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CN107247268B - 多线激光雷达系统及其水平安装角度的校正方法 - Google Patents

多线激光雷达系统及其水平安装角度的校正方法 Download PDF

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CN107247268B CN201710345109.2A CN201710345109A CN107247268B CN 107247268 B CN107247268 B CN 107247268B CN 201710345109 A CN201710345109 A CN 201710345109A CN 107247268 B CN107247268 B CN 107247268B
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Abstract

本发明涉及一种多线激光雷达系统及其水平安装角度的校正方法。该方法包括：设置标准标定环境；将所述多线激光雷达置于所述标准标定环境中，并扫描所述标准标定环境；获取每一线激光在扫描所述标准标定环境过程中产生的角度‑距离数据；以其中一线激光作为参考通道、剩余的激光作为待校正通道，将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算得到互相关曲线；以所述互相关曲线纵坐标最大值对应的横坐标作为对应于所述待校正通道的水平偏移角度；利用所述水平偏移角度对相应的激光器的水平安装角度进行校正。该系统内设有可以实现上述水平角度偏移量计算的程序。上述系统和方法可实现单一参数的校正且易于实施。

Description

多线激光雷达系统及其水平安装角度的校正方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种多线激光雷达系统及其水平安装角度的校正方法。
背景技术
激光雷达是通过发射激光，并接收反射的激光来探测物体的装置。为了提高激光雷达探测的范围和精度，可以采用多线激光雷达。多线是指激光雷达可同时发射和接收多束激光，在进行360度扫描时，可以得到多个同心的扫描线。如图1所示，激光雷达同时发射3束激光S1、S2、S3。三束激光S1、S2、S3发射的方向与竖直方向的夹角互不相同，这样才能形成不同半径的扫描线。
同时，如图2a所示，三束激光要求在水平方向的出光方向一致，这样才能保证测距精度。但多线激光雷达在生产过程中，每一线激光雷达的安装位置很难在水平方向上保持一致性，如图2b所示。这样就会造成扫描到同一竖直线位置时，得到的信号出现时间上的错位，导致不能有效使用扫描信号得到精确的距离信息。因此，需要进行校正。
传统的校正技术大多着手于对激光雷达内部因素的整体性标定，往往不能最优化单一因素的校正，并且对场景要求较高，使用的校准算法比较复杂。
发明内容
基于此，有必要提供一种可以对单一因素进行校正，且相对更为简单的校正多线激光雷达水平安装角度的方法。
此外，还提供一种多线激光雷达系统。
一种多线激光雷达水平安装角度的校正方法，包括：
设置标准标定环境；所述标准标定环境提供至少两个被扫描的面和由所述至少两个扫描的面相接形成的至少一条竖直方向的棱边；
将所述多线激光雷达置于所述标准标定环境中，并扫描所述标准标定环境；
获取每一线激光器在扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据；
以其中一线激光器作为参考通道、剩余的激光器作为待校正通道，将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：
[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)
得到横坐标为Bi，纵坐标为Ai的互相关曲线；以所述互相关曲线纵坐标最大值对应的横坐标作为对应于所述待校正通道的水平偏移角度；
利用所述水平偏移角度对相应的激光器的水平安装角度进行校正。
在其中一个实施例中，所述标准标定环境为四面围墙环境，提供四个被扫描的面和由所述四个被扫描的面相接形成的四条竖直方向的棱边。
在其中一个实施例中，在获取每一线激光器在扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据的步骤之后，还包括：对所述角度-距离数据进行插值；
并且将插值后的参考通道的距离数据和每一插值后的待校正通道的距离数据进行所述互相关运算。
在其中一个实施例中，所述对所述角度-距离数据进行插值的步骤中，是进行线性插值。
在其中一个实施例中，所述线性插值的角度步长为0.001～0.003度。
在其中一个实施例中，所述多线激光雷达为16线、32线或64线激光雷达。
一种多线激光雷达系统，包括：
多线激光雷达，用于发射激光信号并接收反射的激光回波信号；
数据处理装置，用于根据激光回波信号执行计算水平角度偏移量的方法；
所述数据处理装置包括存储器、雷达信号处理单元和中央处理器；所述存储器中存储有处理指令，所述雷达信号处理单元用于根据激光回波信号处理得到原始数据，所述中央处理器用于根据所述原始数据和所述处理指令，执行以下步骤：
