[发明专利]一种用于多传感器融合的异步在线标定方法

说明书

一种用于多传感器融合的异步在线标定方法，通过标定三个传感器的坐标系之间的相互转换关系，将多个传感器的测量信息统一到相同的坐标系下，传统的标定方法局限于两个传感器之间的标定，并且要求严格的时间同步，标定过程较为复杂；本发明分别计算激光雷达、相机、惯性测量单元(IMU)的运动，然后通过使用线性插值获得相同时间间隔内不同传感器的运动，最后通过对齐三个传感器的旋转序列得到两两之间的外部旋转。本发明能够得到较为精确的激光雷达、相机、惯性测量单元(IMU)之间的外部朝向，为后续的标定提供初值。

技术领域

本发明涉及机器人视觉、多传感器融合等技术领域，具体涉及多传感器融合的异步在线标定方法。

背景技术

相机、惯性测量单元(IMU)、激光雷达的融合被广泛的应用到机器人定位和建图领域，以达到比单传感器更加精确和鲁棒的效果。单个传感器存在局限性，比如相机在弱纹理、光照变化的情况下容易发生跟踪丢失的情况，惯性测量单元容易累计误差和偏移，激光雷达存在点云的畸变，而结合这三种传感器能够克服单传感器的缺点。

可信赖的多传感器融合的定位和建图算法依赖于精确的外参标定。通过标定三个传感器的坐标系之间的相互转换关系，可以将多个传感器的测量信息统一到相同的坐标系下。传统的标定算法局限于两个传感器之间的标定，并且要求严格的时间同步，标定过程较为复杂。

发明内容

为了克服现有标定方法的局限于两个传感器之间的标定、要求严格的时间同步、过程较为复杂的不足，本发明提出了一种用于多传感器融合的异步在线标定方法，不需要人工标记物和严格的时间同步，能够在线标定相机、惯性测量单元、激光雷达之间的外部朝向。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种用于多传感器融合的异步在线标定方法，包括以下步骤：

1)计算相机的旋转

设点P为相机坐标系下的一个点，其坐标为[x y z]^T，设点p₁,p₂分别是点P在图F_i,F_j中的投影，C_i,C_j分别是在时刻i和时刻j的相机坐标系，使用针孔相机模型，得到尺度无关的表达式：

p₁＝KP

p₂＝K(RP+t) (1.1)

其中K是相机的内参矩阵，R和t是从C_i到C_j的旋转矩阵和平移向量，进行转换，得到对极约束：

其中表示向量t的斜对称矩阵，t＝[a b c]^T,

定义本质矩阵则式(1.2)写作：

在已知内参矩阵的情况下，给定一系列匹配的特征点，就估计出本质矩阵E，对E进行分解，得到旋转矩阵R和平移向量t；

2)计算惯性测量单元的旋转

IMU具有较高的采样频率，通过预积分集成一定时间段内的IMU测量，以避免高频率的状态估计和大量的位姿状态，惯性积分公式写成下面的形式：

其中和分别是以t时刻IMU坐标系为参照坐标系的线性加速度和角速度，是向量的斜对称矩阵(公式1.3)，g^w是世界坐标系下的重力加速度，分别为IMU在时刻i在世界坐标系下的位置、速度和朝向；

IMU从时刻i到时刻j在i时刻IMU坐标系下的相对变化表示为：