一种基于单应性变换矩阵的分段空间对准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单应性变换矩阵的分段空间对准方法，通过对较大的标定距离进行分段，针对每一分段分别求得摄像机和毫米波雷达坐标系之间的单应性变换矩阵，避免了现有技术中由于用同一个单应性变换矩阵表达两个传感器之间的坐标关系引起的误差，从而能够实现对较大标定距离目标探测的空间对准；通过推导表征摄像机和毫米波雷达的不同坐标系之间的关系，最后采用单应变换矩阵N表征两者的坐标系关系，用两个传感器分别获得的目标数据再解得单应变换矩阵N，避免了求解缩放比例因子、焦距等构成的摄像机内部参数矩阵以及旋转矩阵、平移向量构成的摄像机外部参数矩阵，大大简化了运算过程，节省运算时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人车多传感器信息融合
，具体涉及。
技术介绍
无人车又称室外智能移动机器人，是一种集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能为一体的智能化程度很高的装置，其对环境感知的快速性、准确性与多传感器信息融合技术密不可分。多传感器信息融合技术就是计算机充分利用各传感器资源，通过对各种量测信息的合理支配和使用，在空间和时间上把互补与冗余信息依据某种优化准则结合起来，产生对观测环境的一致性解释或描述，同时产生新的融合结果。在环境感知模块，视觉传感器和毫米波雷达是常用的两种传感器。视觉传感器检测范围广、能够获得外界环境中目标的尺寸和轮廓信息，但它易受外界因素影响，存在目标缺失问题。而毫米波雷达分辨率高、抗干扰能力强，可在各种天气环境下准确获得目标的距离、相对速度和方位角信息，但不能识别目标形状和大小，因此，利用这种互补特性融合两者信息，得到更加全面、可靠的环境信息。而空间对准是两者信息融合的前提。空间对准实质是估计摄像机和雷达坐标系间的变换矩阵关系。目前，传统空间对准方法中，在20米的标定距离范围内，在不同的距离点上，随机对目标上的点进行探测，分别得到目标在摄像机中的坐标系表达和雷达坐标系中的表达，根据两个传感器获取的数据，估计由缩放比例因子、焦距等构成的摄像机内部参数矩阵以及旋转矩阵、平移向量构成的摄像机外部参数矩阵，该计算过程比较繁琐，也容易引入误差；另外，根据上述算法对超过20米的标定距离的目标进行求解变换矩阵时，由于范围较大，因此巨大的误差，导致空间对准失败。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供 了，能够在较大的标定距离范围内实现无人车装载的摄像机和毫米波雷达的空间对准，同时还能简化求解单应性变换矩阵的计算过程。本专利技术的，包括如下步骤步骤1:建立摄像机坐标系与毫米波雷达坐标系之间的基于单应性变换矩阵的关系定义摄像机的图像坐标系O' uv，其中O'位于摄像机成像平面的左上角；u轴与摄像机扫描行方向平行轴垂直于摄像机扫描行方向；定义O P Θ为毫米波雷达极坐标系，O为毫米波雷达表面的中心；P为目标与毫米波雷达间的直线距离；Θ为目标偏离毫米波雷达扫描平面中心线的角度，则摄像机的图像坐标系O' Uv与毫米波雷达极坐标系O P Θ之间关系表示为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单应性变换矩阵的分段空间对准方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立摄像机坐标系与毫米波雷达坐标系之间的基于单应性变换矩阵的关系：定义摄像机的图像坐标系O′uv，其中O′位于摄像机成像平面的左上角；u轴与摄像机扫描行方向平行；v轴垂直于摄像机扫描行方向；定义O″″ρθ为毫米波雷达极坐标系，O″″为毫米波雷达表面的中心；ρ为目标与毫米波雷达间的直线距离；θ为目标偏