[發(fā)明專利]單線激光雷達(dá)與CCD相機之間相互關(guān)系的標(biāo)定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010223750.7
• 申請日: 2010-07-14
• 公開（公告）號: CN101882313A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊恒;劉肖琳
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G01S17/89
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所 43008
• 代理人: 趙洪;周長清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明主要涉及到視覺傳感器與其它傳感器之間相對位置關(guān)系的標(biāo)定領(lǐng)域，特指一種單線激光雷達(dá)與CCD相機的標(biāo)定。

背景技術(shù)

單線激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確實時的提供一定范圍內(nèi)(一般為0°-180°)位于單個掃描平面內(nèi)的距離信息。近年來，單線激光雷達(dá)由于具有體積小、價格合理、精度高等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于機器人領(lǐng)域，輔助其它傳感器完成特殊的任務(wù)。最常用的方法將相機和單線激光雷達(dá)固定在一個處理平臺(例如移動機器人)上，通過激光雷達(dá)與CCD相機的配合，完成導(dǎo)航、三維重建等高級任務(wù)。要將激光雷達(dá)和相機的圖像信息進(jìn)行有效的融合，必須預(yù)先對它們之間的相對位置關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，獲取傳感器坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。

有從業(yè)者Zhang和Pless率先對單線激光雷達(dá)與相機的標(biāo)定進(jìn)行了研究，提出了利用相機標(biāo)定過程常用的棋盤格標(biāo)定板進(jìn)行相機和激光雷達(dá)混合標(biāo)定的方法。如(Qilong?Zhang，Robert?Pless.Extrinsic?calibration?for?camera?and?laser?ranger?finder(improves?camera?intrinsic?calibration).IEEE?IROS，pp.2301-2306，2004)(譯為：相機與激光雷達(dá)外參數(shù)的標(biāo)定(同時優(yōu)化相機內(nèi)參數(shù)))中所述，其主要過程為：

第一步：采用張正友方法(Zhengyou?Zhang.Flexible?camera?calibration?by?viewing?a?plane?from?unknown?orientations.In?Proc.International?Conference?on?Computer?Vision，September1999.)(譯為：通過多幅未知位置的平面標(biāo)定板圖像進(jìn)行相機標(biāo)定的靈活方法)標(biāo)定相機的內(nèi)參數(shù)。該方法通過多幅平面棋盤標(biāo)定板的圖像得到相機的內(nèi)參數(shù)和畸變參數(shù)Dis＝[k₁??k₂??k₃??k₄]，其中，f_x是X方向上的相機焦距，f_y是Y方向上的相機焦距，(a_x，a_y)^T是成像平面的主點坐標(biāo)，即投影中心在成像平面上的垂直投影，a_x為主點的橫坐標(biāo)，a_y為主點的縱坐標(biāo)，上標(biāo)^T表示向量或者矩陣的轉(zhuǎn)秩；k₁，k₂為相機徑向失真參數(shù)，k₃，k₄為相機切向失真參數(shù)。

第二步：根據(jù)張正友方法標(biāo)定出相機相對于棋盤格平面標(biāo)定板的外參數(shù)，得到相機相對于標(biāo)定板的(r，t)。r為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t為3×1的平移向量。標(biāo)定板在相機坐標(biāo)系中的位置可以用向量N表示為：N＝-r₃(r₃^T·t)，其中r₃為r的第三列。

第三步：從激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取出掃描標(biāo)定板的掃描點數(shù)據(jù)P^f，P^f為代表激光雷達(dá)坐標(biāo)系中點的3×1的列向量，因為這些點為標(biāo)定板平面上的反射點，設(shè)變換矩陣(Φ，Δ)將每個激光掃描點變換到相機坐標(biāo)系，其中Φ為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，Δ為3×1的平移向量，則有：N(Φ·P^f+Δ)＝||N||²。根據(jù)這一約束，使用恰當(dāng)?shù)淖銐蚨嗟狞c即可以解出(Φ，Δ)。

從以上的標(biāo)定過程可以看出，其標(biāo)定過程嚴(yán)重依賴于相機相對于標(biāo)定板的外參數(shù)精度，即N的信息。但是僅通過平面標(biāo)定板進(jìn)行外參數(shù)標(biāo)定本身存在較大誤差，這一誤差就直接影響了最后標(biāo)定結(jié)果；另外，根據(jù)其文所述，其標(biāo)定得到的旋轉(zhuǎn)矩陣往往不滿足標(biāo)準(zhǔn)正交的基本條件，盡管初標(biāo)定后又根據(jù)ΦΦ^T＝I(I為單位矩陣)條件對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，但是仍然有較大的誤差；其所提供的仿真實驗的角度誤差為e(Φ)＝1.95°，位置誤差為e(Δ)＝2.37cm。