13
International Journal of Advanced Robotic Systems LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes Regular Paper Gerardo Atanacio-Jiménez 1,* , José-Joel González-Barbosa 2 , Juan B. Hurtado-Ramos 2 , Francisco J. Ornelas-Rodríguez 2 , Hugo Jiménez-Hernández 3 , Teresa García-Ramirez 4 and Ricardo González-Barbosa 5 1 Departamento de Metalmecánica, Instituto Tecnológico de Querétaro, México 2 Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, México 3 Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial, México 4 Universidad Autónoma de Querétaro, México 5 División Ciencias de la Vida, Universidad de Guanajuato, México * Corresponding author E-mail: [email protected] Received 02 Aug 2011; Accepted 12 October 2011 © 2011 Atanacio-Jiménez et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract This work describes a method for calibration of the Velodyne HDL64E scanning LIDAR system. The principal contribution was expressed by a pattern calibration signature, the mathematical model and the numerical algorithm for computing the calibration parameters of the LIDAR. In this calibration pattern the main objective is to minimize systematic errors due to geometric calibration factor. It describes an algorithm for solution of the intrinsic and extrinsic parameters. Finally, its uncertainty was calculated from the standard deviation of calibration result errors. Keywords LIDAR, Calibration, Pattern Planes. 1. Introduction Recently there have been several groups studying how to acquire 3D models of authentic world environments. The high accuracy, high resolution of threedimensional models have become important in the sensor design to satisfy demands for civil engineering [1], environmental protection [2], planning [3], autonomous vehicles and robots [4], stationary and mobile surveying [5], mapping [6], as well as many other applications. Error analysis is an important factor in calibration of a Light Detection And Ranging (LIDAR) system, the remaining errors must be estimated in order to establish the validity of the measurements. In addition, accuracy and precision are two different concepts for LIDAR error analysis. Accuracy is concerned with bias, usually determined by systematic errors. Precision is concerned with uncertainty, primarily determined by random errors, and in cases when counting LIDAR photons. It is determined for the most part by photonic noise. The measurement LIDAR error is classified into two main categories: systematic errors and random errors. In LIDAR error analysis, the measurement accuracy is determined by the accuracy of systematic errors where possible sources include: imprecise information regarding (1) atomic absorption crosssection, (2) laser absolute 70 ARTICLE www.intechweb.org Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82

LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

International Journal of Advanced Robotic Systems LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes Regular Paper

Gerardo Atanacio-Jiménez1,*, José-Joel González-Barbosa2, Juan B. Hurtado-Ramos2, Francisco J. Ornelas-Rodríguez2, Hugo Jiménez-Hernández3, Teresa García-Ramirez4 and Ricardo González-Barbosa5  1 Departamento de Metalmecánica, Instituto Tecnológico de Querétaro, México 2 Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, México 3 Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial, México 4 Universidad Autónoma de Querétaro, México 5 División Ciencias de la Vida, Universidad de Guanajuato, México * Corresponding author E-mail: [email protected]  Received 02 Aug 2011; Accepted 12 October 2011 © 2011 Atanacio-Jiménez et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract This work describes a method for calibration of the  Velodyne  HDL‐64E  scanning  LIDAR  system.  The principal  contribution  was  expressed  by  a  pattern calibration  signature,  the  mathematical  model  and  the numerical  algorithm  for  computing  the  calibration parameters of  the LIDAR.  In  this  calibration pattern  the main  objective  is  to minimize  systematic  errors  due  to geometric calibration factor. It describes an algorithm for solution of the intrinsic and extrinsic parameters. Finally, its  uncertainty  was  calculated  from  the  standard deviation of calibration result errors.  Keywords LIDAR, Calibration, Pattern Planes. 

 1. Introduction   Recently there have been several groups studying how to acquire 3D models of authentic world environments. The high  accuracy,  high  resolution  of  three‐dimensional models  have  become  important  in  the  sensor  design  to 

satisfy demands  for  civil engineering  [1],  environmental protection  [2],  planning  [3],  autonomous  vehicles  and robots [4], stationary and mobile surveying [5], mapping [6], as well as many other applications.  Error  analysis  is  an  important  factor  in  calibration  of  a Light  Detection  And  Ranging  (LIDAR)  system,  the remaining errors must be estimated  in order  to establish the  validity  of  the measurements.  In  addition,  accuracy and precision are two different concepts for LIDAR error analysis.  Accuracy  is  concerned  with  bias,  usually determined  by  systematic  errors. Precision  is  concerned with  uncertainty,  primarily  determined  by  random errors, and  in cases when counting LIDAR photons. It  is determined  for  the  most  part  by  photonic  noise.  The measurement  LIDAR  error  is  classified  into  two  main categories:  systematic  errors  and  random  errors.  In LIDAR  error  analysis,  the  measurement  accuracy  is determined  by  the  accuracy  of  systematic  errors where possible sources include: imprecise information regarding (1)  atomic  absorption  cross‐section,  (2)  laser  absolute 

