一种车载激光雷达自动标定系统及方法与流程

1.本发明涉及一种车载激光雷达自动标定系统及方法，属于传感器标定技术领域。


背景技术：

2.多线激光雷达在自动驾驶领域中是不可或缺的传感器之一，而对多线激光雷达进行标定又是激光雷达应用必不可少的前提条件，尤其在自动驾驶车辆趋于产业化后，如何快速简单自动地对多线激光雷达标定，从而减少标定工时，提高产线产能，有着重要的现实意义。车载多线激光雷达标定，即将多线激光雷达点云从激光雷达坐标系转换到车辆坐标系下，获取旋转矩阵及平移矩阵，也就是求解激光雷达相对车辆坐标系的三个姿态角(横滚角、俯仰角、航向角)和三个平移向量(x、y、z方向平移量)。
3.传统的标定方法是在激光雷达周围放置标定物，通过测量的方式获取标定物与激光雷达之间的相对位置，接着对三个姿态角及三个平移向量逐个进行选取和评估，最终找到合适的参数值，这种方法用于常规的多线激光雷达标定，但是由于标定物的位置需要测量，标定精度易受到标定物位置测量误差和标定人员的技术水平的影响，可控性较低，并且其标定速度慢、自动化水平较低，尤其是当车上不止有一个多线激光雷达时，需要摆放和测量多个标定物，并且逐个雷达、逐个参数地进行标定，不利于应用到自动驾驶车辆产业化领域中。
4.申请公布号为cn111175725a的发明专利申请文件中，公开了一种车载多线激光雷达自动标定系统及标定方法，该文件中的标定系统包括齿条滑轨装置、滑块装置、标定物、控制装置和激光发射接收装置等，标定系统较为复杂，基于该标定系统的标定方法虽然不需要逐个参数进行标定，但是进行标定前，需要将车辆停放在由齿条滑轨装置构成的区域内，且要求车辆垂直于横向齿条停放，在车辆停放后，调整纵向滑轨使纵向滑轨与车轮外侧贴合；标定过程中，测量标定物在车辆坐标系下的坐标时，需要在滑轨坐标系和车辆坐标系之间进行转换，步骤繁琐；并且该标定方法还存在以下问题：在实际操作中，若无法精确控制车辆垂直于横向齿条，就无法使纵向滑轨贴合车轮外侧，进而无法保证建立的车辆坐标系纵轴与实际车辆纵向中心线重合，从而影响最终的标定精度；而且，标定物的位置仍需要测量，若测量不准确也会影响标定精度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种车载激光雷达自动标定系统及方法，用以解决利用现有的标定系统及方法进行车载激光雷达标定时标定精度差的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种车载激光雷达自动标定系统，该系统包括：控制器、用于停放待标定车辆的指定区域、至少一个标定物和至少三个车辆定位装置；其中，
7.各标定物均固定设置在指定区域边界线的外围，并且各标定物均固定设置在指定区域的一侧，该侧为待标定车辆的车头朝向；
8.各车辆定位装置均固定设置在指定区域边界线上或者指定区域边界线的外围，其中至少一个车辆定位装置能够测量出其到待标定车辆的车头或车尾的距离，其余的车辆定位装置分别能够测量出其到待标定车辆车身的距离且每个车辆定位装置所能测量的车身位置各不相同；
9.控制器，用于根据指定区域的位置、各车辆定位装置的位置、各车辆定位装置测得的距离和车身参数确定待标定车辆在指定区域内的精确位置；以及结合各标定物的位置、待标定车辆在指定区域内的精确位置和车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据确定车载激光雷达的标定参数；
10.所述标定参数为车载激光雷达相对于车辆坐标系的横滚角、俯仰角、航向角、x方向的平移量、y方向的平移量和z方向的平移量。
11.该标定系统的有益效果是：本发明的标定系统用于对停放在指定区域内的车辆上的车载激光雷达进行标定，具有以下优点：(1)标定系统中仅包含标定物、车辆定位装置和控制器，与现有的标定系统相比结构简单、成本低；(2)标定系统中各标定物和各车辆定位装置的位置固定，也就是说，标定物的位置、车辆定位装置的位置、以及标定物与车辆定位装置间的相对位置均是固定且已知的，不需测量，从而避免了测量误差对标定精度的影响；并且待标定车辆停放在指定区域内后，结合指定区域的位置、各车辆定位装置的位置、各车辆定位装置测得的距离和车身参数能计算出待标定车辆在指定区域内的精确位置，进而结合各标定物的位置、待标定车辆在指定区域内的精确位置和车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据，能快速、准确地进行车载激光雷达标定，保证了车载激光雷达的标定精度；综上，利用本发明的标定系统进行车载激光雷达标定时，具有简单、快速、标定精度高的优点。
