移动机器人的多传感器外参标定方法研究.pdfVIP

摘要

移动机器人通常搭载多种传感器，通过多源传感信息融合方式感知外部环境

及自身状态使之用于自主移动。多源传感信息融合本质是将不同传感器数据统一

到全局坐标系下互补融合获得鲁棒的状态估计，其前提是准确的外参标定。因此

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本文以激光雷达、单目相机、深度相机、两轮差速底盘为对象，系统研究了

多传感器间，以及传感器相对于机器人的外参标定方法。主要研究成果如下：

在多传感器间的外参标定方面，提出了基于正交三面体的外参标定方法。首

先通过分析外参标定的特征约束、约束等效以及观测平面间最优角度，选择正交

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三面体作为标定目标。然后分别通过简化的透视三点法和面面对应分别估计

激光雷达、单目相机和深度相机相对于三面体的位姿，并间接估计任意传感器间

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的位姿变换。最后利用点面、线面、面面约束优化位姿。该方法不受标定目标

制造误差的影响，且具有自动提取特征，仅需一次观测即可完全得到传感器间三

维位姿变换等优势。同时还可扩展用于无重叠视野的多相机外参标定。

在传感器相对于机器人的外参标定方面。首先研究了传感器安装的俯仰角和

滚转角问题，并将三维位姿变换投影到二维平面，然后在平面运动中构建二维手

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眼标定模型求解传感器和机器人的相对位姿。其中对于激光雷达，设计了等

腰三角板用于计算其安装俯仰角和滚转角；对于单目相机和深度相机，通过拟合

地面平面参数计算其安装高度、俯仰角和滚转角。

在实验方面，包括仿真实验和样机实验。仿真实验结果表明该方法精度优于

现有方法，并且能够很好的减少标定目标制造误差产生的影响，证明了方法有效

性、准确性和鲁棒性。样机实验搭建了移动机器人和标定环境，分别利用标定参

数和机械设计参数将多传感器数据统一，实验结果证明标定参数在准确度上优于

机械设计参数，并且多次标定结果标准差小、重复精度高，证明了方法的准确性

和稳定性。

本文研究成果对移动机器人通过多源传感信息融合感知，实现灵活自主移动

具有重要的理论意义和实用价值。

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关键词：移动机器人，多传感器外参标定，激光雷达，单目相机，深度相机，

两轮差速模型

ABSTRACT

Themobilerobotisusuallyequippedwithmulti-typesensors,whichcansensethe

externalenvironmentanditsownstatethroughthefusionofmulti-sourcesensing

informationtomoveautonomously.Theessenceofmulti-sourcesensorinformation

fusionistounifydifferentsensordataintotheglobalcoordinatesystemtoobtainrobust

stateestimation,andthepremiseofwhichisaccurateexternalcalibration.Therefore,

inthispaper,2DLidar,RGBcamera,3Dpointcloudsensorandtwo-wheeldifferential

chassisaretakenasobjectstosystematicallystudytheexternalcalibrationmethod

betweenmulti-modesensorsandsensorsrelativetorobot.Themainresearchresults

areasfollows:

Forexternalcalib