70Gerardo Atanacio-Jiménez, José-Joel González-Barbosa, Juan B. Hurtado-Ramos, Francisco J. Ornelas-Rodríguez, Hugo Jiménez-Hernández, Teresa García-Ramirez and Ricardo González-Barbosa: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes

www.intechweb.org

ARTICLE

www.intechweb.org Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82

Page 2: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

frequency  calibration,  (3)  laser  lineshape,  (4)  receiver filter  function,  (5)  photo  detector  calibration,  and  (6) geometric factor.  In  fact,  the calibration of  the  laser range scanner plays a key role in generating an accurate 3D reconstruction that captures  features with  the  best  approximation  to  a  real urban environment. One of the first attemps to propose a self‐callibrating  algoritm  for  LIDAR  system,  in  [7] proposed  a method  based  on ARMA models. After,  in order  to  reduce  the  error  introduced  by  the  photo detector,  the  authors  in  [8]  proposed  a  model  and computed the best value for electronic parameters. In [9], present  an  automatic  calibration  approach  for  LIDARS based  on  predefined  targets  objects whose  pose  can  be reliably recognized from a single observation;  also, some numeric algorithms were applied in order to compute the geometric  calibration  factor.  In  that  research,  propose  a novel calibration method of 2D scan  laser sensor using a target object designed by the investigators was proposed. However, the LIDAR used had a limited vision angle and was  composed  of  only  one  laser  sensor.  in  order  to improve  the  field  of  vision  a  3D  sensor  must  have  a complete vision angle, one of 360 degrees and the number of lasers mounted in the LIDAR needs to be increased.  [10]  proposed  a  methodology  for  calibrating  specific lasers  of  the  LIDAR  Velodyne  HDL‐64E.  These investigators took several sets of indoor data where only certain  detectors  were  calibrated.  Using  the  data  sets, unique  obstacles  were  acquired  that  were  located  at  a known  distance,  for  example,  a  piece  of  plywood  held vertically in a long corridor. It was found that the offsets could  be  subtracted  from  each  of  these  near  horizontal lasers in order to obtain the correct distance information, the distance errors were between 0.3 and 0.5 meters.  In  [11]  using  the  nominal  horizontal  and  vertical correction factors of the LIDAR Velodyne. For each laser, an  additional  distance  offset  was  introduced  that  was computed  by  comparing  the  readings  from  a  reference SICK LMS‐291 sensor. Laser ranges with uncertainties  in the order of 30cm were  reported.  In  [12] a  technique  for the  Velodyne  HDL‐64E  S2  calibration  based  on  an optimization  process  was  presented,  their  calibration pattern is a 4.40m wide planar wall on a flat surface. The wall was scanned by aligning x‐axis of lidar’s fixed frame to  the wall,  and moving  the  lidar  at  various  distances, ranging  from  10  to  14m,  and  then by  aligning  lidar’s y‐axis    to  the  wall  and  moving  it  at  various  distances ranging from 4 to 8m.   In [13], showing a technique for calibrating the Velodyne HDL‐64E S2 model, as well as [14] presents the   analysis and  the  stability  of  calibration  parameters  for  the  same scanner. [15] presents a method for the calibration of the 

Riegl  LMS‐Z420i  lidar  system.  [16]  performed  self‐calibration  of  a  FARO  LS880HE  TLS  scanner. Furthermore, in [17] shows the effect of systematics errors on  the  positional  accuracy  of  a  LiDAR  point  clouds proposing some alternatives.  The objective of this investigation is to reduce systematic errors due  to  geometric  factor  calibration of  the LIDAR velodyne  HDL‐64E.  A  calibration  pattern  and  a methodology were used in order to generate a numerical algorithm  and  build  geometric  models  both  for compution  and  calibration  parameters.  The  calibration parameter presented herein had a high performance  for nominal correction factors for each laser.   2. Lidar system   Currently,  different  types  of  LIDAR  devices  exist with varying  scanning  mechanisms,  number  of  lasers,  and geometric  configurations.  For  this  investigation,  a Velodyne HDL‐64E was used, see Fig. 1,   

(a)    (b)  

 Figure  1.  The  Velodye  LIDAR  HDL‐64E  is  composed  of  64 beams. Each  laser orientation  is  in the function of   and  . (a) The  angle  is  achieved by utilizing  the Velodyne  rotation.  (b) The   angle is fixed by the beams.  

  The LIDAR possessing high definition that provides a 360 degree  azimuth  field  of  vision    and  a  26.5  degree 

elevation  field  of  vision  .  According  to  the 

aforementioned descriptions the scanner can be identified as a hybrid scanner on  the market  [18]. Furthermore, up to  15  Hz  frame  refresh  rate,  and  a  rich  point  cloud populated  at  a  rate  of  one million  points  per  second  is possible.  The  HDL‐64E  operates  on  a  rather  simple premise: instead of a single laser firing through a rotating mirror, 64 lasers are mounted on upper and lower blocks with 32 lasers each and the entire unit spins. This design permits  the  use  of  64  separate  lasers,  each  firing thousands of  times per  second, providing  exponentially more  data  points  per  second  and  a much  richer  point cloud than conventional designs.    

