一种多路侧激光雷达点云配准装置及其使用方法与流程
本发明涉及一种多路侧激光雷达三维点云配准装置及其使用方法，属于交通工程技术领域。
背景技术：
激光雷达通过发射和接收激光束来对目标进行测距，从而获取目标的速度、位置、形状等特征，以点云的形式进行呈现，进而对目标进行识别与追踪。激光雷达广泛应用于智能交通系统，如无人驾驶、智能检测、车联网技术等。随着激光雷达价格的逐渐降低，激光雷达的安装方式已经由传统的机载布设、车载布设等安装方式向路侧静态布设方向发展。安装在路侧的激光雷达可以永久布设在电线杆、交通信号灯柱上，也可以作为一种临时数据采集方法安置在三脚架上。这些布设在路侧的激光雷达通常统一称为路侧激光雷达。
路侧激光雷达的主要用途之一是实时收集所有道路用户的实时高精度行驶轨迹。通过对采集到的点云进行数据处理后，可以提取道路用户的速度、加速度、行驶方向等高精度轨迹数据。但由于一个激光雷达的探测范围有限，为了获取道路用户在较大范围内的行驶轨迹，必须沿路布设多个激光雷达来对目标进行持续追踪。然而，每个激光雷达使用的都是以其本身作为原点的局部坐标系，这样造成了同一目标无法在多个路侧激光雷达中被持续追踪。为了解决这一问题，必须对多个路侧激光雷达进行位置配准，将不同激光雷达采集到的点云数据融合，即三维点云配准。
三维点云配准的最终目标是将所有的局部坐标系转换到一个统一的坐标系中。三维点云配准的关键是找到不同激光雷达重叠区的点、线、面关键特征，但是为了降低安装及维护成本，在激光雷达在路侧布设时往往将两个激光雷达的距离尽可能加大。而点的密度在激光雷达中随着距离的增加而减少。加大激光雷达间的布设间距必然造成重叠区域的减少。如何在重叠区域点云稀疏的情况下进行点云配准实现目标连续长距离追踪的必然要求。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种多路侧激光雷达点云配准装置及使用方法，其通过将点云配准装置，寻找不同激光雷达重叠区的关键点，通过改变点云配准装置的布设位置，增加关键点的个数，实现多激光雷达的点云配准。点云配准装置携带一个可以伸缩的搜索臂，通过改变该搜索臂的半径，可以跨越激光雷达重叠区的限制。即使两个激光雷达间没有重叠区域，也可以将其点云融合到同一坐标系中。该装置可应用于不同距离间的激光雷达点云配准。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供了一种多路侧激光雷达点云配准装置，其安装在两个激光雷达之间，其包括固定架、水平搜索臂和反光片；所述的固定架竖直设置，且高度可调；所述的水平搜索臂水平设置，与固定架相连，该水平搜索臂可相对于固定架进行水平转动，且水平搜索臂长度可调，所述的反光片安装在水平搜索臂的末端。
第二方面，本发明基于上述的多路侧激光雷达点云配准装置，还公开了一种进行点云配置的方法，如下：
步骤1安装多路侧激光雷达点云配准装置；
步骤2进行点云配准数据收集
2.1根据两个激光雷达安装高度，相距距离，确定该配准装置竖向高度，水平伸缩长度，应确保点云配准装置在之后的旋转过程中既然到达激光雷达a扫描区域，也能到达激光雷达b扫描区域；
旋转点云配准装置，当点云配准装置旋转到激光雷达a扫描范围内时，且激光雷达a处的电脑图像显示的颜色为其返回的强度达到最大时，即已经扫描到配准装置的反光片，故停止转动，此点为a1-1，并记录该点的数据，然后继续转动找寻下一个点a1-2并记录此点数据；相应地继续旋转点云配准装置到达激光雷达b扫描区域，并在其中寻找与之类似的b1-1点和b1-2点并记录相关数据。