12.进一步地，在上述标定系统中，当该系统仅包含三个车辆定位装置时，其中一个车辆定位装置所在的一侧为待标定车辆的车头或车尾朝向，另外两个车辆定位装置固定设置在指定区域的同侧，该侧为待标定车辆车身某一侧的朝向且这两个车辆定位装置所能测量的车身位置不同。
13.进一步地，在上述标定系统中，当该系统仅包含三个车辆定位装置时，其中一个车辆定位装置所在的一侧为待标定车辆的车头或车尾朝向，另外两个车辆定位装置固定设置在指定区域的相对两侧，该相对两侧分别为待标定车辆车身两侧的朝向且这两个车辆定位装置的位置不对称。
14.进一步地，在上述标定系统中，所述车辆定位装置为激光测距设备。
15.进一步地，在上述标定系统中，该系统还包括数据传输设备，所述数据传输设备用于实现各车辆定位装置和控制器之间的数据传输。
16.进一步地，在上述标定系统中，该系统还包括标定开关，所述标定开关用于向控制器下发开始标定指令，所述标定开关为实体开关、实体按钮、移动app或后台。
17.本发明还提供了一种车载激光雷达自动标定方法，该方法包括以下步骤：
18.获取用于停放待标定车辆的指定区域的位置、各标定物的位置、各车辆定位装置的位置，以及车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据；其中，标定物的个数为至少一个，车辆定位装置的个数为至少三个，各标定物均固定设置在指定区域边界线的外围，并且各标定物均固定设置在指定区域的一侧，该侧为待标定车辆的车头朝向；各车辆定位装置
均固定设置在指定区域边界线上或者指定区域边界线的外围，其中至少一个车辆定位装置能够测量出其到待标定车辆的车头或车尾的距离，其余的车辆定位装置分别能够测量出其到待标定车辆车身的距离且每个车辆定位装置所能测量的车身位置各不相同；
19.根据指定区域的位置、各车辆定位装置的位置、各车辆定位装置测得的距离和车身参数确定待标定车辆在指定区域内的精确位置；
20.结合各标定物的位置、待标定车辆在指定区域内的精确位置和车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据确定车载激光雷达的标定参数；
21.所述标定参数为车载激光雷达相对于车辆坐标系的横滚角、俯仰角、航向角、x方向的平移量、y方向的平移量和z方向的平移量。
22.该标定方法的有益效果是：各标定物和各车辆定位装置的位置固定，也就是说，标定物的位置、车辆定位装置的位置、以及标定物与车辆定位装置间的相对位置均是固定且已知的，不需测量，从而避免了测量误差对标定精度的影响；并且针对停放在指定区域内的待标定车辆，结合指定区域的位置、各车辆定位装置的位置、各车辆定位装置测得的距离和车身参数能计算出待标定车辆在指定区域内的精确位置，进而结合各标定物的位置、待标定车辆在指定区域内的精确位置和车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据，能快速、准确地进行车载激光雷达标定，保证了车载激光雷达的标定精度；综上，利用本发明的标定方法进行车载激光雷达标定时，具有简单、快速、标定精度高的优点。
23.进一步地，为了提高标定精度，在上述标定方法中，该方法还包括通过改变车辆在指定区域内的停放位置，获取车载激光雷达测得的每个标定物对应的多组点云坐标数据，进而结合各标定物对应的多组点云坐标数据确定车载激光雷达的标定参数。
24.进一步地，在上述标定方法中，当仅有三个车辆定位装置时，其中一个车辆定位装置所在的一侧为待标定车辆的车头或车尾朝向，另外两个车辆定位装置固定设置在指定区域的同侧，该侧为待标定车辆车身某一侧的朝向且这两个车辆定位装置所能测量的车身位置不同。
25.进一步地，在上述标定方法中，当仅有三个车辆定位装置时，其中一个车辆定位装置所在的一侧为待标定车辆的车头或车尾朝向，另外两个车辆定位装置固定设置在指定区域的相对两侧，该相对两侧分别为待标定车辆车身两侧的朝向且这两个车辆定位装置的位置不对称。
附图说明
26.图1是本发明系统实施例中的车载激光雷达自动标定系统结构示意图；
27.图2是本发明系统实施例中的车载激光雷达自动标定方法流程图；
28.图3是本发明系统实施例中的当激光测距设备有3个时的另一种布置示意图；
29.图4是本发明系统实施例中的当激光测距设备有3个时的又一种布置示意图；
30.图5是本发明系统实施例中的当激光测距设备有4个时的一种布置示意图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