71 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82 www.intechweb.org

Page 3: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

2.1 Nominal model for the Velodyne   For  correction  of  the  calibration  parameters,  it  is necessary  to  understand  how  the  Velodyne  LIDAR Scanner converts the data, namely time‐of‐flight distance information,  in  a  3D  position.  The  time‐of‐fight information  from  a  LIDAR  system  can  be  used  by  the laser  beam  in  order  to  measure  the  distance  to  the surfaces with high resolution and accuracy. The reflected pulses from the solid surface dominant the return signals which  permits  one  to  determine  the  time‐of‐fight  to  a much  higher  resolution  than  the  usual  pulse  duration time. Each HDL‐64E  laser beam  is  fixed with  respect  to vertical angle and offset  to  the  rotational  level. For each data  point  issued  by  the  HDL‐64E,  rotational  and horizontal correction  factors must be applied  in order  to determine the  location of the point  in 3‐D space referred to  by  the  return.  This  procedure  doesnʹt  factor  in orientation  of  the  scanner,  such  as  roll,pitch,  yaw. Both physical  offsets  between  the  two  laser  beam  blocks  are not presently  taken  into  account; however  adding  these corrections  is  fairly  straightforward.  The  following nominal correction factors are used: 

•  vertCorrection( ).‐  The  elevation  angle  for  each laser beam (positive rotates the  laser beam towards the top of the scanner), i.e., vertical correction angle (deg), see Fig.1(b). 

• rotCorrection( ).‐ The azimuth angle offset for each laser  beam  (offset  from  the  current  rotation  angle, positive  rotates  the  laser  beam  counter‐clockwise), i.e., rotational correction angle (deg), see Fig.1(a). 

•  distCorrection.‐  A  distance  correction  offset  in centimeters,  applied  to  the  time  of  flight  distance given by an individual laser beam. 

• horizOffsetCorrection( OSCh ).‐ A horizontal parallax correction orthogonal to laser beam ( cm ), see Fig.4. 

•  vertOffsetCorrection( OSCv ).‐  A  vertical  parallax correction orthogonal to laser beam ( cm ), see Fig.3. 

 In  these computations,  the positive y‐axis  is at rotational degree zero and the scanner rotates clockwise around the z‐axis. The offset  corrections are  to be applied  in planes orthogonal  to  the  rotation  corrected  laser  beam.  The origin    represents  the  beam  pointing  into  the  output window of the lidar, if the beam were aligned with +y in the world frame then  OSCv  would be aligned with +z and 

OSCh  would be aligned with ‐x, which is shown in Fig.2.   

 Figure 2. The elevation angle   for each laser beam.  

 

According  to  the  aforementioned  descriptions,  it  is induced  from  the model displayed by  the manufacturer that  the ending points of vectors  ds  and  d  are aligned vertically.  Consequently,  Fig.3  is  a  geometric interpretation  of  the  model  to  obtain  any  space  point denoted  by  a  3D  point  being measured  as  = ( , , )x y zp , due to the laser footprint detected by the scanner. That is, the  point  where  the  mirror  reflects  the  outgoing  and incoming laser beam as  d , and the sensor location as the global  coordinate  system  origin,  .  Without  loss  of generality,  it can be assumed that the scanner  location  is located  exactly  at  the  origin,  = (0,0,0)   and  that  the 

vector  d  lies in the  x y plane, i.e.,  = ( , ,0)x yd dd . For 

the position analysis from the nominal model, the vector equation is: 

= ( )OSCd ds v   (1) 

The magnitudes are calculated by the following: 

= ( ) ,= cos( ) cos(90 ).

x x OSC x

x OSC

d ds vd ds v

  (2) 

In Fig.3(a) by using basic trigonometry, the vectors     and   are parallel, that is: 

cos(90 ) = sin( ).OSC OSCv v ds d   (3) 

Therefore, in order to compute the distance in the   plane without accounting for rotation: 

= cos( ) sin( ).x OSCd ds v   (4) 

= ( , , )x y zp  is the current 3D position that the object holds from  the scanner. Then,  the  factors  in rotation angle, see Fig.3  and  the  horizontal  offset,  see  Fig.4  for  each coordinate are: 

= sin( ) cos( ),= cos( ) sin( ),= sin( ) cos( ).

x OSC

x OSC

OSC

x d hy d hz ds v

  (5) 

72Gerardo Atanacio-Jiménez, José-Joel González-Barbosa, Juan B. Hurtado-Ramos, Francisco J. Ornelas-Rodríguez, Hugo Jiménez-Hernández, Teresa García-Ramirez and Ricardo González-Barbosa: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes

www.intechweb.org

Page 4: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

 Figure  3.  Correction  for  the  elevation  angle    for  each  laser beam.    

 Figure  4.  Correction  for  the  rotational  angle    for  each  laser beam.    2.2 Calibration Mathematical model  A  basic  model  for  the  data  generation  process  was applied  which  defines  a  spherical  global  coordinate system whose origin is the location of the LIDAR sensor. Then,  the  point  cloud  is  modeled  as  a  AllPointCloud = ( , , )f r   with  respect  to  this  point, where  r   is  the  radius  of  the  surface,    colatitude  or zenith angle, and   azimuthal angle of the unit sphere. The heuristic of  the approximal mathematical model  for measured 3D point consists of each position on  the unit sphere  after  being  converted  to  cartesian  coordinates; however  this  conversion  takes  into  consideration  the addition  of  perturbations  at  extrinsic  and  intrinsic parametrers. See Fig.5 and Fig.6.   

 Figure 5. Perturbed intrinsic parameters from Velodyne LIDAR, for the rotational angle  .    

 Figure 6. Perturbed intrinsic parameters from Velodyne LIDAR, for the elevation angle  .  

