[发明专利]基于向量关系的单线激光雷达和CCD相机标定方法

摘要

本发明涉及基于向量关系的单线激光雷达和CCD相机标定方法，在激光坐标系中提取激光雷达扫描V型靶标的点集信息，通过直线拟合求得靶标两个不同平面内的直线的方向向量及交点坐标；在相机坐标系中利用CCD相机捕获图像，通过对图像信息处理获取靶标平面方程和过原点与激光雷达扫描线的平面方程，建立激光雷达扫描的直线方程，进一步得到直线的方向向量及交点坐标；最后依据不同坐标系对应直线方向向量及交点间的关系完成标定。本发明不需要移动标定场景中的任何物体，一次即可完成所有标定数据的采集，标定效率大大提高；本发明直接获取待标定传感器各自坐标系下激光扫描靶标平面的直线方向向量，在保证标定精度的同时简化了标定算法。

主权项

1.基于向量关系的单线激光雷达和CCD相机标定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，构建标定场景；步骤1.1，用平整木板制作两个B2尺寸的棋盘格标定板；步骤1.2，将两个标定板成α角摆放，80°≤α≤150°，构成一个V型靶标，靶标的左、右平面分别用F_l和F_r表示；步骤1.3，将激光雷达和相机置于靶标前合适位置，使靶标能够被激光雷达扫描且相机能够完整捕获标定场景；激光雷达在扫描V型靶标时，其扫描点会在靶标的左、右平面形成两条扫描线，定义为相应坐标系下激光雷达扫描线的左直线和右直线，且两直线交于一点，该交点在实际数据中不存在，是一个虚拟的点；步骤2，获取激光雷达坐标系数据；步骤2.1，提取激光扫描点云；固定激光雷达位置，分别提取标定场景中未摆放靶标和摆放靶标的两个激光点集w和W；靶标摆放前后，w和W在标定板对应角度上的值会产生比较大的变化，通过设定阈值δ可提取标定板上的点云W_B，即：WB=W,|w-W|≥δ0,|w-W|<δ]]>步骤2.2，确定V型靶标左右平面F_l和F_r上的点云W_Bl和W_Br；激光雷达扫描是逆时针进行的，取点云W_B最左边的点P_Bl，极大值点P_Bo和最右边的点P_Br，则W_Br为P_Bl到P_Bo间的点云，W_Bl为P_Br到P_Bo间的点云；步骤2.3，根据点云数据W_Bl和W_Br拟合直线；将激光雷达扫描靶标两个平面F_l和F_r的点云数据W_Bl和W_Br从极坐标转为直角坐标，利用线性最小二乘法拟合直线，激光雷达扫描面为Z＝0，激光坐标系下激光雷达扫描靶标两个面的两直线方程分别为：ALlx+BLly+CLl=0Z=0,ALlx+BLly+CLr=0Z=0---(1)]]>步骤2.4，计算两条直线的方向向量s_Ll和s_Lr及交点M_L的坐标(x_L,y_L,0)；步骤3，获取CCD相机坐标系数据；步骤3.1，保持激光雷达位置不变，调整相机其能够完整捕获标定场景；步骤3.2，利用相机保存包含和未包含激光雷达扫描信息的两幅标定场景图像；步骤3.3，求相机坐标系下靶标左、右平面方程；基于张正友标定方法，提取任意一副标定场景图像中的棋盘格角点信息，利用图像像素坐标平面和相机坐标平面之间的约束关系，求得靶标左、右平面程为：A_lx+B_ly+C_lz+D_l＝0   （2）A_rx+B_ry+C_rz+D_r＝0步骤3.4，求过原点与激光雷达扫描线的平面方程；对两幅标定场景图像做畸变校正、差分以及二值化处理，获取一幅完整保留并突显激光信息的图像；对处理后的图像进行Hough变换，提取响应最大的两条直线，其图像像素坐标系下点斜式方程为：y＝a_lx+b_l   （3）y＝a_rx+b_r相机坐标系与图像平面的像素点坐标之间的投影关系为：uvl=Kxc/zcyx/zc1---(4)]]>其中，(u,v)是图像像素坐标系中坐标；(x_c,y_c,z_c)是相机坐标系中坐标；K=fusu00fvv0001]]>是CCD相机的内参矩阵，可利用张正友标定法标定CCD相机获得，(u₀,v₀)是相机像平面中心坐标，(f_u,f_v)是相机的焦距，s是描述图像平面两个轴之间的畸变系数，一般取0；将（4）式代入（3）式得相机坐标系下过原点与激光雷达扫描线的平面方程：A_Clx+B_Cly+C_Clz＝0   （5）A_Crx+B_Cry+C_Crz＝0其中，A_Cl＝f_ua_l,B_Cl＝-f_vl,C_Cl＝u_oa_l-v_o+b_l，A_Cr＝f_ua_r,B_Cr＝-f_vr,C_Cr＝u_oa_r-v_o+b_r；步骤3.5，确定激光雷达扫描线的空间直线方程；联立（5）式和（2）式得CCD相机坐标系下激光雷达扫描线在靶标不同平面的两条空间直线方程：Alx+bly+Clz+Dl=0AClx+BCly+CClz=0,Arx+Bry+Crz+Dr=0ACrx+BCry+CCrz=0---(6)]]>步骤3.6，求两条直线的方向向量s_Cl和s_Cr及M_C的坐标(x_C,y_C,z_C)；步骤4，求标定参数。