一种IMU和激光雷达的标定方法、装置、设备及介质与流程

本发明涉及传感器标定，具体涉及一种imu和激光雷达的标定方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、在现代自动驾驶和机器人技术中，激光雷达和imu(inertial measurement unit，惯性测量单元)是两种关键传感器。激光雷达通过发射激光束并接收反射信号来测量目标的距离，从而生成高精度的三维点云数据，能帮助车辆或机器人理解周围环境，实现精确的障碍物检测和地图构建。imu是一种通过加速度计和陀螺仪来测量物体的加速度和角速度的装置，imu可以提供动态变化的高频数据，对于检测车辆或机器人的运动状态至关重要。imu与激光雷达的结合能够实现更为精确的定位和导航，但这也要求两者之间的高度协同和标定。激光雷达与imu的外参标定技术旨在解决传感器之间的误差和偏差问题，以保证系统的整体精度，外参标定过程指的是确定激光雷达和imu之间的坐标转换关系。这一过程通常需要复杂的计算和实验，目前，常用的标定方法是直接通过imu和激光雷达分别采集传感器数据，通过数据的对应关系实现标定，这种方法需要采集大量数据才能确定坐标系之间的转换关系，分析难度大、标定的效率和准确率都不够高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种imu和激光雷达的标定方法、装置、设备及介质，以解决imu和激光雷达标定不准确的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种imu和激光雷达的标定方法，所述方法包括：计算imu坐标系到全站仪坐标系的第一转换矩阵；计算全站仪坐标系到激光雷达坐标系的第二转换矩阵；通过所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵计算imu坐标系到激光雷达坐标系的初始外参；针对当前运动对象，获取激光雷达扫描的点云数据和imu的位姿数据；基于所述点云数据和所述位姿数据对所述初始外参进行优化调整，得到imu坐标系到激光雷达坐标系的目标外参。

3、在一些可选地实施方式中，所述计算imu坐标系到全站仪坐标系的第一转换矩阵，包括：基于imu模型数据确定imu坐标系的原点、x轴和y轴在imu外壳上的参考位置；通过全站仪向imu外壳上的所述参考位置打点，得到imu坐标系的原点、x轴上的点和y轴上的点映射在全站仪坐标系下的绝对坐标，并基于所述绝对坐标在所述全站仪坐标系中构建imu的xoy坐标系；基于imu的z轴和xoy坐标系平面的垂直关系，计算imu的z轴在全站仪坐标系下的z轴方向向量；将xoy坐标系的x轴向量、y轴向量和所述z轴方向向量进行正交化处理，得到imu坐标系在全站仪坐标系中三个坐标轴向量，并通过得到的所述三个坐标轴向量计算所述第一转换矩阵。

4、在一些可选地实施方式中，所述计算全站仪坐标系到激光雷达坐标系的第二转换矩阵，包括：放置标定板，并确定所述标定板中的特征点；通过激光雷达扫描所述标定板，得到表示所述特征点的特征点云；基于所述特征点云确定激光雷达坐标系下的第一特征点坐标，并将所述第一特征点坐标放入第一特征点集；通过全站仪对所述特征点进行打点，获得所述特征点在全站仪坐标系下的第二特征点坐标，并将所述第二特征点坐标放入第二特征点集；保持所述激光雷达和所述全站仪的相对位置不变，移动所述标定板，并返回所述通过激光雷达扫描所述标定板的步骤，增加所述第一特征点集和所述第二特征点集中的数据；在所述标定板移动预设次数后，基于增加了数据的所述第一特征点集和所述第二特征点集计算所述第二转换矩阵。

5、在一些可选地实施方式中，所述获取激光雷达扫描的点云数据和imu的位姿数据，包括：同步所述激光雷达和所述imu的时钟；获取激光雷达扫描的点云数据；通过对imu初始的线加速度、角速度进行积分得到所述位姿数据；根据所述点云数据的时间戳对所述位姿数据进行插值处理。

