显著技术进步。

2、本发明涉及的多线激光雷达标定方法，首先将激光雷达固定在调平台，调整激光线束在指定的约束区域内，然后使激光束角度固定，通过两次不同的安装，分别读取惯导板中的姿态角数据，从而得出激光头组件和惯导板安装角度，在通过该差值和离轴发射角borsight角的关系求得，△φ、△ω、△κ；其中激光雷达水平安装时标定俯仰角pitch和航向角heading对应的△ω、△κ，激光雷达竖直安装时标定滚转角roll对应的△φ；具有测量设备简单、可在室内通过模拟真实工况完成、操作简便、标定的效率与标定精度高、易满足场地要求和方便执行等突出的实质性特点和显著技术进步。

2、本发明基于简单的三角关系，和角度位置关系，通过室内简单的架设相关的标定设备，即可实现快速和高精度的标定，解决现有传统标定方式带来的低效率、精度低、飞行风险大等技术问题。

附图说明

图1为多线激光雷达标定系统具体实施例水平安装的结构示意图。

图2为多线激光雷达标定系统具体实施例垂直安装的结构示意图。

图3为多线激光雷达标定系统转接架的结构示意图。

图4为多线激光雷达标定系统水平调平台的结构示意图。

图5为激光雷达水平安装时对应的高程示意图。

图6为激光雷达水平安装时对应的距离示意图。

图7为激光雷达水平安装时约束区域的确定。

图8为激光雷达竖直安装求得约束区域方法示意图。

具体实施方式

具体实施例：

参照图1至图4，本实施例涉及的多线激光雷达标定系统，包括水平调平台1、转接架2、反光标靶3、全站仪4、电脑5、激光测距仪和gps天线6；水平调平台1设置在支撑架7上，配置数显水平仪以监测和判断水平调平台调平；转接架2具有垂直方向和水平方向连接激光雷达的连接结构并设有惯性测量单元imu；反光标靶3设置在转接架2的相对位置、以形成约束激光束的区域；全站仪4设置在转接架2与反光标靶3之间，形成高程测量结构；电脑5设置在支撑架7上，其i/o端口分别连接数显水平仪信号输出端、激光测距仪信号输出端、全站仪4信号输出端和gps天线6信号输出端，形成自动监测结构，以监测激光反射率变化和读取记录惯性测量单元imu的姿态角。

本实施例中：

转接架2呈状，其上面、侧面和底面各设有安装孔用于与水平调平台1连接，形成垂直方向和水平方向的激光雷达连接结构；转接架2固定在水平调平台1上；水平调平台1用于将激光雷达调平和激光束的对齐和调整。

水平调平台1由双轴倾斜台1-2和手动旋转台1-1组成；通过双轴倾斜台1-2可以调整台面的水平和倾斜情况；手动旋转台1-1用于调整激光头的朝向。转接架2中设有惯导板2-1。

反光标靶3由一面或二面反光墙构成，在反光墙上形成水平轴3-1和-3°、-1°、1°、3°四条垂直激光束，从而形成约束区域；当反光标靶3由二面反光墙构成时，该二面反光墙成垂直连接结构。

全站仪4架设在三脚架上；全站仪4用于获取高程h1和放样指定高程h、高程h+1°和h-1°。

所述电脑5用于监测激光反射率变化和读取记录gps天线6输入的imu姿态角△φ、△ω、△κ。

激光测距仪用于测量反射标靶到激光的距离d。

gps天线6用于imu搜星获取姿态角信息。

参照图5-图8，本实施例涉及的多线激光雷达标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)准备好多线激光雷达标定系统，该多线激光雷达标定系统包括水平调平台1、转接架2、反光标靶3、全站仪4、电脑5、激光测距仪和gps天线6；

2)首先将激光雷达(半成品)8固定在调平台的转接架2中，调整激光线束在指定的约束区域内，然后使激光束角度固定，通过两次不同的安装，分别读取惯导板2-1中的姿态角数据，从而得出激光头组件和惯导板安装角度，在通过该差值和离轴发射角borsight角的关系求得，△φ、△ω、△κ；其中激光雷达水平安装时标定俯仰角pitch和heading对应的△ω、△κ，激光雷达竖直安装时标定滚转角roll对应的△φ。

实际应用中：

将激光雷达设为水平安装，具体步骤如下：

1)将水平调平台1调至水平，水平固定激光雷达(半成品)8，架设全站仪2并调平；首先用全站仪4测量激光头高程，获得h1，加上规格尺寸h2，获得激光水平轴高程h，然后用全站仪4在反光标靶3即投影墙面上测出高程为h的水平线；

