基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置及方法，其包括：第一标定单元，其用于根据激光里程计获得的激光雷达运动位姿信息，构建平面运动约束，以标定激光雷达与车辆的横滚角与俯仰角；第二标定单元，其用于通过第一标定单元标定好的横滚角和俯仰角，修正车辆轨迹，建立直线行驶判别模型，再通过构建直线运动约束，以标定激光雷达与车辆的偏航角。本发明专利技术能够解决针对激光雷达与车辆坐标系空间同步所面临传感器观测单一的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置及方法


[0001]本专利技术涉及智能交通
，特别是关于一种基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置及方法、计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]据NHTSA调研，公路交通中近94％的车祸是因为人的操作和失误造成的。智能车辆能借助车载传感器，通过先进的环境感知和决策控制技术，可以实时采集车辆周围环境信息并加以处理，根据检测信息快速做出反应，能够实现自主驾驶，以提高驾驶安全性能，减少交通事故的发生，被认为是降低交通事故的重要途径之一。
[0003]多源传感器外参数标定是智能车辆环境感知技术的重要基础。车辆行驶过程中传感器安装姿态会由于车辆抖动而发生变化，而基于多传感器融合的智能车辆系统高度依赖于精确的外参数，当传感器安装姿态发生变化时，各个传感器获取的环境信息空间信息存在冲突，会极大地降低融合感知算法的精度，甚至导致感知失效。
[0004]激光雷达与车辆坐标系外参数标定时，智能车辆通常选择车体上某一点作为车辆坐标系原点如车辆前轴或后轴中心。多源传感器获取的感知信息需要统一到车辆坐标系下，从而为决策、控制模块提供准确的环境信息。由于车辆既无法直接观测到车辆坐标系的原点和位姿，也不能获取环境信息观测，激光雷达与车辆坐标系的标定过程中，仅有激光雷达的观测数据。车辆坐标系的原点通常是构建环境感知系统时选取的，该位置的信息可以作为先验知识，通过约束车辆运动提供额外的信息。
[0005]针对运动模型针对激光雷达与车辆坐标系空间同步面临传感器观测单一的问题，本专利技术基于激光雷达与车辆运行模型和刚性连接约束，构建了直线运动与平面运动判别模型，并基于运动和平面参数构建了建立自动化的两步标定方法。解决了现有方法需要在特定环境中摆放标定物或者借助里程计等传感器、且需要控制车辆运动、对环境依赖较大、人工参与多、过程较繁琐等问题。
[0006]目前三维激光与车辆坐标系外参标定大多主要基于特定场景通过提取特征或者借助特定标定物基于目标进行标定，例如有一个科研团队提出了一种分步自动标定算法，它的步骤1是对地面点云进行拟合，得到地面方程，构造水平度函数，通过粒子群优化(PSO)算法优化水平度函数完成对激光雷达俯仰角、横滚角和纵向位移的标定；步骤2标定以步骤1标定的完成为基础，在车辆沿直线行驶过程中采集多帧含有同一标定杆的激光点云，通过聚类得到标定杆聚类中心，然后在二维平面内对多帧同一标定杆的聚类中心进行直线拟合，根据直线斜率计算航向角。但是，该方法，一方面，步骤1标定仅利用单帧激光点云数据，单帧激光点云只能提取局部的地面信息，不能识别全局的对地面路况，因此当车辆处于上下坡或颠簸路段时算法可能方法可能输出错误结果的问题。另一方面，步骤2标定需要在特定环境中摆放标定物，且需要控制车辆运动，对环境依赖较大、人工参与多、过程较繁琐。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步方法，用于解决针对激光雷达与车辆坐标系空间同步所面临传感器观测单一的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置，其包括：
