[發明專利]一種主動標定激光雷達和編碼器外參的方法

有效

• 申請號: 202110081298.3
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112882053B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 梁斌;易彤;蘭斌;王學謙
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: G01S17/86
• 分類號: G01S17/86;G01S7/497;G01C25/00
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

本發明公開了一種主動標定激光雷達和編碼器外參的方法，包括：S1、將標定物和激光雷達置于同一水平面，并以編碼器里程計的坐標系作為移動機器人的坐標系；指定標定物在世界坐標系中的位置和移動機器人的起始位置，根據環境設定觀測噪聲和運動噪聲，并初始化移動機器人的狀態變量和狀態變量的協方差矩陣；S2、利用軌跡規劃算法計算出所述移動機器人的線速度和角速度；S3、使所述移動機器人以步驟S2計算出的線速度和角速度運動一個時間間隔Δt，利用擴展卡爾曼濾波進行狀態變量及其協方差矩陣的更新；S4、重復步驟S2和S3，直至狀態變量收斂，完成標定。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，具體涉及一種主動標定激光雷達和編碼器外參的方法。

背景技術

由于裝有多傳感器的自主導航移動機器人具有高效性和更高的精度，引起了全球學界的關注。激光雷達和編碼器是移動機器人中最常用的兩個傳感器，特別是在工業和民用領域的輪式機器人中，如自主導航車，無人車和輪式服務機器人等。與基于慣性測量單元的里程計相比，安裝在移動機器人驅動電機上的編碼器可以為機器人提供更準確、更直接的里程計數據。但是，當移動機器人上下坡或車輪打滑時，編碼器會出現嚴重的漂移。而激光雷達可以提供周圍環境豐富的場景信息，這些信息可以用來估計機器人的狀態和檢測環境中的物體。然而，受到成本和技術的限制，大多數的移動機器人采用的是單一的2D激光雷達，在復雜環境中，由于其無法感知三維環境信息的缺點，會出現定位精度低，建圖不完整等問題。因此編碼器和2D激光雷達可以彌補各自的缺點。例如激光雷達的重定位能力有助于減少編碼器里程計的漂移問題，基于編碼器里程計提供的精確的近距離變換，能夠提升激光雷達數據關聯的魯棒性。并且基于編碼器和2D激光雷達融合的里程計可以提升對環境的感知和自身定位的能力。然而，在實際應用中，為了方便制作，編碼器和激光雷達總是被放置在不同的位置，因此，兩傳感器的坐標系不重合。在實際使用這兩種傳感器之前，需要對不同傳感器坐標系之間的相對位置進行校準，以融合不同的傳感器信息。可見，準確的外部參數標定結果對移動機器人系統的狀態估計和環境感知具有重要的意義。

在常見的激光-編碼器里程計外參標定方案中，需要有經驗的標定工程師去控制小車的運動，通過小車編碼器讀取的信息和激光雷達對標定物掃描獲取的信息，計算出各自的相對運動，然后通過構建多個矩陣組，利用非線性優化的方法求解出外參數。此標定算法的最大缺點是需要專業的標定工程師對小車進行控制或令小車在標定參照物前走大量的軌跡才能保證標定結果的準確性，這就需要工程師具備一定的操作經驗才能有效的進行標定，并且十分費時；另外，此標定算法要求激光雷達需實時感知到標定物，當標定物在激光雷達感知域外時，標定算法無法工作。

發明內容

鑒于此，本發明提出一種主動標定激光雷達和編碼器外參的方法，以解決現有的激光-編碼器里程計外參標定方法所存在的標定過程費時費力、普通人可操作性低且標定結果準確度不高的問題。

為解決上述問題，本發明采用以下技術方案：

一種主動標定激光雷達和編碼器外參的方法，包括：S1、將標定物和激光雷達置于同一水平面，并以編碼器里程計的坐標系作為移動機器人的坐標系；指定標定物在世界坐標系中的位置和移動機器人的起始位置，根據環境設定觀測噪聲和運動噪聲，并初始化移動機器人的狀態變量和狀態變量的協方差矩陣；S2、利用軌跡規劃算法計算出所述移動機器人的線速度和角速度；S3、使所述移動機器人以步驟S2計算出的線速度和角速度運動一個時間間隔Δt，利用擴展卡爾曼濾波進行狀態變量及其協方差矩陣的更新；S4、重復步驟S2和S3，直至狀態變量收斂，完成標定。

本發明實現了激光雷達和編碼器里程計兩個傳感器之間的自動外參標定，無需專業人士進行操作，根據算法在線進行軌跡規劃，使得標定結果的不確定度最小；此外，即使標定物暫時在激光雷達感知區域外，算法也可以慢慢找到標定物，從而實現主動外參標定。

附圖說明

圖1是本發明實施例的主動標定激光雷達和編碼器外參的系統示意圖；