2.2完成位置1的数据收集之后将点云配准装置移至另外三个新的位置，并重复步骤2.1，进行数据收集。
步骤3进行两个激光雷达点云数据融合
3.1将两个激光雷达每一帧在时间上进行统一；
3.2利用收集到的数据点a1-1、a1-2、b1-1、b1-2，进行重合点的计算与寻找；
根据a1-1、a1-2两点的坐标以及水平搜索臂长度求出与激光雷达a相关的圆心点oa-1坐标；oa-1的坐标值是以激光雷达a为原点的局部坐标系下的；运用同等方法，利用b1-1、b1-2和水平搜索臂长度即可求出与激光雷达b相关的圆心点ob-1坐标，ob-1的坐标是以激光雷达b为圆心的局部坐标系下的，oa-1和ob-1这两点即是激光雷达a和激光雷达b通过点云配准装置找出的重合点1；
3.3重复步骤3.1、3.2，分别计算其余三个位置的重合点2、3、4；计算完成后，利用坐标变换，进行激光雷达局部坐标系融合，完成点云配置。
第三方面，本发明还公开了一种多路侧激光雷达点云配准装置，其安装在两个激光雷达之间，其包括固定架、搜索臂和gps；所述的固定架竖直设置，且高度可调；所述的搜索臂为一个弧形结构，与固定架相连，搜索臂可相对于固定架进行水平转动，所述的gps安装在搜索臂的末端。
第四方面，本发明基于上述的多路侧激光雷达点云配准装置，还公开了一种进行点云配置的方法，如下：
步骤1安装多路侧激光雷达点云配准装置；
步骤2进行点云配准数据收集
2.1在激光雷达a扫描区域内移动点云配准装置，并间隔一段时间改变点云配准装置的高度；观察与激光雷达a相连接的显示器，当点云配准装置显示的颜色代表返回强度最大值时，停止移动，并记录此点的gps测量仪上显示的经纬度数值，以及相应的点坐标值；
2.2完成位置1的寻找与记录之后，继续移动配准装置，按照步骤2.1的方法，寻找另外三个位置，并记录各个点的gps测量仪上显示的经纬度数值以及相应地点坐标值；
2.2完成对激光雷达a的数据采集之后，重复步骤2.1，2.2完成对激光雷达b的数据采集。
步骤3进行激光雷达局部坐标系与全局坐标系融合
3.1在进行激光雷达点云局部坐标与全局坐标融合之前，先将得到的数据点经纬度数值转化成空间直角坐标系中的坐标值(x,y,z)，具体公式如下所示：
其中e′表示的是椭圆的第二偏心率
3.2利用坐标变换，进行激光雷达局部坐标系融合，完成点云配置。
本发明在重叠区域点云稀疏的情况下，提供一种多路侧激光雷达点云配准装置及使用方法，可通过将点云配准装置，寻找不同激光雷达重叠区的关键点，通过改变点云配准装置的布设位置，增加关键点的个数，实现多激光雷达的点云配准，继而实现了目标连续长距离追踪的这一要求。
本发明的有益效果：
(1)该点云配准装置提供了两种情况下的激光雷达配准设备，应用范围更广；
(2)由于伸缩臂的设计，不许一个完整的圆弧圈，只需转动装置，就可完成点云配准工作，故大大节省了配准装置制作材料
(3)方便移动，拆卸方便
附图说明
图1是实施例中的模型结构总体示意图；
图2是固定架各部分结构示意图；
图3是水平伸缩臂各部分结构示意图；
图4是第一连接装置结构示意图；
图5是反光片结构示意图；
图6是实施例2中的模型结构总体示意图；
图7是第二连接装置结构示意图；
图8是实施例1的数据收集示意图；
图9是实施例1寻找重合点数据示意图；
图10是实施例2数据收集示意图。