[0009]第一标定单元，其用于根据激光里程计获得的激光雷达运动位姿信息，构建平面运动约束，以标定激光雷达与车辆的横滚角与俯仰角；
[0010]第二标定单元，其用于通过第一标定单元标定好的横滚角和俯仰角，修正车辆轨迹，建立直线行驶判别模型，再通过构建直线运动约束，以标定激光雷达与车辆的偏航角。
[0011]进一步地，第一标定单元具体包括：
[0012]点云提取模块，其用于提取地面点云；
[0013]点云拼接模块，其用于根据激光雷达运动位姿信息，获取滑动窗口中的帧数N，并在滑动窗口中车辆处于平面行驶状态的情形下，获取第i帧激光雷达点云中的地面点云G
i
及其对应的位姿变换T
i
，对激光雷达点云中的多帧地面点云进行拼接；
[0014]点云拟合模块，其用于拟合地面点云平面；
[0015]第一标定模块，其用于获取激光雷达与车辆的横滚角和俯仰角。
[0016]进一步地，“平面运动约束”包括计算多帧地面点云法向量；
[0017]点云拼接模块对“车辆处于平面行驶状态”的判断方法具体包括：
[0018]根据滑动窗口中激光雷达的运动轨迹和点云，通过每一关键帧与其前后多帧的位姿在竖直方向的位移变化量计算激光雷达运动轨迹在与地面垂直方向的梯度并计算前后多帧地面法向量夹角，然后判断计算出的位移变化量和地面法向量夹角是否小于对应的阈值，若是，则判定车辆处于平面路况行驶状态。
[0019]进一步地，第二标定单元具体包括：
[0020]直线运动识别模块，其用于根据第一标定单元计算的激光雷达俯仰角和横滚角，将激光雷达运动位姿{T1，
…
，T
N
}修正为从而获得激光雷达坐标系下的车辆运动轨迹辆运动轨迹为第i帧激光点云的三维坐标，再取S
3d
在水平面xOy上对应的二维坐标轨迹在水平面xOy上对应的二维坐标轨迹在水平面xOy上对应的二维坐标轨迹为第i帧激光点云的平面二维坐标，然后获取车辆运动轨迹的直线参数，依此建立直线行驶判别模型，利用直线行驶判别模型判定车辆运动轨迹为直线，并进入步骤22；
[0021]第二标定模块，其用于获根据直线运动识别模块获取的车辆运动轨迹的直线参数，构建得到直线运动约束如下所示，再计算解激光雷达与车辆的偏航角偏差，即偏航角：
[0022]激光雷达坐标系下激光运动轨迹的方向向量为M
Lidar
＝(n，an，0)＝(1，a，0)；
[0023]车辆坐标系下车辆运动轨迹的方向向量M
Vehicle
＝(1，0，0)的直线。
[0024]进一步地，直线运动识别模块具体包括：
[0025]直线参数获取子模块，其用于采用如下示出的最小二乘法获得车辆运动轨迹的直线参数a和b：
[0026]将车辆的运动轨迹点待拟合的直线方程设置为下式(4)所示，从而获得每个运动轨迹点对回归方程的误差δ
i
表示如式(5)所示，再根据所有轨迹点对回归方程的误差平方和，构建如式(6)所示的总体误差函数Q，最后根据线性最小二乘理论，令则a和b分别由式(7)和(8)计算得到：
[0027]y＝ax+b
ꢀꢀ
(4)
[0028]δ
i
＝y
i
‑
(ax
i
+b)
ꢀꢀ
(5)
[0029][0030][0031][0032]直线运动判定子模块，其用于利用直线行驶判别模型判断车辆运动轨迹是否为直线的方法具体包括：
[0033]用下式(9)计算轨迹拟合参数的判定系数R2，最后判断判定系数R2是否大于判定阈值，若是，则判定车辆运动轨迹为直线；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置，其特征在于，包括：第一标定单元，其用于根据激光里程计获得的激光雷达运动位姿信息，构建平面运动约束，以标定激光雷达与车辆的横滚角与俯仰角；第二标定单元，其用于通过第一标定单元标定好的横滚角和俯仰角，修正车辆轨迹，建立直线行驶判别模型，再通过构建直线运动约束，以标定激光雷达与车辆的偏航角。2.如权利要求1所述的基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置，其特征在于，第一标定单元具体包括：点云提取模块，其用于提取地面点云；点云拼接模块，其用于根据激光雷达运动位姿信息，获取滑动窗口中的帧数N，并在滑动窗口中车辆处于平面行驶状态的情形下，获取第i帧激光雷达点云中的地面点云G