获取每一线激光器在扫描标准标定环境过程中产生的角度-距离数据；
以其中一线激光器作为参考通道、剩余的激光器作为待校正通道，将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：
[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)
得到横坐标为Bi，纵坐标为Ai的互相关曲线；以所述互相关曲线纵坐标最大值对应的横坐标作为每线激光器相对于参考激光器的水平偏移角度。
在其中一个实施例中，所述中央处理器执行在获取每一线激光器扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据的步骤之后，还包括：对所述角度-距离数据进行插值；并且将插值后的参考通道的距离数据和每一插值后的待校正通道的距离数据进行互相关运算。
在其中一个实施例中，所述中央处理器执行对所述角度-距离数据进行插值的步骤中，是进行线性插值。
在其中一个实施例中，所述线性插值的角度步长为0.001～0.003度。
上述实施例的方法和系统，通过获取多线激光器在标准标定环境中的角度-距离数据，并根据距离数据进行互相关运算，得到互相关曲线，以该互相关曲线获得水平偏移角度。从而可以实现对激光器本身的水平安装角度进行校正，消除安装误差。实现了单一因素校正，且标定环境简单，易于实施。
附图说明
图1为多线激光雷达激光束扫描示意图；
图2a为多线激光水平出光角度一致的情况示意图；
图2b为多线激光水平出光角度不一致的情况示意图；
图3为一实施例的多线激光雷达水平安装角度的校正方法流程图；
图4a和图4b为两种不同的标准标定环境；
图5为多线激光雷达置于四面围墙环境中的俯视图；
图6为两线激光器的角度-距离曲线；
图7为一条互相关曲线；
图8为一段角度-距离曲线上的插值示意图；
图9为一实施例的多线激光雷达系统模块图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图3为一实施例的多线激光雷达水平安装角度的校正方法流程图。参考图3，该方法包括以下步骤S110～S160。
步骤S110：设置标准标定环境。所述标准标定环境提供至少两个被扫描的面和由所述至少两个扫描的面相接形成的至少一条竖直方向的棱边。图4a和图4b为两种不同的标准标定环境，分别是三面围墙环境和四面围墙环境。其中，三面围墙环境横截面为三角形，提供3个被扫描的面和3条竖直的棱边，四面围墙环境横截面为四边形，提供4个被扫描的面和4条竖直的棱边。该三角形或四边形可以是规则的正三角形或正方形，也可以是不规则的其他形式的三角形或四边形。可以理解，该标准标定环境还可以是横截面为其他多边形的多面围墙环境。或者该标准标定环境也可以是不封闭的，只要其可以提供至少一条棱边即可。为获得较好的校正效果，一般采用封闭的标准标定环境。
步骤S120：将所述多线激光雷达置于所述标准标定环境中，并扫描所述标准标定环境。参考图5，以四面围墙环境100为例，将多线激光雷达200置于其中。多线激光雷达200的激光环绕360度对该四面围墙环境100进行扫描。
步骤S130：获取每一线激光在扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据。每一线激光在扫描时，有一个初始位置，即扫描从初始位置开始启动。将该初始位置的角度计为0度，相对初始角度转过的角度为激光扫描过的角度。激光在扫描过程中，不同的角度的激光所获得的墙面的距离也是不同的，可以将激光角度和墙面距离数据成对记录，获得角度-距离数据。
参考图6，是在该四面围墙环境中，其中两线激光器(激光器1和激光器2)扫描所得角度-距离曲线。可以看到，激光器1初始位置为图5中的实线箭头所指的方向，在激光扫过45度角后，到达第一条棱边处，此时距离达到第一个峰值；激光扫过90度角后，距离到达第一个谷值；激光扫过135度角后，距离达到第二个峰值，……。激光器2由于水平安装角度有偏差，相同的距离(例如第一个峰值)会延迟出现。
步骤S140：以其中一线激光作为参考通道、剩余的激光作为待校正通道，将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)，得到横坐标为Bi，纵坐标为Ai的互相关曲线。
本实施例的方法可以适用于多种多线激光雷达，例如8线、16线、32线甚至64线激光雷达。水平安装角度校正的目的，是使所有的激光器在水平方向上出光方向一致，因此可以任选一线激光器作为参考，其他的激光器与选定的激光器对齐即可达到目的。例如，对于16线激光雷达，选定一线激光器，剩余15线激光器都与该选定的激光器作水平偏移角度的校正。
本实施例中，采用互相关运算来获得参考激光器和其他激光器之间的水平偏移角度。对于16线激光雷达，选定的一线激光器，获得其距离数据D1，对每一待校正的激光器，获得距离数据Di(2≤i≤16)。将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)。
