一种全景三维激光传感器数据校准方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明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 数据精度的方法和装置，尤其涉及一种全景三维激光传感器数据校准方法和装置。
【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,Anthony MandowjAlejandroPequeno-Botert,andAlfonsoGarcla-Cerezoj^Designand DevelopmentofaFastandPreciseLow-Cost3DLaserRangefinder^,inProceedings ofthe2011IEEEInternationalConferenceonMechatronics, 2011) 〇 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] 文献（JesiisMorales,JorgeL.Martinez,AnthonyMandow，Antonio J.Reina,AlejandroPequeno-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。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明要解决的问题是提出一种全景三维激光 传感器数据校准方法和装置。
[0007] 本发明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] 一种全景三维激光传感器数据校准方法，包括以下步骤：
[0011] 1)将二维激光传感器的扫描数据按^轴的正负平均分为两个部分，构成激光的扫 描平面；当旋转云台带动二维激光传感器旋转360度时，^轴的正负两部分激光数据组成 两个空间三维点云数据；
[0012] 2)从两个空间三维点云数据中提取标定所需的激光数据特征点；
[0013] 3)对两个空间三维点云数据中激光点的距离进行优化得到标定参数。
[0014] 所述两个部分的扫描角度相等，且大于等于90度。
[0015] 所述从两个空间三维点云数据中提取标定所需的激光数据特征点，包括以下步 骤：
[0016] 2-1)根据标定装置与二维激光传感器之间的距离，以及两个空间三维点数据与激 光扫描序列索引值之间的映射关系，得到标定装置区域内的数据；
[0017] 2-2)根据标定装置区域内的数据得到标定装置的平面；
[0018] 2-3)根据平面对标定装置区域内的数据进行二值化；
[0019] 2-4)对二值化后的数据提取标定装置上的角点。
[0020] 所述根据平面对标定装置区域内的数据进行二值化，包括以下步骤：
[0021] 根据标定装置的平面以及二维激光传感器到标定装置的平面的距离d对区域内 的数据进行二值化处理：
[0023] 其中，区域内i点二值化后的取值，I为经验距离阈值。
[0024] 所述对二值化后的数据提取标定装置上的角点，包括以下步骤：
[0025] 标定装置上镂空区域的数据为0,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
[0027]其中，i，j分别表示行列下标；函数1(0为0-1函数，如果括号内条件为真则值 为1，否则为〇 ;median()为中值选择函数，Iu表示二值化取值；
[0028] 根据每列的列坐标确定镂空中心坐标，并得到每四个相邻的黑格和白格的交点坐 标作为角点坐标。
[0029] 所述对两个空间三维点云数据中激光点的距离进行优化得到标定参数，包括以下 步骤：
[0033] a、0、y为二维激光坐标系与三维激光坐标系之间绕轴，yt轴，zt轴旋转的误 差角度。
[0034] 所述迭代优化算法为最小二乘法或牛顿下降法。
[0035] 本发明具有以下有益效果及优点：
[0036] 1.本发明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。
[0037] 2.本发明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。
[0038] 3.本发明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。
[0039] 4.本发明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。
[0040] 5.本发明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。
[0041]6.本发明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】
[0042] 图1为全景三维激光传感器模型示意图；
[0043] 图2为三维激光传感器3个角度误差示意图一；
[0044] 图3为三维激光传感器3个角度误差示意图二；
[0045] 图4为三维激光传感器3个角度误差示意图三；
[0046] 图5为标定装置示意图；
[0047] 图6为标定装置角点提取示意图；
[0048] 图7为三维激光传感器结构示意图；
[0049] 图8为全景三维激光传感器；
[0050] 图9为矫正前室内全景三维激光点云数据实验结果图；
[0051] 图10为矫正后的点云数据实验结果图。
【具体实施方式】
[0052] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0053] 本发明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。为此本发明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。
[0054] 本发明方法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：
[0055]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；
[0056]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；
[0057]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
[0059]其中1$区域内i点二值化后的取值，。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
[0061]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；
[0062]d)两部分三维激光点云中对应角点