[发明专利]一种基于AR tag的3D激光雷达与相机间结构参数的标定方法

权利要求书

1.一种基于AR tag的3D激光雷达与相机间结构参数的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将相机和3D激光雷达刚性固定安装，并在相机前视范围内放置多个非共面且含有AR tag的平面标定板；

步骤二、利用相机静态采集一帧相机图像，利用3D激光雷达静态采集一帧激光点云图像；

步骤三、使用相机内参对所述相机图像进行校正，得到相机校正图像和校正后的相机内参数矩阵；

步骤四、在所述相机校正图像中选取像素点，并利用所述相机内参数矩阵得到所选取像素点的2D坐标；在所述激光点云图像中选取与像素点位置对应的激光点及其3D坐标，得到2D-3D点对；利用所述2D-3D点对求解多点透视成像PnP问题，得到3D激光雷达与相机间结构参数的初值；

步骤五、利用所述相机校正图像中AR tag的实际尺寸，获得相机坐标系下的像平面和该像平面上像素点的3D坐标；在所述激光点云图像中选取激光雷达坐标系下对应的像平面和该像平面上激光点的3D坐标；

步骤六、根据像素点的3D坐标和激光点的3D坐标，构建像平面之间和点到像平面之间的约束方程，在所述约束方程的约束下，采用非线性优化方法对所述初值进行优化，得到3D激光雷达与相机间结构参数的精确值；

所述约束方程的表达式为：

其中，为位于第i个平面标定板平面上的第n个点在相机坐标系下的3D坐标，为位于第i个标定板平面上的第m个点在激光雷达坐标系下的3D坐标，为第i个标定板平面在相机坐标系下的单位法向量，为相机坐标系下原点到第i个标定板平面的距离，为第i个标定板平面在激光雷达坐标系下的单位法向量，为激光雷达坐标系下原点到第i个平面标定板平面的距离，R_CL,t_CL分别为待求解初值的旋转分量和平移分量，|| ||²为向量的二范数，R^-1为矩阵R的逆，R^T为矩阵R的转置。

2.根据权利要求1所述的一种基于AR tag的3D激光雷达与相机间结构参数的标定方法，其特征在于，步骤一中，所述平面标定板为包含有April Tag的平面板，或为能够在同一张图像中被区分的任意带图案的平面板；所述平面标定板用于根据April Tag或图案的实际尺寸提供相机坐标系和所述平面标定板坐标系之间的变换关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于AR tag的3D激光雷达与相机间结构参数的标定方法，其特征在于，步骤一中，所述平面标定板的数量不少于三个，任意两个所述平面标定板呈现不同姿态，且任意两个所述平面标定板之间不存在互相遮挡的情况。

4.根据权利要求1所述的一种基于AR tag的3D激光雷达与相机间结构参数的标定方法，其特征在于，步骤四中，所述2D-3D点对是通过选取所述相机校正图像和所述激光点云图像中任意匹配的显著特征点对得到的，任意一个所述2D-3D点对均包含所述相机校正图像中的一个像素点和所述激光点云图像中的一个激光点；在选取2D-3D点对后，利用EPnP算法得到3D激光雷达与相机间结构参数的初值。

5.根据权利要求4所述的一种基于AR tag的3D激光雷达与相机间结构参数的标定方法，其特征在于，所述EPnP算法是基于随机采样一致性RANSAC算法改进获得的。

6.根据权利要求4所述的一种基于AR tag的3D激光雷达与相机间结构参数的标定方法，其特征在于，步骤四中，所述初值的计算公式为：

其中，为在相机校对图像上选取的像素点的2D坐标，为在激光雷达坐标系下选取的与对应的激光点的3D坐标，K为相机图像校正后的相机内参数矩阵，R_CL,t_CL分别为上式取值最小时的待求解初值的旋转分量和平移分量，SO(3)为三维旋转群，为三维实向量空间，|| ||²为对应向量的二范数。