图中：1、圆形底板，2、钢管，3、钢管，4、第一连接装置，5、钢管，6、钢管，7、反光片，8、轴承，9、第二连接装置，10、gps定位装置。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种多路侧激光雷达点云配准装置、安装及其使用方法。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种路侧激光雷达点云配准装置，该装置用于激光雷达相距不是很远的情况，其包括固定架、水平圆面搜索臂和反光片。固定架上部有一个可以调节位置的水平圆面搜索臂，水平搜索臂的长度可以分段调节，并可以通过轴承绕固定架水平转动，搜索臂的另一端安装一个反光片。
具体的，所述固定架为两段空心钢管互相嵌套而成，这两段钢管分别为钢管2和钢管3。所述钢管2即下段钢管，底部焊接一个圆形钢板1作为支撑，管身上有4个插孔，确定适合的高度后可用销钉插入。所述钢管3，管径小于钢管2，可套入钢管2，且顶部和轴承内圈嵌套在一起，在钢管3上设有也设有多个插孔，当两者之间的相对位置满足实际需要的高度时，通过销钉插接在一起，固定两者之间的相对位置。
上述的水平圆面伸缩臂由两段较细的空心钢管嵌套而成，这两段钢管分别为钢管5和钢管6。
所述钢管5，用第一连接装置4将自身和钢管3上的轴承可连接在一起，钢管5自身上有3个小孔，用以调节伸缩长短。
所述钢管6，管身上有两个小孔，大小与钢管5上的小孔一样大，两孔对齐，插入螺栓，并用螺母拧紧，继而确定横向伸缩臂长短。
所述第一连接装置4，一端为圆形弧圈，与轴承外圈嵌套在一起，用以伸缩臂水平方向转动，另一端为直径略小于钢管5的空心圆管，用以和钢管5连接，继而将整个横向伸缩臂和竖向固定架连接成一个整体。
所述反光片，为一圆形，其中心有一孔，与钢管6直径一样，即钢管6可插通圆形反光片。
本发明在重叠区域点云稀疏的情况下，提供一种多路侧激光雷达点云配准装置及使用方法，可通过将点云配准装置，寻找不同激光雷达重叠区的关键点，通过改变点云配准装置的布设位置，增加关键点的个数，实现多激光雷达的点云配准，继而实现了目标连续长距离追踪的这一要求。
当激光雷达相距不是很远的时候，利用点云配准装置将其配准于某一激光雷达局部坐标系下(此情况下需要三人配合完成，以两个激光雷达为例，并分别记为激光雷达a和激光雷达b，且各部件尺寸大小为为建议值)：
步骤1)组合安装点云配准装置前的准备工作
将轴承8与钢管3(长度800mm，外径为240mm，内径120mm)嵌套完成，将第一连接装置4(内径320mm，外径360mm，右端伸出处长约100mm)和轴承8(外径320mm，内径280mm)嵌套完成。需注意在此之前每个激光雷达需水平安置并分别连接gps10。
步骤2)安装固定架
将钢管2(外径280mm，内径240mm，长度1500mm，第一个插孔距底端750mm，且插孔之间间距为200mm，插孔直径为20mm)和钢管3嵌套在一起，在选定合适的高度之后，插入销钉。如图2所示。
步骤3)安装横向伸缩臂
将钢管5(外径68mm，内径60mm，长度500mm，第一个插孔距底端100mm，且插孔之间距离为150mm)和钢管6(外径60mm，内径52mm，长度700mm，第一个插孔距底端250mm，第二个插孔间隔300mm)嵌套在一起，并与第一连接装置4相连接，确定好横向伸缩臂长短之后，插入螺栓并用螺母拧紧。如图3所示
步骤4)安装反光片
当以上竖向固定架和水平伸缩臂安装完成后，就可以将反光片7(直径700mm)安装在水平伸缩臂的末端了。如图5所示。
步骤5)进行点云配准数据收集