  For each perturbed coordinate,  

= sin( ) cos( ),= cos( ) sin( ),= ( )sin( ) cos( ),

x OSC

x OSC

OSC

x d hy d hz ds ds v

      (6) 

where,  = ( )cos( ) sin( ).x s OSCd ds d v  

For an specific laser  i , the last equation can be rewritten as: 

= sin( ) ( ) cos( ),= cos( ) ( ) sin( ),= ( )sin( ) ( ) cos( ),

== g ( , , , , ,( ) , ,( ) ),

i x i OSC i i

i x i OSC i i

i i i i i OSC i i i

i i i i

i i i i i OSC i i OSC i

x d hy d hz ds ds v

x y zds v ds h

p

  (7)  

where,  = ( )cos( ) ( ) sin( )x i i i i OSC i i id ds ds v , = 1,2, 64.i   

73 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82 www.intechweb.org

Page 5: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

The  mathematical  model  considers  five  intrinsic parameters for the laser i , this is:   

{ ,( ) ,( ) , , }i OSC i OSC i i ih v ds   (8)   

For  the  64  lasers,  the  model  computes  320  intrinsic parameters.   3. Calibration   Given  the  number  of  parameters  to  be  estimated,  it  is very likely that a minimization procedure converges on a local minimum,  if  it  is not properly  initialized. To avoid this, the calibration algorithm utilized herein uses several steps,  minimizing  incrementally  specific  parameters, before refining all their estimations using Eq.7.   3.1 Initial parameters of  i    For the lidar calibration, a target made up of five planes, was used see Fig.7.   A  first estimation of  the  intrinsic parameters  is obtained by measuring the angle shift between them. For this, four planes of the target were used, see Fig.8(a). If the z‐axis of the lidar frame is parallel to z‐axis of the target frame, the 

ids  are computed by means of: 

= ,cos( )cos( )i

i

Ads

  (9)  

 

where, A  is the distance between the lidar and the plane, i corresponds to the laser number i=1, 2, … , 64.   

Laser  intersection with  a  plane.  The  angle  i   for  each laser is fixed, and the   angle is given by lidar rotation.    

ids   is  the distance between  the  lidar  and  the plane  in  a 

,i  direction. If one laser is considered as a reference, 

the other  lasers can be displaced by an angle  i ,  these displacements are modeled by:  

= .cos( )cos( )i

i i

Ads

  (10) 

 

Usually,  laser 1  is used as  reference,  in  this  case  1   is zero. Fig.9 shows the values of two lasers using the Eq.12, in Fig.9(a) the lasers are aligned while Fig.9(b) shows the lasers  misaligned  by  15  degrees.  In  this  figure,  the displacement  between  the  minimum  local  values represents  the  displacement  between  the  laser orientation.  In order  to  compute  1 ,  laser 1  is used as reference and  computation of  the displacement between the lasers is carried out using the local minimum. 

 

 (a)    (b)    (c)    (d)  

 Figure 7. Two different views of the geometric targets: (a) and (b) With dimension of 2.42x2.42 meters. (c) and (d) 9.73x6.46 meters. The dimensions were recorded with the ultrasonic range finder SKIL‐0520 with accuracy of +/‐0.5%.  

   

 (a)     (b)  

 Figure 8. (a) Top view orientation, laser intersection with the four planes. (b) Side view orientation, intersection between the laser and one plane, the angle  i  for each laser is fixed, and the   angle is given by lidar rotation.  ids  is the distance between the lidar and the 

plane in a  ,i  direction.  

 

74Gerardo Atanacio-Jiménez, José-Joel González-Barbosa, Juan B. Hurtado-Ramos, Francisco J. Ornelas-Rodríguez, Hugo Jiménez-Hernández, Teresa García-Ramirez and Ricardo González-Barbosa: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes

www.intechweb.org

Page 6: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

   

 (a)     (b)  

 Figure 9. Distance  ids  between laser 20 and 34 was computed by using Equations (8) and (9), with: (a) Without displacement between lasers  = 0oi . (b) Displacement between lasers  = 15oi . Here, the 15 degree angular offset is a real value.  

3.2 Extrinsic parameters   The calibration pattern model consists of five planes, see Fig.7:  four walls  and  the  floor.  The  pattern  calibration frame is placed in the center of the four walls. The planes had to be referenced in respect to the lidar frame. Initially the position and orientation of the lidar frame and pattern frame were considered to be the same. The distance of the plane  is  computed by measuring  the plane  in  respect  to the lidar. For this case, the plane equation is:  

= 0,j j

Tn r r   (11) 

 

where, j=1,2,3,4,5 . Let  jr  be the position vector of a known 

point  jp   in  the  plane,  and  let  jn   be  a  nonzero  vector 

normal to the plane j. If the lidar frame matches the pattern frame, the  jn  and  jr  of the five planes can be written as: 

1 0 1 0 0{ } = 0 , 1 , 0 , 1 , 0

0 0 0 0 1j

n  

1 2{ } = / 2 0 0 , 0 / 2 0 ,j A A T T

r

  1 1 2/ 2 0 0 , / 2 0 0 , 0 0 .A A A T T T

 As the lidar frame does not match the pattern calibration frame,  the  pattern  frame  is  considered  rotated  and translated with respect  to  the  lidar  frame. Thus, Eq.11  is rewritten as:

  = 0,j j

T

R T n r r   (12)  

where,  R  and  T  are  the  rigid  transformation  between lidar  frame  and  pattern  frame  respectively. The  pattern frame  is considered  to be  in the center of  the  four walls. These parameters are known as extrinsic parameters.  

