一种用于特征点标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶

摘要

本发明公开一种用于特征点标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶。该标定装置利用热像仪与3D激光雷达分别采集标定靶上的同一组特征点，得到图像及3D点云数据，使得基于特征点的标定算法得以实现。包括发热网、发热网框架、激光挡片、俯仰转轴、水平转轴、高度调节器、温度控制器和温度传感器等。其中水平转轴和俯仰转轴调整标定靶的姿态和朝向；高度调节器调节标定靶的高度；温度控制器通过将发热网当前温度与设定的目标温度进行比较，从而调节发热网的温度。发热网交叉处的点为热像仪提供红外特征角点；当将黑色激光挡片间隔地镶嵌在发热网格中时，激光挡片为激光雷达提供深度特征角点，也可在可见光摄像机进行标定时为摄像机提供图像特征角点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量用的标定装置，具体涉及一种用于特征点标定算法的热像仪与3D 激光雷达温控标定靶。

背景技术

3D激光雷达与热像仪的空间标定是构建低光照条件下空间组合感知系统的基础。“热 像仪—激光雷达”系统的标定采用的算法与“可见光摄像机—激光雷达”系统的标定算法 大体一致，主要可以分为三种：基于平面特征的标定、基于轮廓线特征的标定以及基于特 征点的标定。目前国内外学者已经在上述三种算法的设计方面取得了很多成果。

由于自然环境中缺乏结构化的、拥有精确尺寸特征的物体，利用自然环境特征进行标 定是困难的。因此多数标定算法都需要特制的标定靶来进行配合。目前，“可见光摄像机 —激光雷达”系统的标定靶已经比较成熟，例如使用面的法向量特征进行标定的棋盘格标 定面靶、使用角点特征进行标定的镂空棋盘格标定靶等。

“热像仪—3D激光雷达”系统与传统的“可见光摄像机—激光雷达”系统对于标定靶 的要求非常不同。由于可见光摄像机主要接收可见光，因此在可视情况下皆可进行标定； 而热像仪主要接收红外光，对可见光不敏感，因此常规的不发射红外光的标定靶不适用于 “热像仪—激光雷达”系统的标定。

目前已知的用于“热像仪—激光雷达”系统的标定靶主要有以下几类：

（1）使用易反射和易吸收红外光的材料在平面上拼成棋盘格形成标定靶。这种方案 中，标定靶没有加热装置，其在热像仪中的成像主要依靠两种材料对于红外光的反射程度 不同而造成明暗程度的不同，主要适用于基于面特征的标定算法。其缺点是：在红外干扰 比较严重的环境下，比如日照下的室外环境，由于自身不能发热，难以被识别，因此不适 合室外标定作业。

（2）标定靶使用面状红外热源+有孔遮挡板的形式，该种标定靶适用于基于面特征的 标定算法。其缺点是：由数层板压制而成的手持式标定板，一般温度比较低，抗干扰能力 比较弱；由于孔的衍射作用，精确度受到一定的影响；能够提供的面比较小，难以为激光 雷达的标定提供足够的共面点。

（3）使用镂空板+红外发射源的标定靶，其原理是在一块镂空的板子后面放上一个面 状或者点状的红外发射源，主要适用于基于点特征的标定算法。其缺点是：由于与热源的 远近不同以及红外线的透射方向问题，造成了每个楼空格的亮度不同，不利于标定；没有 实现温控功能；红外光强度较低，不利于室外标定。

同时不同的标定算法对于标定靶有着不同的要求。基于特征点的标定算法多使用3D 激光雷达采集标定靶上的深度特征点，同时使用热像仪采集标定靶上的同一位置的红外图 像特征点，之后使用基于特征点的标定算法进行标定。由此可知，采用基于特征点的标定 算法进行计算时，要求标定靶能够提供一组同时具有深度特征和红外图像特征的特征点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于特征点标定算法的热像仪与3D激光雷达温控标定靶， 该标定靶通过温度可控的发热网为热像仪提供红外角点特征，使发热网在热像仪图像中清 晰度高，适合红外干扰比较严重的环境，同时本发明也可直接用于可见光摄像机与3D激 光雷达的标定。

本发明的温控标定靶包括：发热网框架、支撑架、发热网、黑色激光挡片、底座、温 度控制器、温度传感器和电源线。

其连接关系为：所述发热网框架为中空的框架结构，所述发热网为外部包有耐高温绝 缘层的发热线在发热网框架的中空部位绕制而成的网格；发热网的两个接线端均与温度控 制器相连。温度传感器固定在发热网上并与发热线紧密接触，温度传感器的信号输出端与 固定在底座上的温度控制器相连；发热框架的两个侧边框分别通过水平连接轴与支撑架的 两个侧边框连接。支撑架底部边框通过竖直连接轴与底座连接。所述电源线与温度控制器 连接，外部电源通过电源线为温度控制器供电。所述温度控制器能够控制流过发热网的电 流；所述发热网网格的十字交叉处为热像仪提供红外图像特征角点。当将所述黑色激光挡 片间隔地镶嵌在发热网的网格中后，发热网网格的十字交叉处为3D激光雷达提供深度特 征角点。