其中[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)可用于估计随机过程中的序列，此处可以用来得到两个通道的互相关曲线。图7为一条互相关曲线，其横坐标为滞后指数k*Bi，纵坐标为曲线的幅值Ai。当两线激光器存在水平角度的偏差时，该互相关曲线的最大幅值对应的横坐标会大于0或者小于0而不等于0。
步骤S150：以所述互相关曲线纵坐标最大值对应的横坐标作为对应于所述待校正通道的水平偏移角度。每个待校正通道都可以得到与参考通道的一条互相关曲线，对应可以获得每线激光器所要调整的水平偏移角度。
步骤S160：利用所述水平偏移角度对相应的激光器的水平安装角度进行校正。
上述实施例的方法，通过获取多线激光器在标准标定环境中的角度-距离数据，并根据距离数据进行互相关运算，得到互相关曲线，以该互相关曲线获得水平偏移角度。从而可以实现对激光器本身的水平安装角度进行校正，消除安装误差。实现了单一因素校正，且标定环境简单，易于实施。
在其中一个实施例中，在步骤S130之后，还包括：对所述角度-距离数据进行插值。激光器都有固定的发射频率，例如30HZ，即一秒钟发射30次激光并获取激光回波信号。激光器即使转动很慢，所获得的角度-距离数据也是不连续的，会存在某些角度-距离数据被跳过。为提高互相关运算的精度，可以对已经获得的角度-距离数据进行插值，补充间隔点之间的数据，利用更多的数据来提高互相关运算的精度。
参考图8，是其中一线激光器在其中一段角度-距离曲线上的插值。图8中，空心点为扫描所得到的实际角度-距离点，空心点之间会存在间断。通过插值，可以将空心点之间作密度更大的填充。
在其中一个实施例中，该插值以角度作线性插值。即在两个角度-距离点之间，按照线性的方式确定插值。例如从(200°,800cm)到(220.1°,805cm)插入100个点，则每0.001°的角度，距离增加0.05cm。
在其中一个实施例中，所述线性插值的步长为0.001～0.003度。
基于相同发明构思，以下提供一种多线激光雷达系统。如图9所示。
一种多线激光雷达系统300包括多线激光雷达310和数据处理装置320。该多线激光雷达310用于发射激光信号并接收反射的激光回波信号。该数据处理装置320用于根据激光回波信号执行计算水平角度偏移量的方法。
具体地，数据处理装置320包括中央处理器321、存储器322和雷达信号处理单元323。所述存储器322中存储有处理指令，所述雷达信号处理单元323用于根据激光回波信号处理得到原始数据，所述中央处理器321用于根据所述原始数据和所述处理指令，执行计算水平角度偏移量的方法。该方法需要首先配置标准标定环境，可以参考上述方法实施例中的步骤S110～S120。之后再执行计算水平角度偏移量的方法，包括步骤S210～S230。
步骤S210：获取每一线激光在扫描标准标定环境过程中产生的角度-距离数据。每一线激光在扫描时，有一个初始位置，即扫描从初始位置开始启动。将该初始位置的角度计为0度，相对初始角度转过的角度为激光扫描过的角度。激光在扫描过程中，不同的角度的激光所获得的墙面的距离也是不同的，可以将激光角度和墙面距离数据成对记录，获得角度-距离数据。
参考图6，是在该四面围墙环境中，其中两线激光器(激光器1和激光器2)扫描所得角度-距离曲线。可以看到，激光器1初始位置为图5中的实线箭头所指的方向，在激光扫过45度角后，到达第一条棱边处，此时距离达到第一个峰值；激光扫过90度角后，距离到达第一个谷值；激光扫过135度角后，距离达到第二个峰值，……。激光器2由于水平安装角度有偏差，相同的距离(例如第一个峰值)会延迟出现。
步骤S220：以其中一线激光作为参考通道、剩余的激光作为待校正通道，将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)得到横坐标为Bi，纵坐标为Ai的互相关曲线。
本实施例的方法可以适用于多种多线激光雷达，例如8线、16线、32线甚至64线激光雷达。水平安装角度校正的目的，是使所有的激光器在水平方向上出光方向一致，因此可以任选一线激光器作为参考，其他的激光器与选定的激光器对齐即可达到目的。例如，对于16线激光雷达，选定一线激光器，剩余15线激光器都与该选定的激光器作水平偏移角度的校正。
本实施例中，采用互相关运算来获得参考激光器和其他激光器之间的水平偏移角度。对于16线激光雷达，选定的一线激光器，获得其距离数据D1，对每一待校正的激光器，获得距离数据Di(2≤i≤16)。将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)。
其中[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)可用于估计随机过程中的序列，此处可以用来得到两个通道的互相关曲线。图7为一条互相关曲线，其横坐标为滞后指数k*Bi，纵坐标为曲线的幅值Ai。当两线激光器存在水平角度的偏差时，该互相关曲线的最大幅值对应的横坐标会大于0或者小于0而不等于0。
步骤S230：以所述互相关曲线纵坐标最大值对应的横坐标作为每线激光器相对于参考激光器的水平偏移角度。每个待校正通道都可以得到与参考通道的一条互相关曲线，对应可以获得每线激光器所要调整的水平偏移角度。
