[发明专利]一种激光与相机任意相对位姿关系的标定方法

权利要求书

1.一种激光与相机任意相对位姿关系的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将相机与激光传感器刚性连接固定，并保证它们的相对位置以及相机的内部参数不发生改变，形成相机激光感知模块；定义世界坐标系O_W、相机坐标系O_C、激光坐标系O_L；对相机的内部参数进行标定，得到相机的内部参数矩阵其中(f_x，f_y)为相机的等效焦距，(u₀,v₀)为相机光心坐标；

步骤二、在空间中围绕相机激光感知模块放置多块标定板，不同标定板之间有高低和俯仰的变化；

固定各标定板的空间位置不变，打开激光传感器，采集一帧激光传感器数据；采集当前相机图像，移动相机激光感知模块，用相机依次近距离采集各个标定板的图像；采集激光传感器与相机数据，提取激光棋盘格3D点和重建视觉3D点；

步骤三、视觉3D点在相机坐标系O_C下的点为P_C，先经过粗糙外参转换为激光坐标系O_L下表示为P_CL，所述的粗糙外参是手动量取和估计相机到激光传感器的旋转、平移，使用knn最近邻搜索n个激光坐标系O_L下距离P_CL最近的激光3D点P_L，构造视觉点到激光平面的点到面优化方程，通过计算梯度下降方向求解激光与相机的相对位姿；

所述的步骤三中，构造视觉点到激光平面的点到面优化方程，通过计算梯度下降方向求解激光与相机的相对位姿，优化方程推导如下：视觉3D点在相机坐标系O_C下的点为P_C，先经过粗糙外参转换为激光坐标系O_L下表示为P_CL，所述的粗糙外参是手动量取和估计相机到激光传感器的旋转、平移，使用knn最近邻搜索n个激光坐标系O_L下距离P_CL最近的激光3D点P_L，计算P_CL到P_L所在平面的点到面误差：其中，P_C是相机坐标系下的视觉3D点，R是相机坐标系到激光坐标系的旋转矩阵，t是相机坐标系到激光坐标系的平移矩阵，P_L是激光坐标系下的激光3D点，N_L是P_L所在平面的法向量。

2.如权利要求1所述的激光与相机任意相对位姿关系的标定方法，其特征在于：所述的标定板是使用黑白棋盘格标定板或使用任意带图案的平面板。

3.如权利要求1所述的激光与相机任意相对位姿关系的标定方法，其特征在于：标定板围绕相机激光分散摆放在空间中，各标定板之间要求有高低和俯仰的变换。

4.如权利要求1或2或3所述的激光与相机任意相对位姿关系的标定方法，其特征在于：固定各标定板的空间中位置，采集一帧激光数据，采集当前时刻的相机图像，移动相机激光感知模块，用相机依次近距离采集各个标定板的图像，使每块标定板都至少一次完整的出现在相机图像中。

5.如权利要求1或2所述的激光与相机任意相对位姿关系的标定方法，其特征在于：步骤二中，采集激光传感器与相机数据，提取激光棋盘格3D点和重建视觉3D点是利用RANSAC拟合或法向量聚类或人工标注的方法提取激光传感器采集的数据中的棋盘格3D点；提取相机采集的图像中的棋盘格像素点并标记，处理采集的所有相机图片作同步的建图和定位，将所标记的图像像素点重建为空间中3D点。

6.如权利要求1所述的激光与相机任意相对位姿关系的标定方法，其特征在于，所述优化方程的求解如下：求解误差方程相对与外参R，t的雅可比矩阵：其中，^代表的是括号中向量的反对称矩阵；对于不方便直接求解的非线性最小二乘问题，采用的是迭代的方法，从一个初始值出发，不断地更新当前的优化变量，相机和激光的相对位姿R，t，使目标函数下降；采用高斯牛顿法求解上述问题，J^TJ决定了梯度下降的方向，在代入采集到的数据之后，可以联合优化出外参R，t。