5.1根据两个激光雷达安装高度，相距距离，大概确定该配准装置竖向高度，水平伸缩长度，应确保点云配准装置在之后的旋转过程中既然到达激光雷达a扫描区域，也能到达激光雷达b扫描区域。然后一人在点云配准装置处旋转水平伸缩臂，另外两人分别在激光雷达a和激光雷达b处。当点云配准装置旋转到激光雷达a扫描范围内时，激光雷达a处的人紧盯电脑实时显示图像(需注意电脑图像应以强度为指标进行实时显示)，当在电脑屏幕中发现点云配准装置所显示的颜色代表其返回的强度达到最大时(即附图8中a1-1点)，即已经扫描到配准装置反光片，故停止转动并记录此处数据，然后继续转动找寻下一个点(即附图8中a1-2点)并记录此点数据。相应地继续旋转点云配准装置到达激光雷达b扫描区域，并在其中寻找与之类似的b1-1点和b1-2点并记录相关数据。
5.2完成位置1的数据收集之后将点云配准装置移至三个新的位置(位置选取原则与5.1中一致，为了便于理解，附图6中还给出了一个位置2的选取点)，并重复步骤5.1，进行数据收集。
步骤6)进行两个激光雷达点云数据融合(即点云配准)
6.1由于不同激光雷达安装的时间不一样，这会导致每个点数据的时间戳不一样，继而无法将每个激光雷达同一时间下的帧对应起来，从而无法实现不同激光雷达的帧可以整合一起正确显示某同一物体的目的。为了实现这一目的，有必要在进行多个激光雷达的点云配准之前进行这两个激光雷达每一帧时间上的统一。由于每个激光雷达配以一个gps而gps中有表示时间变化的参数时间戳，所以可利用时间戳实现这两个激光雷达时间上的统一。时间统一推荐方法如下：假设激光雷达a的某一帧p1上共有n个数据点，则可计算该帧n个数据点的时间戳之和s1，接着计算激光雷达b所有帧的时间戳之和，找寻激光雷达b时间戳之和中与s1差值最小的s2对应的帧p2，则p1和p2即为同一时刻下的一帧，即完成了这两个激光雷达时间上的统一。
6.2在6.1的基础上。理论上，为了能够将不同激光雷达的点云数据融合在一起，需寻找到两个激光雷达的重合点。现以收集到的数据点a1-1、a1-2、b1-1、b1-2为例，进行重合点的计算与寻找。由相关数学知识可知：当已知圆弧上两个点时，是可以找出圆心所在直线的，又因为水平搜索臂长度可知，即该圆的半径可知，故可根据a1-1、a1-2两点坐标以及水平搜索臂长度求出与激光雷达a相关的圆心点oa-1坐标(为便于理解，可见附图9所示)，需知oa-1的坐标值是以激光雷达a为原点的局部坐标系下的。运用同等方法，利用b1-1、b1-2和水平搜索臂长度即可求出与激光雷达b相关的点ob-1，需知此时ob-1的坐标是以激光雷达b为圆心的局部坐标系下的，故oa-1和ob-1这两点即是激光雷达a和激光雷达b通过点云配准装置找出的重合点1。
6.3重复步骤6.1，6.2，分别计算其余三个位置的重合点2、3、4。计算完成后即可进行激光雷达局部坐标系融合(即两激光雷达点云配准)。由相关数学知识可知，不同三维笛卡尔空间坐标系转换实现可通过以下几种变换来实现：比例变换、平移变换、旋转变换、错切变换和透视变换。与变换相关的矩阵分别如下所示：
矩阵(1)为比例变换矩阵
其中sx、sy、sz的含义是分别在x、y、z轴上的放缩比例。
矩阵(2)(3)(4)均为旋转变换矩阵
其中θ代表的是旋转的角度，trx、try、trz代表的是分别绕x、y、z轴的旋转变换矩阵。
矩阵(5)为错切变换矩阵
其中，mx1、mx2代表的是沿x轴方向上的错切变换值，相应地my1、my2、mz1、mz2分别代表的是沿y轴方向和z轴方向上的错切变换值。
矩阵(6)为平移变换矩阵
其中，tx，ty、tz分别代表地是在x、y、z轴上的平移值。
综上所述，最终的变换矩阵为
在该变换矩阵中，
[xyz1]＝[xyz1]×t(8)
则变换矩阵t为
t＝[xyz1]-1×[xyz1](9)
需知此处的两个坐标矩阵尺寸均为4×4，[xyz1]所具有坐标值即是oa-1、oa-2、oa-3、oa-4的坐标值，[xyz1]所具有的坐标值为ob-1、ob-2、ob-3、ob-4的坐标值。
