一种全景三维激光传感器数据校准装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于环境感知技术领域，具体的说是一种提高三维激光测距系统采集 全景数据精度的装置，尤其涉及一种全景三维激光传感器数据校准装置。
【背景技术】
[0002] 激光传感器属于主动传感器，抗干扰能力强，可以提供准确的深度信息，能详细描 述环境几何特征，直接快速获取环境的三维模型，因此在三维环境感知中占据主导地位，在 包括复杂地形机器人导航、工程测量等领域具有较大应用价值。目前，世界上有多家销售三 维激光检测系统的制造厂商，如：奥地利Riegl、瑞士Leica、日本Topcon、美国Faro等，这 些传感器价格昂贵，并且往往结构复杂，不利于维护与检修。
[0003] 为了降低成本，多数的三维激光传感器是在二维激光的基础上添加一维旋转，从 而获得三维激光数据（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,AnthonyMandow,Alejandro Pequeno-Botert,andAlfonsoGarcia-Cerezo,"DesignandDevelopmentofaFast andPreciseLow-Cost3DLaserRangefinder"，inProceedingsofthe2011IEEE InternationalConferenceonMechatronics, 2011)。由于在安装二维激光传感器的时 候，无法避免角度和位置上的偏差，所以为了获取准确的三维激光数据，在使用这种三维激 光传感器之前，需要对传感器自身参数进行标定。
[0004] 文献（余祖俊，杨娅楠，朱力强，〃三维激光扫描测量系统标定方法研究〃，电子 测量与仪器学报，21 (6)，31-35, 2007)中的标定对象由一个LMS200二维激光传感器以及一 个平移装置组成，利用两种标定模板实现三维激光传感器坐标系与外界测量基准坐标之间 的旋转参数和平移参数，该参数并不能矫正由于安装问题所产生的数据误差。
[0005] 文南犬(JesusMorales,JorgeL.Martinez,AnthonyMandow,Antonio J.Reina,AlejandroPequeilO-BoterandAlfonsoGarcla-Cerezo,^Boresight CalibrationofConstructionMisalignmentsfor3DScannersBuiltwitha2DLaser RangefinderRotatingonItsOpticalCenter",Sensors, 14(11)，20025-20040,2014.) 利用Nelder-Mead方法对平面数据进行平整度和面积最大优化处理，标定二维激光传感器 相对于三维数据坐标系的两个旋转角度，虽然可以获得比较准确的三维数据，但是由于忽 略了部分三维激光内部参数，当存在安装误差的时候，仍然会引入一定的数据误差。同样， 文献（谷晓杰，卜春光，陈成，周浚哲，〃三维激光测距系统设计与标定方法研究〃，沈阳 理工大学学报，33 (5)，10-14, 47, 2014)只考虑了三维激光传感器的部分内部参数，不能作 为通用的方法对各种三维激光传感器进行标定。 【实用新型内容】
[0006] 针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型要解决的问题是提出一种全景三维 激光传感器数据校准装置。
[0007] 本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种全景三维激光传感器数据 校准装置包括三维激光传感器和标定装置；所述三维激光传感器包括旋转云台以及设置于 旋转云台上的二维激光传感器；所述标定装置位于三维激光传感器前方的设定距离内。
[0008] 所述标定装置为相纸，相纸表面喷绘有nXm个相互交替的正方形黑格和白格；每 个黑格和白格的正中心有镂空。
[0009] 所述镂空的形状为圆形。
[0010] 所述迭代优化算法为最小二乘法或牛顿下降法。
[0011] 本实用新型具有以下有益效果及优点：
[0012] 1.本实用新型仅以三维激光传感器作为测量装置，以从环境中选定的特征为计算 依据，实现对全景三维激光数据的校准。
[0013] 2.本实用新型解决了全景三维激光传感器内部参数标定问题，仅通过一次数据采 集就可以方便的实现多个特征点自动提取。
[0014] 3.本实用新型解决了手动点选匹配对所引入的人为误差不可控和时间开销大问 题，充分考虑影响数据精度的可能因素，提高传感器标定精度，并提升了标定方法的通用 性。
[0015] 4.本实用新型为全景三维激光传感器标定奠定基础，可用在复杂地形机器人导 航、工程测量等领域。
[0016] 5.本实用新型所提出的校准方法全面考虑可能存在的二维激光坐标系与三维激 光坐标系之间的位置和旋转误差，提升了方法的通用性。
[0017] 6.本实用新型所采用的标定装置便于制作，携带方便，可重复使用。
【附图说明】
[0018] 图1为全景三维激光传感器模型示意图；
[0019] 图2为三维激光传感器3个角度误差示意图一；
[0020] 图3为三维激光传感器3个角度误差示意图二；
[0021] 图4为三维激光传感器3个角度误差示意图三；
[0022] 图5为标定装置示意图；
[0023] 图6为标定装置角点提取示意图；
[0024] 图7为三维激光传感器结构示意图；
[0025] 图8为全景三维激光传感器；
[0026] 图9为矫正前室内全景三维激光点云数据实验结果图；
[0027] 图10为矫正后的点云数据实验结果图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
[0029] 本实用新型最大的创新点在于全面考虑在安装过程中可能存在的角度和位置误 差，适用于多种全景三维激光传感器参数标定。为此本实用新型将二维激光坐标系和三维 激光坐标系之间的三个角度参数和一个偏转心距离参数作为待标定参数，经过平面拟合、 激光数据二值化、角点提取处理，从采集的两部分三维激光数据中分别提取出属于标定装 置的特征点，采用迭代优化方法对待标定参数进行求解，从而得到二维激光坐标系和三维 激光坐标系之间的角度和位置参数。
[0030] 本实用新型以二维激光坐标系与三维激光坐标系之间的3个角度参数和1个位置 参数作为待标定参数，利用两部分激光数据中标定装置上的角点不能重合的现象，采用迭 代优化方法对标定参数进行求解，该标定参数可以满足多种全景三维激光传感器的数据矫 正需求。具体步骤如下：
[0031] a)将标定装置放在实验区域内，标定装置与三维激光传感器之间距离的合适范围 为2m_10m之间；
[0032] b)将SICKLMS200激光传感器的扫描数据按^的正负平均分为两个部分，每部分 扫描角度为90度，当旋转云台带动LMS200激光旋转360度的时候，正负两部分激光数据正 好组成两个空间三维点云数据；
[0033] c)根据标定装置的摆放位置，筛选出标定装置区域的数据，并进行平面拟合，依据 标定装置区域激光点数据到所拟合平面的距离值d来对区域数据进行二值化处理
[0034]
[0035] 其中^为区域内i点二值化后的取值，3为经验距离阈值，二值化后，镂空圆孔区 域的数据为〇,其他区域数据为255,按列统计0和255的点数分布直方图，按行统计得到列 坐标
[0036]
[0037] 其中i，j分别表示行列下标，函数1 (?)为0-1函数，如果括号内条件为真则值为 1，否则为〇，median〇为中值选择函数，^表示二值化取值，从而确定了镂空中心坐标，并 可进一步根据四邻域关系确定黑白格角点坐标；
[0038] d)两部分三维激