CN104865578B - 一种室内停车场高精细地图生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种室内停车场高精细地图生成装置及方法，包括装置支架、广角摄像头、单线激光雷达、航位推算传感器和主控计算机，其中，广角摄像头用于采集停车场的地面图像数据以生成最终的正射影像图；单线激光雷达用于采集停车场水平方向环境结构信息，作为同时定位与地图创建算法的输入，服务于定位与建图；航位推算传感器用于结合采集车的车辆模型对采集车位姿进行预测，亦作为同时定位与地图创建算法的输入；主控计算机用于采集各传感器数据，依据同时定位与建图算法获取定位信息，建立正射影像与位姿的对应序列并生成停车场高精细地图。本发明利用同时定位与建图技术，解决室内环境下的定位问题，实现室内停车场高精细地图创建。

Description

一种室内停车场高精细地图生成装置及方法

技术领域

本发明涉及地图生成装置，具体地，涉及一种基于同时定位与建图技术的停车场高精细地图生成装置及方法。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的提高和车辆的普及，交通效率低下已成为制约人们日常生活乃至社会发展的严重问题。停车场作为车辆日常应用中最常见的环境，也面临着同样的问题。并且，伴随着停车场规模的日益扩大，驾驶员和乘客在寻找车位、车辆定位与导航上正面临越来越严峻的考验。

现有的数字地图形式通常为道路地图，其范围往往局限于室外车行道路，且其精度多为道路及别，所能够提供的信息量极其有限，仅能用作室外导航与不精确定位，对驾驶员起到的辅助驾驶作用有限，无法满足停车场环境下对车辆精确定位与导航的需求。

现有的停车场地图创建方法大多数都依赖人工测绘与手动处理，其测绘操作繁琐，且人工修正效率底下，难以应用到大规模、城市级数量的停车场地图创建中去。即便已有的停车场地图数据，其表达形式大多仅能起到地图的标识作用，与实际的车辆应用联系不够紧密，难以适应车辆未来发展方向，如辅助驾驶、无人车等。

此外，传统的车载感知地图创建系统，其定位手段往往依赖高精细GPS提供精确的定位结果，由于与基站通信距离的限制只能在基站附近一定范围内应用，且环境必须为露天空旷等不会影响GPS信号获取的场景。受基于GPS的定位手段的限制，室内停车场的地图创建需要一种不同于传统建基于GPS定位的方式来实现地图创建时的定位问题，否则便无法实高效低成本的地图创建。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种室内停车场高精细地图生成装置及方法，能够提供快速的建图过程和准确的建图结果，所得的停车场地图可直接应用于车辆在停车场中的定位与导航。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种室内停车场高精细地图生成装置，包括装置支架，单线激光雷达，广角摄像头，由惯性测量单元和里程计组成的航位推算传感器，以及主控计算机；

所述装置支架，用于装载单线激光雷达、广角摄像头、航位推算传感器中的惯性测量单元；装置支架搭载在车顶上，所述装置支架及其上的单线激光雷达、广角摄像头和惯性测量单元构成采集装置；

所述单线激光雷达，用于扫描并获取车辆所处停车场的环境信息；

所述广角摄像头，用于获取车身周围的地面图像数据；

所述航位推算传感器，用于测量采集装置的位姿变化，作为同时定位与地图创建算法的输入数据之一；其中：惯性测量单元用于测量车辆的偏航角速度；里程计用于测量搭载采集装置的车辆轮胎所转动的圈数，经过折算系数得到搭载采集装置的车辆的行驶里程；

所述主控计算机，用于存储单线激光雷达、广角摄像头、航位推算传感器采集的数据，在采集完成后运行同时定位与地图创建算法，以获取建立正射影像地图所需的定位信息并建立停车场的栅格地图；运行正射影像地图的拼接融合算法，进而建立停车场的高精细地图。

优选地，所述同时定位与地图创建算法，包含基于粒子滤波器的前端和基于图优化的后端，其中：前端用于生成基本占据栅格地图与定位信息，后端用于优化前端结果获得最为可靠的定位信息并矫正占据栅格地图。