 (a)   (b) 

(c)  (d) 

 Figure 10. The data of the lasers 10 and 47 uses Equation (7) and the intersection with five planes as defined in Equation (11).  (a) Laser 10. (b) Laser 10 (top view). (c) Laser 47. (d) Laser 47 (top view).   

75 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82 www.intechweb.org

Page 7: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

In  this  investigation,  the  calibration  pattern  dimension was known; however the signal given for each laser when the LIDAR  is  in  the  calibration pattern was not known. Using the lidar model, the ideal signal for each laser was computed. Fig.10 shows the signal for the  laser numbers 10 and 47 by using R=I  ,  T= [14 15 0]T  and nominal factors.  In  this  figure,  the  dimension  of  the  pattern calibration  shown  in  Fig.5(c)  and  5(d),  is  used.  If  the intrinsic or extrinsic parameters change, the laser signal is modified.  3.3 3D data of the pattern calibration   The  values  given  by  the  lidar  are:  pan  rotation ,  tilt 

orientation  of  the  laser  i ,  distance measured  by  the 

laser     in an angle  ids , and the intensity of the signal. The  parameters  ( , , )ds   are  corrected  as  = i , 

= i , and  =ds ds ds .  It  is possible  to compute the signal for each laser by using the intersection between the planes as represented by Eqs.12 and 7 using the data , ,i ds  and  intrinsic parameters ,( ) ,( ) , ,i OSC i OSC i ih v  

ids for  the  laser  i.  The  signal  for  the  laser  can  be 

represented as:  

S S S T= [ ]= ( , , , , ,( ) , ,( ) , , ).

i i i i

i i i i i OSC i i OSC i

x y zf ds v ds h

SR T

  (13) 

 

Using  the values given by  the  lidar  ( , , )ds ,  the  initial 

values  i  and the nominal factors can be used as initial parameters, The 3D points:  

= ( , , , , ,( ) , ,( ) ),i i i i i i OSC i i OSC ig ds v ds h p   (14)  

are computed by using Eq.7. The extrinsic parameters are initialized  by  measuring  the  pattern  calibration  and locating the center of their frame. For the total calibration, 

if  and  gi  were used see 3.3 and 2.2, respectively and a refinement  stage  utilizing  the  total minimization  of  the following expressions was carried:  

= ( , , , , ,( ) , ,( ) , , )g ( , , , , ,( ) , ,( ) ),i i i i i OSC i i OSC i

i i i i i OSC i i OSC i

f ds v ds hds v ds h

F R T   (15) 

 

in compact form  

S1

S2

3

= = .i i

i i

i i

F x xF y yF z z

S

F   (16) 

 

The  minimization  uses  the  Levenberg‐Marquardtʹs method  of  Matlab,  and  is  obtained  by  solving  the equation systems:  

31 2= 0, = 0, = 0,FF F

  (17) 

 

where, = , ,( ) , ,( ) , ,i i OSC i i OSC iv ds h R T . Summarizes 

the estimated parameters during  the calibration process, the  intrinsic  parameters  for  laser  1: 1 1 1,( ) ,( ) ,OSC OSCh v  

1 1, ds to  intrinsic  parameters  for  laser  64: 64 ,  

64 64 64 64( ) ,( ) , ,OSC OSCh v ds   and  R,T  with  six  extrinsic parameters for the calibration pattern.   4. Results and Discussion   In  this  section,  the  experimental  numeric  results  for  a whole  lidar calibration are presented. Given  the number of  parameters  to  be  estimated,  it  is  very  likely  that  a minimization procedure converges on a local minimum if it  is  not  properly  initialized.  In  order  to  compute  the extrinsic  and  intrinsic  parameters,  the  following  cases were considered: 

•  Error  of  the  nominal  factor.  Only  the  extrinsic parameters  for  comparing  the  3D  points  of  the pattern reconstruction with respect to the pattern 3D model were computed.  

•  The  nominal  parameters  are  used  to  compute intrinsic  and  extrinsic  parameters.  The  nominal parameters  are  used  as  initialization  for  the minimization method.  

•  Proposed method.  The  calibration  algorithm  uses several  incremental  steps,  minimizing  some parameters,  before  refining  all  of  their  estimations by using Eq.7. 

 4.1 Error of the nominal factors   Fig.11(b),  (c), and  (d)  show  the  reconstructed calibration pattern viewed from different angles. This reconstruction uses  nominal  parameters  of  the  LIDAR.  The  extrinsic parameters  are  computed  by  minimizing  the  Eq.13  in order  to match  the LIDAR  frame and calibration pattern frame. Fig.11(a)  shows  the histogram of error,  the mean error  is  22.4cm  with  a  variance  of  972 2cm .  The  error range specified in the LIDAR technical guide is 5 cm. [11] reported as an initial error of 30cm.  The differences between the nominal parameters and the computed  parameters  are  shown  in  Fig.12(a),  these differences  are  between  2.3  cm  and  5.2  cm.  Also,  the difference  between  both  values  as  represented  in  the Fig.12(b). The differences of  ( )OSC iv  and  ( )OSC ih  between the nominal values and  the computed values are shown in Figs.12(c) and 12(d), respectively. 

