[发明专利]一种多线激光雷达和单目视觉的自动标定方法

权利要求书

1.一种多线激光雷达和单目视觉的自动标定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、构建正六边形标定板并采集标定数据；

步骤二、提取标定板的多线激光雷达角点信息；

步骤三、提取正六边形标定板的图像角点信息；

步骤四、迭代计算多线激光雷达数据到二维视觉图像数据间的变换关系。

2.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达和单目视觉的自动标定方法，其特征在于，所述步骤一具体如下：

(1.1)物理正六边形标定板的构建

构造边长为a的白色正六边形高反射率标定板，在标定板的六个角构分别构造边长为a/4的黑色正六边形用来提取单目摄像头所采集图像的角点特征；

(1.2)多线激光雷达点云数据和单目视觉图像数据的采集

选取一个开阔且光线良好的环境，使用环境数据采集设备，同时完成激光点云与视觉图像数据的采集；多线激光雷达的前向为X轴、左向为Y轴、垂直向上为Z轴；单目摄像头的右向为X轴、垂直向下为Y轴、前向为Z轴；环境数据采集设备获得不同视角下的多组数据，采集环境数据时要确保落在标定板上半部分和下半部分的激光线条数分别为4条以上，并且标定板需要完整的呈现在图像内。

3.根据权利要求1所述的一种多线激光雷达和单目视觉的自动标定方法，其特征在于，所述步骤二具体如下：

(2.1)首先根据标定板在激光数据中的位置阈值，将标定板的激光数据从整幅数据中单独提取出；然后利用平面拟合算法拟合出标定板平面，使用随机抽样一致算法RANSAC剔除标定板激光数据的局外点，并拟合出标定板所在平面的平面方程，平面方程如公式(1)所示，其中A，B，C，D为平面参数；

Ax+By+Cz+D＝0 (1)

(2.2)标定板平面多线激光雷达数据预处理

对(2.1)得到的平面信息，将标定板平面内点投影到公式(1)所表示的标定板平面上，设标定板平面一个内点P₀的坐标为(x₀,y₀,z₀)，投影到平面后的点P_p坐标为(x_p,y_p,z_p)，根据直线P_pP₀与平面Ax+By+Cz+D＝0垂直，可得投影点P_p坐标的计算公式如下：

将所有的标定板平面内点都投影到公式(1)所表示的标定板拟合平面后，将激光点按其Z轴数值的大小从小到大进行排序；排序后按照Z轴数值的变化率将激光线分成多条激光线，并根据每条激光线上激光点数目的多少剔除激光点数目少于w的错误激光线；遍历正确的激光线，设一条激光线上第n个点的X,Z轴坐标分别为x_n,z_n，根据公式(3)剔除明显错误的激光点，剔除后将第j条激光线的第i个激光点的z轴数值z_i,j按公式(4)取平均值后作为第j条激光线所有激光点的Z轴坐标数值，最后得到预处理后的激光线line{j},j＝1,2,…m，m为激光线条数；

(2.3)拟合落在标定平面上的激光线

对(2.1)预处理后得到的每条激光线line{j},j＝1,2,…,m做最小二乘拟合，求出每条拟合直线的方向向量由于多线激光雷达扫描到的激光线都是互相平行的，故按公式(5)对拟合后的所有的激光线的方向向量求均值，将所有激光线的方向向量统一到公式(5)所求得的方向向量，统一激光线的方向向量后根据每条激光线的X轴左右边界(x_min,x_max)拟合出每条激光线的方程如公式(6)所示，其中Q，W，E为直线参数，其中h_j为当前激光线的高度；通过拟合好的直线可以求出该直线的左右边界点P_left,j,P_right,j，并根据求出该直线的长度L_j＝|P_left,jP_right,j|；根据正六边形的性质，已知直线长度，通过公式(7)可以求出该直线到正六边形中心点的距离H_j，根据激光线到正六边形中心点的距离H_j和激光线之间的间距ΔH，进一步判断出该激光线在正六边形的上半部分还是下半部分；

Q_jx+W_jy+E_jz＝0,x_min＜x＜x_max,z＝h_j (6)

(2.4)拟合激光数据的正六边形标定板边界线

对(2.3)得到的具体的激光线信息，可以求出落在标定板左上、右上、右下、左下四条边的边界点，设这四条直线分别为L₁,L₂,L₃,L₄，根据正六边形性质，其六条边满足条件：L₁,L₂夹角为60度，L₁,L₃平行，L₁,L₄夹角为120度；设第k条直线的方程为L_k:M_kx+N_ky+P_kz＝0，则四条直线满足条件如公式(8)所示，其中cos＜L₁,L₂＞，cos＜L₁,L₃＞，cos＜L₁,L₄＞分别为直线L₁,L₂，L₁,L₃，L₁,L₄夹角的余弦值；

在满足公式(8)条件下，根据落在标定板上的每条激光线的左右边界点P_left,j,P_right,j使用最小二乘拟合出四条直线；拟合出L₁,L₂,L₃,L₄四条直线后，根据L₁,L₄交点和L₂,L₃交点求出正六边形的左右边界点P₆,P₃，并根据L₁,L₂,L₃,L₄与正六边形边长a求出正六边形的六个点P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆的坐标，P₁至P₆的编号是从左上角开始顺时针排列，即获得标定板的多线激光雷达角点坐标数据P_i＝(X_i,Y_i,Z_i,1)^T,i＝1,2,3,4,5,6。