32.车载激光雷达安装固定在车辆顶部，两者的坐标系具有确定的相对位置关系，确定车载激光雷达的标定参数就是求解激光雷达相对车辆坐标系的三个姿态角(横滚角、俯仰角、航向角)和三个平移向量(x方向平移量、y方向平移量、z方向平移量)。
33.以下实施例中均以车载激光雷达为多线激光雷达为例进行说明，当车载激光雷达为单线激光雷达时标定过程类似，不再赘述。
34.系统实施例：
35.如图1所示，本实施例的车载激光雷达自动标定系统(以下简称标定系统)包括：
36.用于停放待标定车辆的指定区域；
37.2个标定物，各标定物均固定设置在指定区域边界线的外围，并且各标定物均固定设置在指定区域的一侧，该侧为待标定车辆的车头朝向；
38.3个激光测距设备，各激光测距设备均固定设置在指定区域边界线的外围，其中一个激光测距设备所在的一侧为待标定车辆的车尾朝向，另外两个激光测距设备固定设置在指定区域的同侧，该侧为待标定车辆车身某一侧(按图1中所示方位为车身右侧)的朝向且这两个激光测距设备所能测量的车身位置不同。其中，设置在车尾朝向一侧的激光测距设备能够通过发射激光线束测量出其到待标定车辆车尾的距离，设置在车身右侧朝向的两个激光测距设备分别能够通过发射激光线束测量出其到待标定车辆车身的距离且这两个激光测距设备所能测量的车身位置不同；其中，激光测距设备可以选用测距精度高的单点激光雷达；本实施例中，选择激光测距设备作为车辆定位装置，作为其他实施方式，还可以选择其他具有测距功能的设备作为车辆定位装置。
39.3个数据透传设备(例如wifi模块)，用于通过无线网络传输的方式实现各激光测距设备和标定控制器之间的数据传输；作为其他实施方式，激光测距设备与标定控制器还可以通过rs232或ttl电平接口进行连接和数据传输，即通过有线传输的方式进行数据传输；
40.标定开关，标定开关用于向标定控制器下发开始标定指令；其中，标定开关可以为实体开关或按钮，此时通过手动触发该开关或按钮来下发开始标定指令；还可以是移动app或后台，此时通过移动app或者后台下发开始标定指令。本实施例中，标定控制器通过数据透传设备接收标定开关下发的开始标定指令，标定开关与数据透传设备之间可以通过实体线束连接或者通过无线网络传输的方式进行数据传输。
41.标定控制器(即控制器)，用于根据指定区域的位置、各激光测距设备的位置、各激光测距设备测得的距离、车身参数、各标定物的位置和车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据，实现如图2所示的车载激光雷达自动标定方法(以下简称标定方法)，进而确定车载激光雷达的标定参数。
42.其中，标定控制器可以安装在车内，此时可以将整车控制器作为标定控制器；也可以为实现该标定方法专门设置一个控制器作为标定控制器，只要保证标定控制器与整车控制器通讯连接即可，此时标定控制器可以在后台，也可以设置在指定区域附近。
43.下面详细介绍本实施例的标定方法，该标定方法包括以下步骤：
44.(1)获取指定区域的位置、各标定物的位置、各激光测距设备的位置，以及车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据；其中，指定区域用于停放待标定车辆；
45.(2)根据指定区域的位置、各激光测距设备的位置、各激光测距设备测得的距离和
车身参数确定待标定车辆在指定区域内的精确位置；
46.本实施例中，由于各激光测距设备均固定设置在指定区域边界线的外围，因此首先要结合指定区域的位置、各激光测距设备的位置和各激光测距设备测得的距离，确定待标定车辆的车尾和车身两个不同位置到相应指定区域边界的距离，进而结合车身参数确定待标定车辆在指定区域内的精确位置。
47.作为其他实施方式，各激光测距设备还可以均固定设置在指定区域边界线上，此时激光测距设备测得的距离就是待标定车辆的车尾和车身两个不同位置到指定区域边界的距离。
48.(3)结合各标定物的位置、待标定车辆在指定区域内的精确位置和车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据确定车载激光雷达的标定参数。
49.具体地，利用各标定物的位置和待标定车辆在指定区域内的精确位置能够得到各标定物在车辆坐标系下的坐标，利用车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据能够得到各标定物在激光雷达坐标系下的坐标，由于对于车辆的一个停放位置一个标定物对应一组点云坐标数据，从而对于车辆的一个停放位置，一个标定物对应一个车辆坐标系下的坐标和一个激光雷达坐标系下的坐标(以下称一个标定物对应一组坐标)，本实施例的标定系统中布置了2个标定物，则对于车辆的一个停放位置可以获得2组坐标，最终利用这2组坐标进行车载激光雷达标定。