6、在一些可选地实施方式中，基于所述点云数据和所述位姿数据对所述初始外参进行优化调整，得到imu坐标系到激光雷达坐标系的目标外参，包括：计算所述位姿数据和所述初始外参的乘积，得到所述点云数据中当前帧点云到第一帧点云的第三转换矩阵；利用所述第三转换矩阵将所述当前帧点云映射到第一帧中，得到映射点云；根据所述映射点云和所述第一帧点云之间的误差，调整所述初始外参，得到所述目标外参。在一些可选地实施方式中，所述根据所述映射点云和所述第一帧点云之间的误差，调整所述初始外参，得到所述目标外参，包括：对点云空间进行体素网格划分；基于八叉树算法将所述第一帧点云和所述映射点云配准到对应的体素网格中；以点云数据占用体素网格数量最少为指标调整所述初始外参。

7、在一些可选地实施方式中，所述获取激光雷达扫描的点云数据，包括：通过所述初始外参消除所述点云数据的畸变，得到去畸变点云数据。

8、第二方面，本发明提供了一种imu和激光雷达的标定装置，所述装置包括：第一转换矩阵计算模块，用于计算imu坐标系到全站仪坐标系的第一转换矩阵；第二转换矩阵计算模块，用于计算全站仪坐标系到激光雷达坐标系的第二转换矩阵；外参初始标定模块，用于通过所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵计算imu坐标系到激光雷达坐标系的初始外参；传感器数据获取模块，用于针对当前运动对象，获取激光雷达扫描的点云数据和imu的位姿数据；外参优化模块，用于基于所述点云数据和所述位姿数据对所述初始外参进行优化调整，得到imu坐标系到激光雷达坐标系的目标外参。

9、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的方法。

10、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的方法。

11、本发明提供的技术方案，具有如下优点：

12、通过全站仪分别计算imu坐标系到全站仪坐标系的第一转换矩阵以及全站仪坐标系到激光雷达坐标系的第二转换矩阵。然后利用第一转换矩阵和第二转换矩阵粗标定一个较为准确的imu坐标系到激光雷达坐标系的初始外参；然后再通过采集的激光雷达点云数据和imu位姿数据，对初始外参进行优化调整，精标定得到更加准确的imu坐标系到激光雷达坐标系的目标外参。本发明通过全站仪来获得较为准确的imu坐标系到激光雷达坐标系的初始变换关系，为imu和激光雷达的外参标定提供了标定指导方向，后续只需在初始外参的基础上进行微调，无需从开始就利用大量传感器数据进行外参的迭代调整，加速后续精标定的迭代收敛时间，之后，再利用少量传感器数据对初始外参进行微调，同时提高了标定效率和标定精度。

技术特征：

1.一种imu和激光雷达的标定方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算imu坐标系到全站仪坐标系的第一转换矩阵，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算全站仪坐标系到激光雷达坐标系的第二转换矩阵，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取激光雷达扫描的点云数据和imu的位姿数据，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述点云数据和所述位姿数据对所述初始外参进行优化调整，得到imu坐标系到激光雷达坐标系的目标外参，包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述映射点云和所述第一帧点云之间的误差，调整所述初始外参，得到所述目标外参，包括：

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述获取激光雷达扫描的点云数据，包括：

8.一种imu和激光雷达的标定装置，其特征在于，所述装置包括：

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及传感器标定技术领域，公开了一种IMU和激光雷达的标定方法、装置、设备及介质，方法包括：计算IMU坐标系到全站仪坐标系的第一转换矩阵；计算全站仪坐标系到激光雷达坐标系的第二转换矩阵；通过第一转换矩阵和第二转换矩阵计算IMU坐标系到激光雷达坐标系的初始外参；针对当前运动对象，获取激光雷达扫描的点云数据和IMU的位姿数据；基于点云数据和位姿数据对初始外参进行优化调整，得到IMU坐标系到激光雷达坐标系的目标外参。本发明提高了IMU和激光雷达标定的准确率。

技术研发人员：吴青琳,许志坤,刘起
受保护的技术使用者：三一重机有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5