 

76Gerardo Atanacio-Jiménez, José-Joel González-Barbosa, Juan B. Hurtado-Ramos, Francisco J. Ornelas-Rodríguez, Hugo Jiménez-Hernández, Teresa García-Ramirez and Ricardo González-Barbosa: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes

www.intechweb.org

Page 8: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

−10 0 10 20 30 40 50 60 700

500

1000

1500

2000

2500

3000

Frecu

ency

Error [cm]

 (a)     (b)  

 (c)     (d)  

 Figure 11. Calibration pattern reconstruction by using the calibration technique of Velodyne company. (a) Error of the nominal factor, 

the mean and variance are 22.54cm and 9.72 2cm , respectively. (b), (c) and (d) show the 3D calibration pattern reconstruction by using the nominal parameters.  

  

  (a)     (b)   (c)  (d) 

 Figure  12.  Differences  between  nominal  parameters  and  the  computed  parameters  by  minimizing  Equation  (13).  The  nominal parameters are used as initialization. (a)  ids , (b)  i , (c)  ( )OSC iv , (d)  ( )OSC ih .  

  4.2 Proposed method   To  properly  initialize  the  intrinsic  and  extrinsic parameters,  the  calibration algorithm uses  several  steps, minimizing  some  parameters  increnentally,  before refining all their estimations by using Eq.7. The proposed method considered the following steps:  1 Physical measurement of the LIDAR position relative to the walls of the pattern calibration. These values are used to  understand  an  approximation  of  the  translation between  the  LIDAR  frame  and  calibration  pattern  one. The  accuracy  of  the  system  used  for  measuring  this translation  is  to hundredths of cm. However,  the LIDAR frame is unknown, and these measurements are not exact, but are still a very good initial value.   2 Offset  angle  i .  In Fig.13,  the  ids  values  are  shown with respect to the LIDAR orientation. The data shown in Fig.13 uses  a  calibration pattern  target with dimensions 973x646  cm  and  the  LIDAR  frame  does  not match  the 

center of the target. Therefore, the minimum local values are different. The LIDAR frame is displaced, with respect to the target center, 15 and 17 cm in x and y, respectively. In  the  figure,  the  displacement  between  the  minimum local  values  represents  the  displacement  between  the laser  rotation  i ,  such  affirmation was discussed  in 

Section 3.1 In order to compute the  i , laser 1 was used as reference by computing the displacement between the lasers  with  the  local  minimum.  i   are  computed  by using  the  local minimum as described  in  the Section 3.1. The  displacement  angle  between  lasers  20  and  34  are shown in Fig.13 which is 18.63 degree.   3  Initialization  of  ids ,  ( )OSC iv and  ( )OSC ih .  The  ids   values are given by  the physical  laser position.  It  is not possible  to  measure  these,  but  in  order  to  obtain  an approximate  value,  the  nominal  ids   was  used  as initialization.  The  ( )OSC iv   and  ( )OSC ih   parameters  were initialized as zeros.  

77 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82 www.intechweb.org

Page 9: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

  Figure  13.  Data  for  the  lasers  20  and  34  using  the  nominal correction factors.   4 Refinement values. Use the values described in items 1, 2  and  3  as  the  initial  parameters  for minimizing  Eq.13 considering the variables , ,( ) , ,( ) , ,i i OSC i i OSC iv ds h R T .  Fig.15(a)  show  the histogram  error of  the  calibration by using  the  proposed methodology.  The mean  error was 1.56  cm with  a  variance  of  2.22  2cm .  These  errors  are   

smaller  than  the errors produced by  the nominal values, see Fig11. In Fig.14(b), (c) and (d) shows the reconstructed calibration pattern viewed from different orientation. The width of  the wall  is  thinner  than  that of Figs.12  and  11 where the same calibration pattern was reconstructed.   The Fig. 15 shows the differences between the computed intrinsic parameters by using the proposed methodology in this section and the nominal parameters.  In Fig.16(a),  the 64  ids  values are  shown. The  figure on the  left  shows  the nominal parameters, while  the  figure on the right shows the  ids  parameters computed with the minimization  of  the  Eq.13  by  using  the  methodology presented in this section.   The differences between the nominal parameters and the computed  parameters  are  shown  in  Fig.15(a),  the differences between these parameters are bigger than the parameters computed in the fig. 12.  

 (a)     (b)  

 (c)     (d)  

 Figure 14. Calibration pattern reconstruction by using the new parameters. (a) Histogram error of the LIDAR calibration, the mean and variance errors are 1.56 cm and 2.22 2cm , respectively.  (b) Front plane. (c) Top plane. (d) Isometric view orientation.    

  (a)     (b)     (c)     (d)  

 Figure 15. Differences between nominal parameters and  the computed parameters by minimizing Equation  (13) by  the methodology described in this Section (a)  ids . (b)  i . (c)  ( )OSC iv . (d)  ( )OSC ih .  

  

78Gerardo Atanacio-Jiménez, José-Joel González-Barbosa, Juan B. Hurtado-Ramos, Francisco J. Ornelas-Rodríguez, Hugo Jiménez-Hernández, Teresa García-Ramirez and Ricardo González-Barbosa: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes

www.intechweb.org

Page 10: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

Fig.17(a) and  (c)  shows  the nominal parameters and  the parameters computed by minimizing the Eq.13 using the steps  presented  in  this  section.  The  difference  between both values is represented in Fig.15(b).   The  nominal  factor  are  shown  in  Figs.  18(a)  and  19(a), respectively.  The  computed  values  ( )OSC iv   and  ( )OSC ih  

proposed  are  shown  in  Figs.  18(c)  and  19(c).  The differences  of  ( )OSC iv   and  ( )OSC ih   between  the  nominal values and the computed values are shown in Figs. 15(c) and  15(d),  respectively. The  computational  time needed to estimate all the calibration parameters was 8564.9s. 