将[xyz1]和[xyz1]具体写出如下所示：
故通过以上坐标变换，最后可将激光雷达a和激光雷达b两个同坐标融合为一个坐标系，即完成了其点云配准。
实施例2
如图6、图7所示，本实施例公开了一种路侧激光雷达点云配准装置，该装置用于激光雷达相距较远的情况，其包括固定架、第一连接装置、第二连接装置和gps定位装置10。
具体的，所述固定架为两段空心钢管互相嵌套而成，这两段钢管分别为钢管2和钢管3。所述钢管2即下段钢管，底部焊接一个圆形钢板1作为支撑，管身上有4个插孔，确定适合的高度后可用销钉插入。所述钢管3，管径小于钢管2，可套入钢管2，且顶部和轴承内圈嵌套在一起，在钢管3上设有也设有多个插孔，当两者之间的相对位置满足实际需要的高度时，通过销钉插接在一起，固定两者之间的相对位置。
第一连接装置4，一端为圆形弧圈，与轴承外圈嵌套在一起，用以第二连接装置水平方向转动，另一端为直径略小于钢管5的空心圆管，用以和钢管5连接，继而将第二述连接装置和gps连接成一个整体。
第二述连接装置，为一90°弯管，其一端有螺纹用于与gps定位装置相连接(接口处开始配合)，另一端直径与钢管5直径大小一致，用于直接与连接装置4相连。
当激光雷达a和激光雷达b相距较远，无法利用点云配准装置将其数据整合在某个激光雷达局部坐标系下时，因此，本实施例公开了一种可利用该装置使激光雷达a和激光雷达b分别与大地坐标系融合(此情况需要一般需要两个人即可完成点云配准工作)：
步骤1)组合安装点云配准装置前的准备工作
将轴承8与钢管3嵌套完成，将第二连接装置9和轴承8嵌套完成。需注意在此之前每个激光雷达需水平安置。
步骤2)安装固定架
将钢管2和钢管3嵌套在一起，在选定合适的高度之后，插入销钉。如图2所示。
步骤3)安装高精度gps测量仪
将第二连接装置9与第一连接装置4相连接，并将高精度gps安装在第二连接装置9上面，旋紧即可。并在gps测量仪顶部贴上一个反光片7。如图6所示。
步骤4)进行点云配准数据收集
步骤4.1其中一人手持点云配准装置，在激光雷达a扫描区域内行走，并时不时改变一下点云配准装置的高度。另外一人时刻紧盯与激光雷达a相连接的电脑屏幕(需注意电脑图像应以强度为指标进行实时显示)，当点云配准装置显示的颜色代表返回强度最大值时，停止移动，并记录此点的gps测量仪上显示的经纬度数值，以及相应的点坐标值(如附图10配准位置1所示)。
步骤4.2完成位置1的寻找与记录之后，继续移动配准装置，寻找另外三个可返回最大强度值的地方(如108位置2、3、4所示)，并记录各个点的gps测量仪上显示的经纬度数值以及相应地点坐标值。
步骤4.3完成对激光雷达a的数据采集之后，重复步骤4.1，步骤4.2完成对激光雷达b的数据采集。
步骤5)进行激光雷达局部坐标系与全局坐标系融合
步骤5.1在进行激光雷达点云局部坐标与全局坐标融合之前，先将得到的数据点经纬度数值转化成空间直角坐标系中的坐标值(x,y,z)，具体公式如下所示：
其中e′表示的是椭圆的第二偏心率
步骤5.2在步骤5.1的基础上重复第一种情况下的步骤6.3，此时需注意的是在第二种情况中，[xyz1]中的坐标值是经纬度变换过来的空间直角坐标系下的坐标值，[xyz1]中的坐标值是以激光雷达为圆心的局部坐标系中的坐标值。通过以上步骤，即完成了激光雷达局部坐标系向大地坐标系的融合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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