离毫米波雷达扫描平面中心线的角度，则摄像机的图像坐标系O′uv与毫米波雷达极坐标系O″″ρθ之间关系表示为：uv1=Nρsinθρcosθ1---(7)其中，N=n11n12n13n21n22n23n31n32n33,定义为单应性变换矩阵；步骤2：确定无人车与标定目标之间的合适的标定距离：定义O″″XrYrZr表示毫米波雷达直角坐标系，O″″为毫米波雷达表面的中心；Yr轴为毫米波雷达扫描平面中心线，垂直于毫米波雷达表面，指向正前方；Xr轴与Yr垂直，指向右侧；Zr轴垂直于Xr、Yr确定的平面，指向上方；则毫米波雷达直角坐标系和毫米波雷达极坐标系之间的关系为：XrYr1=ρsinθρcosθ1---(7)′标定目标与无人车的距离在毫米波雷达直角坐标系纵轴Yr上的投影称为标定距离；在毫米波雷达的探测范围内，根据无人车的最大运动速度，确定合适的标定距离L；将标定距离L由近到远分为近距范围L1和远距范围L2，在近距范围L1内，将其均分成m1段，在远距范围L2内，将其均分成m2段，且保 证L1/m1小于L2/m2；步骤3：通过无人车中装载的摄像机和毫米波雷达分别采集标定目标的图像和数据信息：将标定目标分别放置在步骤2中将标定距离L分成的不同分段处，毫米波雷达和摄像机分别对上述m1+m2段距离处的目标进行探测，在探测时，针对每段距离处的目标，将目标沿Yr轴方向均分成m行，再将每一行沿Xr轴方向均分成h小段，控制毫米波雷达获取每个小段的坐标数据(XMrk，YMrk)，控制摄像机拍摄每小段的图像数据fkM，其中M＝1,...,(m1+m2)，k＝1,2,...,mh；步骤4：针对步骤3中摄像机获得的每一个分段内每一个小段的图像数据fkM，分别计算图像的质心坐标(ukM,vkM)；步骤5：求解表示毫米波雷达坐标系与摄像机坐标系之间关系的单应性空间变换矩阵：针对整个标定距离L中分出的每一段距离获得的所有小段对应的毫米波雷达坐标数据(YMrk)和摄像机的图像数据(uMk,vMk)组成每个分段内对应的数据集，将每个数据集分别代入到式（7）和(7)′中，得到：u1M···ukM=Xr1MYr1M1·········XrkMYrkM1n11Mn12Mn13M---(8)v1M···vkM=Xr1MYr1M1·········XrkMYrkM1n21Mn22Mn23M---(9)和1···1=Xr1MYr1M1·········XrkMYrkM1n31Mn32Mn33M---(10)定义PM=Xr1MYr1M1·········XrkMYrkM1,NM=n11Mn21Mn31Mn12Mn22Mn32Mn13Mn23Mn33MT,UM=u1M···ukMT,VM=v1M···vkMT,Ik×1＝[...

【技术特征摘要】
1.一种基于单应性变换矩阵的分段空间对准方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤1:建立摄像机坐标系与毫米波雷达坐标系之间的基于单应性变换矩阵的关系定义摄像机的图像坐标系O' UV，其中O'位于摄像机成像平面的左上角；u轴与摄像机扫描行方向平行；v轴垂直于摄像机扫描行方向； 定义O P Θ为毫米波雷达极坐标系，O为毫米波雷达表面的中心；P为目标与毫米波雷达间的直线距离；Θ为目标偏离毫米波雷达扫描平面中心线的角度，则摄像机的图像坐标系O' Uv与毫米波雷达极坐标系O P Θ之间关系表示为2.如权利要求1所述的一种基于单应性变换矩阵的分段空间对准方法，其特征在于，当步骤2的标定距离为50米时，0-20米为近距范围，均分成4段；20-50米为远距...

【专利技术属性】
技术研发人员：付梦印，靳璐，杨毅，宗民，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
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