2)粗对准连接在转接架2中的激光头旋转中轴，用激光测距仪测得激光头旋转中轴到反光标靶3即投影墙面的距离d，该距离d为30m+1m左右，d越大测量误差占比越小；

3)选取激光束±1°的激光，用全站仪4测出两条水平线，通过三角关系求得d，用全站仪4测出高程为h+1°的水平直线和高程为h-1°的水平直线，并做出该水平直线；用放光贴纸沿着边缘贴上，获得“二”字的约束区域；

4)通过电脑5和激光雷达连接，设置不同反射率对应的颜色，并且将激光束控制在约束区域内，则认为先调整航向角heading方向水平，在俯仰角pitch方向上移动时，区域内点云同时的由蓝色变为红色，则判断为航向角heading方向水平；再调整俯仰角pitch方向水平，这里提到的航向角heading，俯仰角pitch是以机载状态下安装所对应的；

5)再通过电脑5和惯性测量单元imu连接读取并采集姿态角数据，通过转换关系△ω＝俯仰角pitch，△κ＝-滚转角roll，这里的俯仰角pitch和滚转角roll对应惯性测量单元imu中的姿态角度数，求得离轴发射角borsight角，△ω、△κ。

或者将激光雷达设为竖直安装，具体步骤如下：

1)以全站仪4测量激光中轴线的位置高程h2，并在投影面上测量对应的高程h2，获得激光中轴对应的投影线标靶，并且设置激光器视场角为90-270°，先调整俯仰角pitch方向上的水平，在滚转角roll方向上移动时，区域内点云同时的由蓝色变为红色，则判断为俯仰角pitch方向水平；再调整滚转角roll方向上的水平。这里的俯仰角pitch和滚转角roll对应机载状态所对应的俯仰角pitch、滚转角roll；

2)电脑5连接激光头，先调整俯仰角pitch方向上的水平，在滚转角roll方向上移动时，区域内点云同时的由蓝色变为红色，则判断为俯仰角pitch方向水平。再调整滚转角roll方向上的水平；

3)再通过电脑和惯性测量单元imu连接读取并采集姿态角数据，通过转换关系△φ＝-滚转角roll，这里的滚转角roll对应机载状态下滚转角roll。

本实施例中：

水平调平台1由双轴倾斜台1-2和手动旋转台1-1组成；通过双轴倾斜台1-2可以调整台面的水平和倾斜情况；手动旋转台1-1用于调整激光头的朝向。

根据激光线束之间的固定角度，在veloview中选择只显示指定激光束，并且设置点云根据反射强弱区分。反射强度区间0-110蓝色为弱反射，110-256红色为强反射。

设置完激光束和反射强度显示后，调整水平调平台的旋钮，观察点云颜色变化情况，在约束区域内的点云同时由蓝色变为红色时，认为俯仰角pitch方向水平。再调整滚转角roll方向上的水平，区域内点云刚刚由蓝色变为红色时，滚转角roll方向上水平。

如图2所示将激光雷达水平安装，并且将激光束调整至约束区域内。

惯导板2-1在激光雷达中安装的位置，如图3所示。

通过网线和激光雷达连接，在惯导设置web页面进行姿态信息(包含姿态角)采集频率设置，并且开始记录姿态信息。

当激光在约束区域内时，认为激光头组件水平，此时在理想状态下惯导中的姿态角也应保持水平状态的数值。如果激光头组件和惯导之间存在安装角度误差，那么惯导中的姿态角不会保持水平状态的数值。

另外需要说明的是：

(1)本发明所述的差值是激光水平时惯导姿态角和理想水平状态下的差值。

(2)离轴发射角boresight为激光坐标系和惯导坐标系轴系误差，也称为安置角误差。

(3)roll方向对应的离轴发射角boresight角为△φ；俯仰角pitch方向对应的离轴发射角boresight角为△ω；

航向角heading对应的离轴发射角boresight角为△κ。

水平安装：惯导板姿态角俯仰角pitch的差值＝△ω，惯导板姿态角滚转角roll的差值＝-△κ

竖直安装：惯导板姿态角滚转角roll的差值＝-△φ

本发明涉及激光雷达系统技术领域，更主要是涉及一种激光雷达标定离轴发射角borsight角的标定方法。