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一种三维激光扫描系统的设计及参数标定

蔡军 赵原 李宇豪 解杨敏

蔡军, 赵原, 李宇豪, 等 . 一种三维激光扫描系统的设计及参数标定[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(10): 2208-2216. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0029
引用本文: 蔡军, 赵原, 李宇豪, 等 . 一种三维激光扫描系统的设计及参数标定[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(10): 2208-2216. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0029
CAI Jun, ZHAO Yuan, LI Yuhao, et al. A 3D laser scanning system design and parameter calibration[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(10): 2208-2216. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0029(in Chinese)
Citation: CAI Jun, ZHAO Yuan, LI Yuhao, et al. A 3D laser scanning system design and parameter calibration[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(10): 2208-2216. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0029(in Chinese)

一种三维激光扫描系统的设计及参数标定

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0029
基金项目: 

国家自然科学基金 61503234

详细信息
    作者简介:

    蔡军  男, 硕士研究生。主要研究方向:移动机器人三维环境建模和自主导航

    赵原  男, 学士。主要研究方向:机械自动化设计

    李宇豪  男, 学士。主要研究方向:移动机器人路径规划

    解杨敏  女, 博士, 讲师, 硕士生导师。主要研究方向:移动机器人技术、控制理论及其应用

    通讯作者:

    解杨敏, E-mail:xieym@shu.edu.cn

  • 中图分类号: TP242.3

A 3D laser scanning system design and parameter calibration

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61503234

More Information
  • 摘要:

    基于三维激光扫描系统的移动机器人动态环境地图构建技术是机器人智能感知技术的重要组成部分,而三维激光扫描系统的设计及标定技术对于地图构建的精度有决定性的影响。针对应用于小型移动机器人的三维激光扫描系统低成本、小型化的需求,设计了一套由高精度旋转云台和小型二维激光测距传感器组成的三维激光扫描系统,并提出了一种新的系统参数标定方法以提高三维扫描测量的准确度。该方法使用镂空圆孔标定板作为标定对象以完成对三维扫描特征自动准确获取,并根据非线性最小二乘法对三维激光扫描系统的参数进行优化计算。实验结果表明,所设计的三维激光扫描系统能够准确地测量周围环境的三维信息,实现了以低成本获得高质量环境建模的三维扫描数据技术。

     

  • 图 1  三维激光扫描系统机构设计原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of 3D laser scanning system mechanism design

    图 2  系统坐标系

    Figure 2.  System's coordinate systems

    图 3  激光测距传感器坐标系

    Figure 3.  Coordinate system of laser ranging sensor

    图 4  标定实验系统

    Figure 4.  Calibration experimental system

    图 5  标定板示意图

    Figure 5.  Schematic of calibration plate

    图 6  标定过程原理图

    Figure 6.  Schematic diagram of calibration process

    图 7  三维激光扫描系统构成示意图

    Figure 7.  Structure diagram of 3D laser scanning system

    图 8  标定算法流程框图

    Figure 8.  Flowchart of calibration algorithm

    图 9  三维激光扫描系统标定现场

    Figure 9.  Scence of 3D laser scanning system calibration

    图 10  均值标准差柱状图

    Figure 10.  Histogram of mean and standard deviation

    图 11  实物扫描测试

    Figure 11.  Physical scanning test

    图 12  实物点云图

    Figure 12.  Contour of physical point

    表  1  圆孔中心点坐标值

    Table  1.   Coordinate value of circular hole center point

    标记点 2.0m处圆孔中心坐标值/mm 标记点 2.2m处圆孔中心坐标值/mm
    1 (208.90,2015.86,0) 7 (203.33,2225.31,0)
    2 (451.83,2025.42,0) 8 (450.04,2230.17,0)
    3 (93.47,2011.62,0) 9 (90.09,2214.50,0)
    4 (340.23,2022.84,0) 10 (337.90,2220.12,0)
    5 (208.96,2016.36,0) 11 (203.61,2225.30,0)
    6 (452.58,2029.35,0) 12 (450.22,2229.64,0)
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    表  2  未知量初始值和上下边界值

    Table  2.   Initial value and upper and lower boundary value of unknown variables

    标定参数 初始值 下界值 上界值
    X/mm 208.90 168.90 248.90
    Y/mm 2065.86 2025.86 2105.86
    Z/mm 0 -5 5
    α/(°) 0 -2 2
    β/(°) 0 -2 2
    γ/(°) 0 -2 2
    TX/mm 0 -5 5
    TY/mm 50 45 55
    TZ/mm 0 -5 5
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    表  3  标定结果

    Table  3.   Calibration results

    标定参数 数值
    X/mm 212.35
    Y/mm 2 055.97
    Z/mm -2.82
    α/(°) 0.011
    β(°) -0.091
    γ/(°) 0
    TX/mm 1.34
    TY/mm 45.01
    TZ/mm 4.96
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    表  4  重投影误差

    Table  4.   Reprojection error

    轴方向 X方向 Y方向 Z方向
    平均重投影误差/pixel 0.42 0.48 0.87
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    表  5  三维激光扫描系统误差对比

    Table  5.   Comparison of 3D laser scanning system error

    Laser型号 最大测距/m 测量距离/m 测量误差/mm 测量精度/‰
    UST-10LX 10 2 6.80 3.40
    SICK-LMS100[12] 20 1 7.9 7.90
    DLS-C15[21] 150 2 8.1 4.05
    SICK-LMS221[22] 80 8.19 30 3.66
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-12
  • 录用日期:  2018-04-13
  • 刊出日期:  2018-10-20

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