[发明专利]三维激光雷达测量系统及标定方法

权利要求书

1.三维激光雷达测量系统的标定方法，所述方法采用三维激光雷达测量系统，所述三维激光雷达测量系统系统包括龙门架(1)、旋转平台(2)、连接板(3)、二维激光雷达(4)、水平标定板(5)、横向标定板(6)和纵向标定板(7)，其特征在于，龙门架(1)与旋转平台(2)固定连接，旋转平台(2)通过连接板(3)与二维激光雷达(4)相连并带动激光雷达旋转，二维激光雷达的测量平面(4-3)位于激光雷达的前端，垂直于激光雷达顶面(4-1)，在二维激光雷达测量平面(4-3)上，(4-2)是二维激光雷达的-225°测量线，(4-6)是二维激光雷达的45°测量线，水平标定板(5)、横向标定板(6)和纵向标定板(7)放置于龙门架(1)和二维激光雷达(4)的正前方，三个标定板互相垂直；

所述方法包括如下步骤：

1、首先定义一系列坐标系，定义激光雷达二维坐标系o₀-x₀y₀、激光雷达三维坐标系o₀-x₀y₀z₀、旋转中心坐标系o₁-x₁y₁z₁，o₀点位于二维激光雷达的测量平面的(4-3)测量中心，o₀x₀轴与二维激光雷达的90°测量线(4-4)重合，o₀y₀轴与二维激光雷达的0°测量线(4-5)重合，在激光雷达二维坐标系的基础上，过o₀点垂直于o₀x₀y₀平面，利用右手定则建立o₀z₀轴，进而建立激光雷达三维坐标系o₀-x₀y₀z₀，忽略旋转平台、连接板和二维激光雷达三者之间的安装误差，认为旋转平台的旋转面、连接板平面和激光雷达顶面相互平行，因此，旋转轴l垂直于面o₀x₀y₀，设二者交于o₁点，以o₁为原点建立旋转中心坐标系o₁-x₁y₁z₁，其中o₁-x₁y₁z₁的三个轴分别平行于o₀-x₀y₀z₀的三个轴；

2、通过旋转平移关系求得激光雷达三维坐标系o₀-x₀y₀z₀与旋转中心坐标系o₁-x₁y₁z₁的坐标变换关系为：

式中：α为旋转平台的旋转角度，r为o₀o₁的距离；

3、建立世界坐标系o₂-x₂y₂z₂，将水平标定板(5)、横向标定板(6)和纵向标定板(7)放置于龙门架的正前方，并使得三个标定板互相垂直，设三个标定板的交点为o₂点，即世界坐标系的原点，已知三个标定板两两相交，设水平标定板(5)和横向标定板(6)的交线为世界坐标系的o₂x₂轴，水平标定板(5)和纵向标定板(7)的交线为世界坐标系的o₂y₂轴，横向标定板(6)和纵向标定板(7)的交线为世界坐标系的o₂z₂轴；

4、采用上述三维激光雷达测量系统对三个标定板进行测量，分别提取出三个标定板上的点云数据，采用结合特征值法的随机抽样一致性算法拟合平面，得到三个平面方程，将该三个平面方程联立方程组求解得到世界坐标系的原点o₂在旋转中心坐标系下的坐标，三个平面方程两两组合，得到世界坐标系的三个坐标轴线在旋转中心坐标系下的方程；

5、求解旋转中心坐标系o₁-x₁y₁z₁与世界坐标系o₂-x₂y₂z₂的坐标变换关系，设旋转中心坐标系o₁-x₁y₁z₁与世界坐标系o₂-x₂y₂z₂上点的坐标变换矩阵为T_4×4，建立二者坐标变换公式，T矩阵含有16个未知数，不易求解，根据坐标平移旋转变换的特点，可以推出T的逆矩阵中含有12个未知数，取四个特殊点将其坐标带入坐标变换，恰好能求解出T的逆矩阵中的12未知数，该四个特殊点分别是世界坐标系的原点以及在世界坐标系的每个坐标轴上取一点；

6、求解出T矩阵，进而求解出激光雷达三维坐标系o₀-x₀y₀z₀与世界坐标系o₂-x₂y₂z₂的转换关系，完成三维激光雷达测量系统的标定。

2.根据权利要求1所述的三维激光雷达测量系统的标定方法，其特征在于，中心坐标系o₁-x₁y₁z₁与世界坐标系o₂-x₂y₂z₂的坐标变换关系式为：