[发明专利]单线激光雷达与CCD相机之间相互关系的标定方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到视觉传感器与其它传感器之间相对位置关系的标定领域，特指一种单线激光雷达与CCD相机的标定。

背景技术

单线激光雷达可以准确实时的提供一定范围内(一般为0°-180°)位于单个扫描平面内的距离信息。近年来，单线激光雷达由于具有体积小、价格合理、精度高等优势而被广泛应用于机器人领域，辅助其它传感器完成特殊的任务。最常用的方法将相机和单线激光雷达固定在一个处理平台(例如移动机器人)上，通过激光雷达与CCD相机的配合，完成导航、三维重建等高级任务。要将激光雷达和相机的图像信息进行有效的融合，必须预先对它们之间的相对位置关系进行标定，获取传感器坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵。

有从业者Zhang和Pless率先对单线激光雷达与相机的标定进行了研究，提出了利用相机标定过程常用的棋盘格标定板进行相机和激光雷达混合标定的方法。如(Qilong Zhang，Robert Pless.Extrinsic calibration for camera and laser ranger finder(improves camera intrinsic calibration).IEEE IROS，pp.2301-2306，2004)(译为：相机与激光雷达外参数的标定(同时优化相机内参数))中所述，其主要过程为：

第一步：采用张正友方法(Zhengyou Zhang.Flexible camera calibration by viewing a plane from unknown orientations.In Proc.International Conference on Computer Vision，September1999.)(译为：通过多幅未知位置的平面标定板图像进行相机标定的灵活方法)标定相机的内参数。该方法通过多幅平面棋盘标定板的图像得到相机的内参数和畸变参数Dis＝[k₁  k₂  k₃  k₄]，其中，f_x是X方向上的相机焦距，f_y是Y方向上的相机焦距，(a_x，a_y)^T是成像平面的主点坐标，即投影中心在成像平面上的垂直投影，a_x为主点的横坐标，a_y为主点的纵坐标，上标^T表示向量或者矩阵的转秩；k₁，k₂为相机径向失真参数，k₃，k₄为相机切向失真参数。

第二步：根据张正友方法标定出相机相对于棋盘格平面标定板的外参数，得到相机相对于标定板的(r，t)。r为3×3的旋转矩阵，t为3×1的平移向量。标定板在相机坐标系中的位置可以用向量N表示为：N＝-r₃(r₃^T·t)，其中r₃为r的第三列。

第三步：从激光雷达数据中提取出扫描标定板的扫描点数据P^f，P^f为代表激光雷达坐标系中点的3×1的列向量，因为这些点为标定板平面上的反射点，设变换矩阵(Φ，Δ)将每个激光扫描点变换到相机坐标系，其中Φ为3×3的旋转矩阵，Δ为3×1的平移向量，则有：N(Φ·P^f+Δ)＝||N||²。根据这一约束，使用恰当的足够多的点即可以解出(Φ，Δ)。

从以上的标定过程可以看出，其标定过程严重依赖于相机相对于标定板的外参数精度，即N的信息。但是仅通过平面标定板进行外参数标定本身存在较大误差，这一误差就直接影响了最后标定结果；另外，根据其文所述，其标定得到的旋转矩阵往往不满足标准正交的基本条件，尽管初标定后又根据ΦΦ^T＝I(I为单位矩阵)条件对结果进行优化，但是仍然有较大的误差；其所提供的仿真实验的角度误差为e(Φ)＝1.95°，位置误差为e(Δ)＝2.37cm。