之后，就可以利用获得的水平偏移角度来对安装角度的偏差进行校正，例如人工重新安装。
进一步地，所述中央处理器321执行在获取每一线激光扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据的步骤之后，还包括：对所述角度-距离数据进行插值。
激光器都有固定的发射频率，例如30HZ，即一秒钟发射30次激光并获取激光回波信号。激光器即使转动很慢，所获得的角度-距离数据也是不连续的，会存在某些角度-距离数据被跳过。为提高互相关运算的精度，可以对已经获得的角度-距离数据进行插值，补充间隔点之间的数据，利用更多的数据来提高互相关运算的精度。
参考图8，是其中一线激光器在其中一段角度-距离曲线上的插值。图8中，空心点为扫描所得到的实际角度-距离点，空心点之间会存在间断。通过插值，可以将空心点之间作密度更大的填充。
在其中一个实施例中，该插值以角度作线性插值。即在两个角度-距离点之间，按照线性的方式确定插值。例如从(200°,800cm)到(220.1°,805cm)插入100个点，则每0.001°的角度，距离增加0.05cm。
在其中一个实施例中，所述线性插值的步长为0.001～0.003度。
上述实施例的激光雷达系统，通过获取多线激光器在标准标定环境中的角度-距离数据，并根据距离数据进行互相关运算，得到互相关曲线，以该互相关曲线获得水平偏移角度。从而可以实现对激光器本身的水平安装角度进行校正，消除安装误差。实现了单一因素校正，且标定环境简单，易于实施。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种多线激光雷达水平安装角度的校正方法，包括：
设置标准标定环境；所述标准标定环境提供至少两个被扫描的面和由所述至少两个扫描的面相接形成的至少一条竖直方向的棱边；
将所述多线激光雷达置于所述标准标定环境中，并扫描所述标准标定环境；
获取每一线激光器在扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据；
以其中一线激光器作为参考通道、剩余的激光器作为待校正通道，将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：
[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)
得到横坐标为Bi，纵坐标为Ai的互相关曲线；以所述互相关曲线纵坐标最大值对应的横坐标作为对应于所述待校正通道的水平偏移角度；
利用所述水平偏移角度对相应的激光器的水平安装角度进行校正。
2.根据权利要求1所述的多线激光雷达水平安装角度的校正方法，其特征在于，所述标准标定环境为四面围墙环境，提供四个被扫描的面和由所述四个被扫描的面相接形成的四条竖直方向的棱边。
3.根据权利要求1所述的多线激光雷达水平安装角度的校正方法，其特征在于，在获取每一线激光器在扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据的步骤之后，还包括：对所述角度-距离数据进行插值；
并且将插值后的参考通道的距离数据和每一插值后的待校正通道的距离数据进行所述互相关运算。
4.根据权利要求3所述的多线激光雷达水平安装角度的校正方法，其特征在于，所述对所述角度-距离数据进行插值的步骤中，是进行线性插值。
5.根据权利要求4所述的多线激光雷达水平安装角度的校正方法，其特征在于，所述线性插值的角度步长为0.001～0.003度。
6.根据权利要求1～5任一项所述的多线激光雷达水平安装角度的校正方法，其特征在于，所述多线激光雷达为16线、32线或64线激光雷达。
7.一种多线激光雷达系统，包括：
多线激光雷达，用于发射激光信号并接收反射的激光回波信号；
数据处理装置，用于根据激光回波信号执行计算水平角度偏移量的方法；
所述数据处理装置包括存储器、雷达信号处理单元和中央处理器；所述存储器中存储有处理指令，所述雷达信号处理单元用于根据激光回波信号处理得到原始数据，所述中央处理器用于根据所述原始数据和所述处理指令，执行以下步骤：
获取每一线激光器在扫描标准标定环境过程中产生的角度-距离数据；
以其中一线激光器作为参考通道、剩余的激光器作为待校正通道，将参考通道的距离数据D1和每一待校正通道的距离数据Di进行互相关运算：
[Ai,Bi]＝xcorr(D1,Di)
得到横坐标为Bi，纵坐标为Ai的互相关曲线；以所述互相关曲线纵坐标最大值对应的横坐标作为每线激光器相对于参考激光器的水平偏移角度。
8.根据权利要求7所述的多线激光雷达系统，其特征在于，所述中央处理器执行在获取每一线激光器扫描所述标准标定环境过程中产生的角度-距离数据的步骤之后，还包括：对所述角度-距离数据进行插值；并且将插值后的参考通道的距离数据和每一插值后的待校正通道的距离数据进行互相关运算。
9.根据权利要求8所述的多线激光雷达系统，其特征在于，所述中央处理器执行对所述角度-距离数据进行插值的步骤中，是进行线性插值。
10.根据权利要求9所述的多线激光雷达系统，其特征在于，所述线性插值的角度步长为0.001～0.003度。
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