[发明专利]一种三维激光和单目视觉间的自动标定方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人自主环境感知技术领域，涉及到三维激光测距系统和视觉传感器之间的信息融合，特别涉及到三维激光和单目视觉间的自动标定方法。

背景技术

工作在复杂场景中的机器人系统依靠单一传感器无法有效完成自主环境感知与工作场景理解。不同类型传感器之间的信息融合是提高机器人环境理解与认知性能的必备手段，而多种传感器之间的标定又是其中的重要环节。以往的标定工作大多是针对视觉传感器与二维激光传感器之间的标定(Zhang Q L，Pless R.Extrinsic Calibration of a Camera and Laser Range Finder IEEEInternational Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS)，2004)，主要是通过寻找二维激光数据的拐点信息或黑白格交错信息，完成视觉和激光数据点的匹配，但是存在的问题是依赖于扫描介质的特性，特别当激光测距距离较远或激光扫描数据点稀疏时，标定效果受到显著影响。通过实验对激光测距性能的结果分析得到激光测距性能会受到激光测距距离、被测物体介质表面特性以及扫描入射角等因素的影响(Ye C，Borenstein J.Characterization of a 2-D laserscanner for mobile robot obstacle negotiation.Proceedings of the 2002IEEEInternational Conference on Robotics and Automation.Washington DC，USA，2002：2512-2518；于金霞，蔡自兴，邹小兵，段琢华，移动机器人导航中激光雷达测距性能研究，传感技术学报2006，19(2))，如何针对这些影响因素进行标定装置设计和算法开发仍是需要探索和解决的问题。依赖于反射介质获得三维激光扫描数据的方法所获取的激光测距数据的稳定性无法保证，文献(刘佳，张爱武，马牧运，杨帆，王书民，刘晓萌.三维激光扫描测量系统中的摄像机标定.系统仿真学报.2008，20(z1))，以玻璃作为反射媒介，无法有效给出标定实验结果的验证分析，只能停留在仿真阶段。文献(Scaramuzza D，Harati A，and Siegwart R.Extrinsic Self Calibration of a Camera and a 3D Laser Range Finder from NaturalScenes.Proceedings of the 2007)，依赖于人工手动点选匹配点进行三维激光和视觉间外参标定，由于人工点选的不准确，存在引入的人为误差无法进行量化控制与统计的问题，同时手动点选时间开销大。文献(Unnikrishnan R，Hebert M.FastExtrinsic Calibration of a Laser Rangefinder to a Camera.TechnicalReportCMU-RI-TR-05-09，Robotics Institute，Carnegie Mellon University，2005)在三维激光和视觉间的标定过程中激光视觉匹配对的提取较大依赖于三维激光传感器对黑白格标定装置的扫描效果，其局限性是仅在近距离和较小偏转角度条件下才能保证良好的扫描效果。

发明内容

本发明要解决的问题是提供了自动提取三维激光数据和单目视觉图像数据中特征匹配对的方法，实现三维激光和单目视觉之间的自动标定，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，提高了匹配对提取精度。以设计的一体化标定装置为基础，减小了距离与偏转角对标定的影响，克服了标定只能限定在近距离范围内这一局限性。

本发明的技术方案如下：

一种三维激光和单目视觉间的自动标定方法，其特征在于：利用激光扫描镂空黑白格标定板时所产生的测距突变特性，通过原始三维激光数据与二值化后的测距数据矩阵间的映射关联，基于测距数据的分布模式检测激光数据特征角点；所述的激光数据特征角点是标定装置中黑白格相交所构成的角点；