该温控标定靶进一步包括俯仰转轴、水平转轴和高度调节器；所述发热网框架两个侧 边框的中间位置分别通过俯仰转轴与支撑架的侧边框活动连接，发热网框架能够绕俯仰转 轴的轴线转动；所述支撑架的底部边框通过竖直放置的水平转轴与高度调节器相连，高度 调节器固定在底座上；所述支撑架能够绕水平转轴的轴线转动；所述高度调节器为中空的 柱形结构，高度调节器与水平转轴配合，通过调节水平转轴的伸缩来调节支撑架的高度； 所述俯仰转轴的轴线与水平转轴的轴线相互垂直。

该温控标定靶还包括隔热手柄，所述隔热手柄固定在发热框架的顶部边框上。

所述发热网框架为耐热坚硬材料制成。

有益效果：

1、本发明的标定靶通过发热网为热像仪提供红外角点特征，通过温度传感器和温度控 制器控制发热网温度，从而控制热像仪的成像清晰度及亮度，能够有效排除环境中红外杂 波的影响，适合红外干扰比较严重的环境。

2、本发明通过激光挡片为激光雷达提供深度角点特征，能够很好的完成3D激光雷达 和热像仪之间的标定工作。

3、本发明兼顾了普通可见光摄像机与3D激光雷达进行标定的要求，可直接用于可见 光摄像机与3D激光雷达的标定。

4、该标定靶的高度、姿态均可调节，且结构简单紧凑，使用方便，易于拆卸及运输。

附图说明

图1是本发明整体效果图；

图2是本发明发热网上安装的激光挡片及特征角点效果图。

其中，1-发热网框架，2-支撑架、3-隔热手柄、4-发热网、5-俯仰转轴、6-底座、7- 温度控制器、8-水平转轴、9-高度调节器、10-激光挡片

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供的基于特征点标定算法的温控标定靶，用于实现对“热像仪与3D激光 雷达”的标定，该温控标定靶通过发热网为热像仪提供红外角点特征，通过温度传感器和 温度控制器控制发热网温度，使发热网在热像仪图像中清晰度高，能够适应红外干扰比较 严重的环境。

该标定靶的具体结构如图1所示，包括发热网框架1、支撑架2、隔热手柄3、发热网 4、俯仰转轴5、底座6、温度控制器7、水平转轴8、高度调节器9、激光挡片10、温度 传感器和电源线。

其整体连接关系为：发热网4为一条完整的发热线在发热网框架1上绕制而成的网格， 网格的大小依据实际标定所需的特征角点个数和成像清晰度决定。其中发热网框架1为耐 热坚硬材料制成，发热网框架1为发热网4提供高强度的结构，保证发热网4的尺寸保持 高精度。发热网4外部包有耐高温绝缘层，当有电流通过的时，发热网4会发出焦耳热， 从而提高自身的温度。发热网4的两接线端均与固定在底座6上的温度控制器7相连，所 述温度控制器7用于控制流过发热网4的电流。温度传感器捆绑在发热网4上，并与发热 线紧密接触。温度传感器的信号输出端与温度控制器7相连。所述支撑架2为上端开口的 框架结构，发热网框架1两个侧边框的中部分别通过俯仰转轴5与支撑架2的两个侧边框 的上端活动连接，发热网框架1能够绕俯仰转轴5的轴线转动，从而调整发热网4的俯仰 姿态。支撑架2的底部边框通过竖直放置的水平转轴8与高度调节器9相连。所述支撑架 2能够绕水平转轴8的轴线转动，从而调整发热网4的水平姿态。所述俯仰转轴5的轴线 垂直与水平转轴8的轴线。高度调节器9固定在底座6上，高度调节器9内部中空，高度 调节器9与水平转轴8配合，通过调节水平转轴8的伸出长度来调节支撑架2的高度，实 现对标定靶高度的调节。隔热手柄3安装在发热框架1的顶部边框上，用于保护使用者不 被烫伤。电源线连接在温度控制器7上，通过电源线连接外部电源，从而为标定靶提供能 源。

上述装置中，发热网4网格的十字交叉处（如图2中的点A）为热像仪提供精确的红 外图像特征角点（是否安装激光挡片对热像仪的标定没有影响）。当将黑色激光挡片10间 隔地镶嵌在发热网4的网格中后，如图2所示，通过发热网格内嵌的激光挡片反射激光， 为3D激光雷达提供精确的深度特征角点，也可在可见光摄像机进行标定时为可见光摄像 机提供特征角点。

该装置的工作原理为：

使用该标定靶前，先将黑色激光挡片10间隔地镶嵌在发热网4的网格中后。然后通 过水平转轴8和俯仰转轴5调整标定靶的姿态和朝向，通过高度调节器9调节水平转轴8 的伸出长度，从而调整标定靶的高度。当将标定靶调整至合适位置后，通过电源线接通电 源，并设定温度控制器7的目标温度。温度控制器7接收温度传感器返回的发热网4的当 前温度，并将其与设定的目标温度进行比较，然后通过控制流过发热网4的电流，从而调 整发热网4的发热功率，进而达到调节发热网4温度的目的，使发热网4的温度稳定在设 定的目标温度附近。温度调整完成后，便可通过热像仪采集标定靶上的红外图像特征点实 现自标定，同时由于发热网4的网格中间隔地镶嵌有黑色激光挡片10，能够通过3D激光 雷达采集标定靶上同一位置的深度特征点，之后使用基于特征点的标定算法进行互标定， 从而实现对热像仪与3D激光雷达的标定。

上述标定装置适用于各种基于特征点的3D激光雷达与热像仪的标定算法，同时也适 用于各种基于特征点的3D激光雷达与可见光摄像机的标定算法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡 在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。