 

  (a)     (b)     (c)  

 Figure  16.  (a) Nominal  factor  of  ids .  (b)  Computed  values  of  ids by minimizing  the  Equation  (13)  and  the  nominal  factor  as 

initialization. (c) Computed values of  ids  by using the proposed methodology.  

  

  (a)     (b)     (c)  

 Figure  17.  (a) Nominal  factor  of  i .  (b)  Computed  values  of  i   by minimizing  the  equation  (13)  and  the  nominal  factor  as 

initialization. (c) Computed values of  i  by using the proposed methodology.  

 

  (a)     (b)     (c)  

 Figure 18. (a) Nominal factor of  ( )OSC iv . (b) Computed values of  ( )OSC iv  by minimizing the Equation (13) and the nominal factor as the 

initialization. (c) Computed values of  ( )OSC iv  by using the proposed methodology.  

  

79 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82 www.intechweb.org

Page 11: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

  (a)     (b)     (c)  

 Figure 19. (a) Nominal factor of  ( )OSC ih . (b) Computed values of  ( )OSC ih  by minimizing the Equation (13) and the nominal factor as the 

initialization. (c) Computed values of  ( )OSC ih  by using the proposed methodology.  

  

  (a)     (b)  

 (c)     (d)  

 Figure 20. A  registration of  laser  range profiles.  (a) and  (c) Uses  the nominal parameters without  refining.  (b) and  (d) The  intrinsic parameters are computed by applying the methodology proposed in this article.   Fig.20  shows  a  3D  environment  reconstruction  at different scale. The reconstruction in the figure on the left uses the nominal parameters; however, the column on the right uses  the parameter computed  in  this section. From the  figure  it  is evident  that  if  the scale was reduced,  the walls  are  better  defined  and  less  noisy  than  when nominal calibration parameters are used. 

4.3 Stochastic model   In  [19]  random  numbers  wee  used  to  simulate  many synthetic data sets. The synthetic data set  represents  the noise  of  the  calibration  pattern  and  they were  used  to recalculate  the parameters of  the LIDAR 200 as many as 200  times  to  compute  its uncertainty  from  the  standard    

80Gerardo Atanacio-Jiménez, José-Joel González-Barbosa, Juan B. Hurtado-Ramos, Francisco J. Ornelas-Rodríguez, Hugo Jiménez-Hernández, Teresa García-Ramirez and Ricardo González-Barbosa: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes

www.intechweb.org

Page 12: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

 (a)     (b)  

 Figure 21. Uncertainty of intrinsic parameters. The uncertainty values reported are in the range if 1σ, which correspond to a confidence level of 95%. (a)

 Uncertainty values of  ids  ,  ( )OSC ih  and  ( )OSC iv . (b) The uncertainty values of i  

and i .   

deviation. The procedure  for  evaluating  the uncertainty of  the  LIDAR  parameters  were  to  add  noise  to  ideal coordinates  of  the  reference  points  for  each  data acquisition. The noise  consists of  random numbers with normal probability distribution, zero mean and standard deviation equal  to  the difference between  ideal and  real coordinates  of  the  points  of  reference.  The  uncertainty results are shown in Fig. 21.  5. Conclusion  A method for fully automated calibration of the Velodyne HDL‐64E Mobile Scanning System, as applied  to  terrain modeling  has  been  presented.  The  system  uses  laser range scanners, mounted on a mobile platform to quickly digitize  3D  models  of  real  world  environments.  This scanning system can acquire 3D data in real time while it traverses a  long terrain, and processes the data online to obtain  a  3D  model.  However,  its  nominal  accuracy  is approximately  22.54cm  (Applying  the  calibration procedure  of  the Velodyne  company).  This  error  is  too great for the 3D reconstruction of a historic building. The results  presented  showed  that  the mathematical model and  the  numerical  algorithm  for  computing  the calibration parameters of the LIDAR system is capable of scanning both, terrain and surrounding buildings, with a pre‐determined  level  of  precision  of  approximately 1.56cm.  The  experiments  showed  that  the  proposed calibration method can minimize the reconstruction error thus  it  is  appropriate  for  developing models  for  use  in simulation, dynamic testing, and building reconstruction.  6. Acknowledgments  1Would  like  to  express  his  gratitude  to  the  DGEST‐PROMEP‐Instituto  Tecnológico  de  Querétaro  for  its financial  support. This work was  supported partially by CONACYT  grants  CB‐2005‐01‐51004  and  SIP‐IPN  grant 20101726. The authors would also  like  to  thank Silvia C. Stroet  and  Oscar  Cejudo  Hernández  for  editing  the English content of this document. 

7. References  [1]  J.  Armesto,  J.  Roca‐Pardiñas,  H.  Lorenzo,  and  P. 

Arias,  ʺModelling  masonry  arches  shape  using terrestrial  laser  scanning  data  and  nonparametric methods,ʺ Engineering Structures, vol. 32, pp. 607‐615, 2010. 

[2]  K. N.  Skowronski, Clark,  R. Nelson,  J. H.,  and M. Patterson, ʺRemotely sensed measurements of forest structure  and  fuel  loads  in  the  pinelands  of  new jersey.,ʺ Remote Sensing of Environment., vol. 108, pp. 123‐129, 2007. 