i
及其对应的位姿变换T
i
，对激光雷达点云中的多帧地面点云进行拼接；点云拟合模块，其用于拟合地面点云平面；第一标定模块，其用于获取激光雷达与车辆的横滚角和俯仰角。3.如权利要求2所述的基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置，其特征在于，“平面运动约束”包括计算多帧地面点云法向量；点云拼接模块对“车辆处于平面行驶状态”的判断方法具体包括：根据滑动窗口中激光雷达的运动轨迹和点云，通过每一关键帧与其前后多帧的位姿在竖直方向的位移变化量计算激光雷达运动轨迹在与地面垂直方向的梯度并计算前后多帧地面法向量夹角，然后判断计算出的位移变化量和地面法向量夹角是否小于对应的阈值，若是，则判定车辆处于平面路况行驶状态。4.如权利要求2或3所述的基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置，其特征在于，第二标定单元具体包括：直线运动识别模块，其用于根据第一标定单元计算的激光雷达俯仰角和横滚角，将激光雷达运动位姿{T1，
…
，T
N
}修正为从而获得激光雷达坐标系下的车辆运动轨迹动轨迹为第i帧激光点云的三维坐标，再取S
3d
在水平面xOy上对应的二维坐标轨迹在水平面xOy上对应的二维坐标轨迹为第i帧激光点云的平面二维坐标，然后获取车辆运动轨迹的直线参数，依此建立直线行驶判别模型，利用直线行驶判别模型判定车辆运动轨迹为直线，并进入步骤22；第二标定模块，其用于获根据直线运动识别模块获取的车辆运动轨迹的直线参数，构建得到直线运动约束如下所示，再计算解激光雷达与车辆的偏航角偏差，即偏航角：激光雷达坐标系下激光运动轨迹的方向向量为M
Lidar
＝(n，an，0)＝(1，a，0)；车辆坐标系下车辆运动轨迹的方向向量M
Vehicle
＝(1，0，0)的直线。5.如权利要求4所述的基于运动的激光雷达与车辆坐标系空间同步装置，其特征在于，直线运动识别模块具体包括：直线参数获取子模块，其用于采用如下示出的最小二乘法获得车辆运动轨迹的直线参数a和b：
将车辆的运动轨迹点待拟合的直线方程设置为下式(4)所示，从而获得每个运动轨迹点对回归方程的误差δ
i
表示如式(5)所示，再根据所有轨迹点对回归方程的误差平方和，构建如式(6)所示的总体误差函数Q，最后根据线性最小二乘理论，令和，构建如式(6)所示的总体误差函数Q，最后根据线性最小二乘理论，令则a和b分别由式(7)和(8)计算得到：y＝ax+b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)δ
i
＝y
i
‑
(ax
i
+b)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)(5)直线运动判定子模块，其用于利用直线行驶判别模型判断车辆运动轨迹是否为直线的方法具体包括：用下式(9)计算轨迹拟合参数的判定系数R2，最后判断判定系数R2是否大于判定阈值，若是，则判定车辆运动轨迹为直线；其中，SST用于描述车辆运动轨迹的y轴坐标观测值y
i
与均值u
y
的总体偏差，SSR用于描述车辆运动轨迹的y轴坐标预测值与均值u
y
的总体偏差，a和b均为获取车辆运动轨迹的直线参数；SSE用于描述车辆运动轨迹的y轴坐标预测值和观测值y
i
的总体偏差，u
y
为车辆运动轨迹的y轴坐标观测值y
i
的均值，N为滑动窗口数。6.一种基于运动的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢国涛，王帅杰，秦洪懋，秦晓辉，边有钢，秦兆博，徐彪，胡满江，王晓伟，丁荣军，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：