[发明专利]基于大平面复合靶标的激光雷达与可见光相机的标定方法

权利要求书

1.一种基于大平面复合靶标的激光雷达与可见光相机的标定方法，其特征在于包括以下步骤：

制作大平面复合靶标，包括以下步骤：

1)使用两个高分辨率相机组成一个宽基线立体相机，并标定内外参；

2)在实际场景中选择一个平整的平面作为靶标平面，打印若干黑白格子角点图案贴于靶标平面上；

3)在靶标平面上任意选择不共线的三个角点，记为A，B，C，使用立体相机测得BC＝a，AC＝b，AB＝c，设∠A＝θ，根据三角形余弦定理求得θ值；以A为坐标系原点，AB所在直线为极轴，顺时针方向为旋转正方向，求得A，B，C三点极坐标，分别为A(0，0)，B(c，0)，C(b，θ)；

4)再以A为坐标系原点，极轴为X轴，Y轴向下，将A，B，C三点极坐标系坐标转换为直角坐标系坐标，分别记为A(0，0)，B(x_b，y_b)，C(x_c，y_c)；设D为靶标平面上不同于A，B，C的任意一角点，其直角坐标设为(x_d，y_d)；已知A，B，C三点直角坐标，由立体相机测得DA＝l₁，DB＝l₂，DC＝l₃，则有

5)解以上二元二次方程组，取实数域上解，得到D点坐标；以此类推，求得靶标平面上其它角点的直角坐标；默认靶标平面处于Z＝0的平面上，得到所有角点的三维直角坐标系坐标，大平面复合靶标制作完成；

将所述大平面复合靶标置于激光雷达与可见光相机共同视场中；

调整大平面复合靶标位姿，采集至少3组法向量不共线的观测数据，并对观测数据进行平面特征提取；

根据靶标平面在激光雷达坐标系和可见光相机坐标系中法向量的对应性求解相机坐标系相对于激光雷达坐标系的旋转矩阵；

在激光雷达坐标系与可见光相机坐标系中，根据靶标平面的法向量方向，遵循同组平面法向量方向相近，不同组平面法向量趋于正交的原则，分别将靶标平面分为三组，从每组中任意选取一个靶标平面，计算选取的三个靶标平面的交点，根据三个靶标平面的交点的对应性和相机坐标系相对于激光雷达坐标系的旋转矩阵估计平移向量。

2.如权利要求1所述的基于大平面复合靶标的激光雷达与可见光相机的标定方法，其特征在于对观测数据进行平面特征提取方法如下：

对于激光雷达点云数据，用最小二乘法估计靶标平面点云在激光雷达坐标系下的平面方程，不断重复，直至处理完所有点云数据；

对于可见光相机图像数据，首先利用张正友标定法标定相机内参，然后提取每组图像数据中大平面复合靶标上的二维角点，最后利用P3P算法估计每帧图像对应的可见光相机相对于大平面复合靶标的位姿并计算复合靶标平面在相机坐标系下的平面方程。

3.如权利要求1所述的基于大平面复合靶标的激光雷达与可见光相机的标定方法，其特征在于求解旋转矩阵方法如下：

已知激光雷达和相机坐标系下对应的靶标平面的法向量集合，分别记为

根据以下优化目标函数计算旋转矩阵R：

R为相机坐标系相对于激光雷达坐标系的旋转矩阵，展开关于R的误差项：

注意到第一项和R无关，第二项由于R^TR＝I，也和R无关，因此，实际上优化目标函数为

其中tr( )表示求括号中矩阵的迹，即矩阵的对角线元素之和；

通过SVD求解上述问题中的R，先定义矩阵：

对W进行SVD分解，得

W＝U∑V^T (6)

其中，∑为奇异值组成的对角矩阵，对角线元素从大到小排列，而U，V为对角矩阵；当W满秩时，R为

R＝UV^T (7)

如果此时R的行列式为负，则取-R作为最优值。

4.如权利要求1所述的基于大平面复合靶标的激光雷达与可见光相机的标定方法，其特征在于估计平移向量的方法如下：

激光雷达坐标系下和相机坐标系下三个不同靶标平面的交点集合分别记为根据下式求解平移向量t

其中，R为已求得的相机坐标系相对于激光雷达坐标系的旋转矩阵，

5.如权利要求1所述的基于大平面复合靶标的激光雷达与可见光相机的标定方法，其特征在于采集观测数据遵循以下两个原则：

(1)靶标平面法向量两两正交；

(2)每三个法向量不同的平面的交点接近激光雷达与可见光共同视场中心。