[3]  I. Miller, M. Campbell, D. Huttenlocher, A. Nathan, F.‐R.  Kline,  P.  Moran,  N.  Zych,  B.  Schimpf,  S. Lupashin, E. Garcia,  J. Catlin, M. Kurdziel,  and H. Fujishima,  ʺTeam  Cornell’s  Skynet:  Robust Perception and Planning in an Urban Environment,ʺ in The DARPA Urban Challenge. vol. 56, M. Buehler, K. Iagnemma, and S. Singh, Eds., ed: Springer Berlin / Heidelberg, 2009, pp. 257‐304. 

[4]  S. a. M. Lacroix, A. and Bonnafous, D. and Bauzil, G. and  Fleury,  S.  and  Herrb,  M.  and  Chatila,  R., ʺAutonomous  Rover  Navigation  on  Unknown Terrains: Functions and Integration,ʺ vol. 21(10), pp. 917‐942, 2002. 

[5]  C. T. Grejner‐Brzezinska D., ʺDriving the line: multi‐sensor monitoring  for mobile mapping,ʺ GPSWorld, vol. 3, pp. 16‐22, 2003. 

[6]  M. L. G. Santana Quintero, José Luis, ʺApplication of Terrestrial  Laser  Scanning  for  Risk Mapping,ʺ  ed: Universidad Politecnica de Valencia, 2007, ISBN 978‐84‐8363‐199‐7. 

[7]  N.  J. Chen Y.D., Wu  S.M.,  ʺIn Dynamic  calibration and  compensation  of  a  3D  laser  radar  scanning system,ʺ Robotics and Automatization, vol. 3, pp. 652‐658, 1993. 

[8]  a.  T. M. Hans  E.  Jorgensen  ,  and  Jurgen  Streicher, and  Hartmut Herrmann, and Christian Werner, and Erik Lyck.,  ʺLidar  calibration experiments.,ʺ Applied Physics B Lasers and Optics., vol. 64, pp. 355‐361, 1997. 

81 Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 5, 70-82 www.intechweb.org

Page 13: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern · PDF fileLIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes ... (positive rotates the laser beam towards ... LIDAR Velodyne

[9]  M.  a.  F.  Antone,  Y.,  ʺFully  automated  laser  range calibration.,ʺ  in  In  British Machine  Vision  Conference (BMVC). Warwick, UK. , 2007. 

[10]  P. B. a. T. M. a. R. M. Peter Stone,  ʺDARPA Urban Challenge,ʺ Austin Robot Technology.June 2007. 

[11]  J. Bohren, Foote, T. B., Keller, J., Kushleyev, A., Lee, D., Stewart, A. D., Vernaza, P., Derenick, J., Spletzer, J.,  and  Satterfield,  B.,  ʺLittle  ben:  The  ben  franklin racing  team’s  entry  in  the  2007  DARPA  urban challenge.,ʺ  Journal  of  Field  Robotic.,  vol.  25(9),  pp. 598‐614, 2008. 

[12]  S. L. N. Muhammad, ʺCalibration of a rotating multi‐beam Lidar,ʺ presented at the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2010. 

[13]  L. D. D. Glennie C., ʺStatic Calibration and Analysis of  the  Velodyne  HDL‐64E  S2  for  High  Accuracy Mobile Scanning,ʺ Remote Sens., vol. 2, pp. 1610‐1624, 2010. 

[14]  L.  D.  D.  Glennie  C.,  ʺTemporal  Stability  of  the Velodyne HDL‐64E  S2  Scanner  for High Accuracy Scanning Applications,ʺ Remote Sens., vol. 3, pp. 539‐553, 2011. 

                                  

[15]  D.  Schneider,  ʺCalibration  of  a  Riegl  LMS‐Z420i Based  on  a  Multi‐Station  Adjustment  and  a Geometric  Model  with  Additional  Parameters,ʺ IAPRS, vol. 30, pp. 177‐182, 2009. 

[16]  D. D. Lichti,  ʺA method  to  test differences between additional  parameter  sets  with  a  case  study  in terrestrial  laser  scanner  self‐calibration  stability analysis,ʺ  ISPRS  Journal  of  Photogrammetry  and Remote Sensing, vol. 63, pp. 169‐180, 2008. 

[17]  B.  K.  I.  Habib  A.,  Kersting  A.,  ʺImpact  of  LiDAR System  Calibration  on  the  Relative  and  Absolute Accuracy of derived Point Cloud,ʺ CGC10, 2010. 

[18]  R.  Staiger,  ʺTerrestrial  laser  scanning‐Technology, systems  and  applications.,ʺ  in  Second  FIG  Regional Conference., Marrakech, Morocco., 2003. 

[19]  S. A. T. William H. Press, A William T. Vetterling, A Brian P. Flannery, Numerical recipes in C (2nd ed.): the art  of  scientific  computing:  Cambridge  University Press 1992. 

 

82Gerardo Atanacio-Jiménez, José-Joel González-Barbosa, Juan B. Hurtado-Ramos, Francisco J. Ornelas-Rodríguez, Hugo Jiménez-Hernández, Teresa García-Ramirez and Ricardo González-Barbosa: LIDAR Velodyne HDL-64E Calibration Using Pattern Planes

www.intechweb.org