[发明专利]一种单线激光雷达与可见光相机的外参标定方法及系统

说明书

本发明公开了一种单线激光雷达与可见光相机的外参标定方法及系统，通过采集时间和空间同步的炉料图像数据与点云数据，根据相机畸变模型对炉料图像进行校正，进一步提取激光扫描中心线，并确定激光扫描中心线的局部极值在图像坐标系下所对应的二维坐标，同时对稀疏的点云数据进行插值，从而获得点云数据局部极值在雷达坐标系下的三维坐标，以及根据激光扫描中心线的局部极值在图像坐标系下所对应的二维坐标以及点云数据局部极值在雷达坐标系下的三维坐标的特征点对，利用线性最小二乘法获得相机与单线激光雷达的外参矩阵，解决了现有激光雷达与相机外参标定精度低的技术问题，可实时在线地对单线激光雷达与可见光相机进行标定，修正外参矩阵。

技术领域

本发明主要涉及高炉炉料粒径检测领域，特指一种单线激光雷达与可见光相机的外参标定方法及系统。

背景技术

高炉炉料的粒径大小是影响高炉内部料层透气性、煤气流分布的关键因素。炉料粒径的在线检测对于改善煤气流分布、降低焦比、提高高炉生产效率具有重要意义。在高炉上料系统，利用单线激光雷达和可见光相机实现高炉炉料粒径检测。通过传感器数据融合，可发挥激光雷达不受光照影响与可见光相机分辨率高的特点，提高粒径检测的准确度。

传感器联合标定是数据融合的前提。激光雷达与相机参数标定的过程是一个坐标系转换的过程，位于雷达坐标系或世界坐标系下的点云数据，经由外参矩阵，转换到相机坐标系下，再通过内参矩阵转换为图像像素坐标。当前，内参标定通常采用张正友棋盘格标定法得到，外参标定的方法可分为两类，一类是通过立体视觉生成以相机坐标系为原点的点云，将其与激光雷达点云进行配准，获得雷达坐标系与相机坐标系之间的刚体变换。另一类是特征点匹配方法，分别在相机和激光雷达数据中提取特征点，完成二维与三维特征点的匹配，通过PNP求解两坐标系之间的位置关系。前者需经过单目标定、双目标定、立体匹配等步骤，误差累积较大，实现复杂。后者需设计不同的标定板或标定物，由于单线激光雷达的点云数据具有稀疏性，在一个姿态下仅有一个扫描平面，很难直接得到雷达坐标系与相机坐标系之间的对应关系。

高炉炉料在传送带上占据一定空间，单线激光雷达扫描炉料表面会得到不同距离信息，可对单线激光雷达扫描角度形成约束，且激光雷达扫描线在相机拍摄的图像上是可见的，因此，本发明提出了一种利用高炉炉料高度特征的单线激光雷达与可见光相机的外参标定方法，通过炉料深度数据与图像数据处理得到对应的特征点对，实现雷达坐标系到相机坐标系的转换。该方法操作简单，易于工程实现，克服了联合标定需要借助复杂标定装置的难题。

申请公布号CN 111311689 A公开了一种多线激光雷达与相机相对外参的标定方法及系统，该发明提出了一种激光雷达与相机相对外参的标定方法，通过相机拍摄球体标志物得到单帧图像，获得球体标志物在相机坐标系下的二维坐标；通过激光雷达扫面球体标志物的点云数据，得到球体标志物在雷达坐标系下的三维坐标。二维坐标与三维坐标组成对应数据对，求解得出激光雷达坐标系和相机坐标系的转换关系。

该发明中通过平面点云去除与球面点云拟合得到球体标志物球心的三维坐标。为拟合出球面，要求至少有三行激光束能同时投射到球体标志物上，而单线激光雷达每次扫描仅能投射一条激光线，通过一帧点云数据无法获得球体标志物中心在雷达坐标系下的位置。

申请公布号CN 112308928 A公开了一种无标定装置的相机与激光雷达自动标定方法，该发明选择对象中心坐标构建数据对，在获得外参的初始标定结果后，根据所构建的匹配计算函数对位姿变换求导，计算出最优解，得到最终标定结果。

该发明利用两帧图像获得插值后的对象中心坐标，利用RANSAC算法保留对象点云，计算点云中心坐标。然而，对于传送带上的炉料而言，炉料对象全部或者将近占据相机整个视野，且炉料大小不一，相互堆叠，数量较多，计算其对应的图像中心与点云中心并不可取。

发明内容

本发明提供的单线激光雷达与可见光相机的外参标定方法及系统，解决了现有激光雷达与相机外参标定精度低的技术问题。