50.本实施例的标定系统中仅布置了2个标定物，标定系统结构简单、成本低；在实际应用中标定物的个数可以根据实际需要设置，只要保证至少有一个标定物，且各标定物均固定设置在指定区域的一侧，该侧为待标定车辆的车头朝向即可。易知，在不改变车辆停放位置的情况下，标定系统中的标定物个数越多，对于车辆的一个停放位置就能获得更多组坐标，从而利用更多组坐标进行车载激光雷达标定，能够提高标定精度。
51.作为其他实施方式，为了进一步提高标定精度，在标定物数量固定的情况下，还可以通过改变车辆在指定区域内的停放位置(例如可以通过人工、遥控或自动驾驶等方式改变车辆的停放位置)，获取车载激光雷达测得的每个标定物对应的多组点云坐标数据，进而结合各标定物对应的多组点云坐标数据确定车载激光雷达的标定参数；例如当标定物为n个时(n≥1)，改变车辆的停放位置m次(m≥1)，由于对于车辆的一个停放位置，一个标定物对应一组坐标，则对于车辆的m个停放位置，一个标定物对应m组坐标，那么n个标定物对应n
×
m组坐标，最终利用这n
×
m组坐标进行车载激光雷达标定，能够进一步提高标定精度。
52.本实施例中，仅布置了3个激光测距设备，这3个激光测距设备的布置方式如图1所示；作为其他实施方式，这3个激光测距设备的布置方式还可以根据实际需要调整，例如布置成如图3所示，此时其中一个激光测距设备所在的一侧为待标定车辆的车头朝向，能够测量出其到待标定车辆车头的距离；另外两个激光测距设备固定设置在指定区域的同侧，该侧为待标定车辆车身某一侧(按图2中所示方位为车身右侧)的朝向且这两个激光测距设备所能测量的车身位置不同；或者布置成如图4所示，此时其中一个激光测距设备所在的一侧为待标定车辆的车尾朝向，另外两个激光测距设备固定设置在指定区域的相对两侧，该相对两侧分别为待标定车辆车身两侧(按图4中所示方位为车身左侧和车身右侧)的朝向且这两个激光测距设备的位置不对称。
53.为了提高待标定车辆在指定区域内的精确位置的计算精度，进而提高标定精度，
还可以布置3个以上的激光测距设备，且激光测距设备的布置位置可以根据实际需要调整，只要保证各激光测距设备均固定设置在指定区域边界线上或者指定区域边界线的外围，其中至少一个激光测距设备能够测量出其到待标定车辆的车头或车尾的距离，其余的激光测距设备分别能够测量出其到待标定车辆车身的距离且每个激光测距设备所能测量的车身位置各不相同即可；例如，当布置4个激光测距设备时，可以按图5所示布置，其中一个激光测距设备所在的一侧为待标定车辆的车尾朝向，另外两个激光测距设备固定设置在指定区域的同侧，该侧为待标定车辆车身某一侧(按图5中所示方位为车身右侧)的朝向且这两个激光测距设备所能测量的车身位置不同，最后一个激光测距设备所在的一侧为车身左侧朝向，且该激光测距设备的位置与车身右侧朝向的激光测距设备的位置均不对称。
54.本实施例的标定系统中标定物和各激光测距设备的位置固定，也就是说，标定物的位置、激光测距设备的位置、以及标定物与激光测距设备间的相对位置均是固定且已知的，不需测量，从而避免了测量误差对标定精度的影响；并且待标定车辆停放在指定区域内后，结合指定区域的位置、各激光测距设备的位置、各激光测距设备测得的距离和车身参数能计算出待标定车辆在指定区域内的精确位置，进而结合各标定物的位置、待标定车辆在指定区域内的精确位置和车载激光雷达测得的各标定物的点云坐标数据，能快速、准确地进行车载激光雷达标定，保证了车载激光雷达的标定精度。
55.综上所述，利用本发明的标定系统进行车载激光雷达标定时，为获得更多组坐标以提高标定精度有以下几种方式：(1)标定物数量固定的情况下，通过改变车辆的停放位置获取更多组坐标；(2)不改变车辆的停放位置，通过增加标定系统中标定物的个数获取更多组坐标；(3)同时改变车辆的停放位置和增加标定物的个数获取更多组坐标；在实际应用中，可以根据实际需要选择不同的方式来提高标定精度。特殊地，若仅用一组坐标进行标定时标定精度已能满足精度要求，则标定系统中可仅设置一个标定物且不用改变车辆的停放位置。
56.方法实施例：
57.本实施例的车载激光雷达自动标定方法(以下简称标定方法)如图2所示，该标定方法与已在系统实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。
58.以上实施例中的前、后、左、右等方位用语，均是结合相应附图，为了方便理解本发明的技术方案设置的，并不构成对本发明技术方案的限制。