优选地，所述获取停车场正射影像地图所需的定位信息来源于同时定位与地图创建算法；所述占据栅格地图亦为同时定位与地图创建算法的结果。

更优选地，所述定位信息与所述正射影像地图为通过时间一一对应的序列，以确保每张正射影像图都映射于正确的位置。

优选地，所述高精细地图，是结合停车场正摄影像地图与占据栅格地图得到的停车场高分辨率二维地图，在包含地面信息的同时也包含停车场的环境结构信息，并在此基础上通过地理信息系统软件对地面信息进行了标注，使其包含了可通行区域、车道线、地面交通标示以及停车位的停车场所有地面环境信息。

优选地，所述装置支架安装于车辆顶部，采用快速装卸机构作为单线激光雷达、广角摄像头、惯性测量单元搭载平台，对于有无车顶行李架的车辆均能实现快速安装。

优选地，所述单线激光雷达安装于装置支架中心；单线激光雷达采用可靠探测距离超过30米、扫描角度为270°，角度分辨率为0.25°的激光雷达，其扫描平面为水平面，且扫描平面不受广角摄像头遮挡。

优选地，所述广角摄像头采用放置朝向分别为装置前侧、后侧、左侧和右侧的摄像头，其水平视角为150°。

更优选地，所述广角摄像头的视角向下倾斜，主视场用于覆盖地面且相邻摄像头的视场存在重叠区域；各广角摄像头的影响经过畸变矫正及透视变换后形成地面的正射影像，再通过图像拼接融合形成装置周围的正射影像。

优选地，所述航位推算传感器中：

惯性测量装置安装于装置支架中心、单线激光雷达正下方；

里程计安装于车辆后轮外侧，与后轮轮轴共轴，并随车轮转动。

优选地，所述主控计算机放置于车内，并通过数据线与单线激光雷达、广角摄像头、里程计和惯性测量单元相连。

本发明还提供一种室内停车场高精细地图生成方法，所述方法使用广角摄像头拍摄地面的正射影像，同时获取航位推算传感器和激光雷达的数据作为同时定位与建图算法的输入，得到正射影像序列所对应的采集装置位姿序列，并通过图像拼接融合技术，结合正射影像图与占据栅格地图，通过地理信息系统软件对停车场地理信息进行标注后，形成最终的停车场高精细地图。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明使用广角相机拍摄地面的正射影像，同时获取航位推算传感器和激光雷达的数据作为同时定位与建图算法的输入，得到正射影像序列所对应的采集装置位姿序列，并通过图像拼接融合技术，结合正射影像图与占据栅格地图，通过地理信息系统软件对停车场地理信息进行标注后，形成最终的停车场高精细地图。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较佳实施例的结构示意图；

图中：1为装置支架，2为广角摄像头，3为单线激光雷达，4为激光雷达支架，5为主控计算机，6为里程计，7为惯性测量装置；

图2为本发明一实施例中停车场高精细地图的数据采集及创建流程。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种室内停车场高精细地图生成装置，整个装置的大小为1.9m×0.3m×0.3m，包括装置支架1、广角摄像头2、单线激光雷达3、激光雷达支架4、主控计算机5、里程计6和惯性测量单元7，其中：装置支架1、广角摄像头2、单线激光雷达3、激光雷达支架4和惯性测量单元7组成采集装置并安置于车顶；主控计算机5安置于车内；里程计6安置于车辆一侧后轮；单线激光雷达3、广角摄像头2、里程计6和惯性测量单元7均由车内电源统一供电，且数据线均接于主控计算机5。

所述装置支架1，安装于车辆上方，用可以快速安装拆卸的机构与车顶相连并固定；所述装置支架1的安装方式以确保单线激光雷达3扫描平面的水平，并确保采集装置不会因车体晃动发生移位。

所述广角摄像头2共四台，分别朝向车辆前侧、后侧、左侧和右侧，且分别安置于装置支架1的左、右两端，以及激光雷达支架4的前、后两侧；所述广角摄像头2的俯角需根据采集车辆的具体高度进行调节，以确保广角摄像头2的主视角包含车辆四周的主要地面范围，并且每个广角摄像头2与其相邻的广角摄像头2都存在重叠区域，以便之后的正射影像拼接。在其他实施例里，广角摄像头2的台数可以少于或者多余4台，以能够完全覆盖车身四周地面为准，具体视实际情况而定。

所述单线激光雷达3，安装于激光雷达支架4上方，其扫描平面为水平面，且其扫描角度范围的角平分线与车辆纵轴线平行；所述单线激光雷达3的扫描角度为270度、最大扫描距离超过30米；安装于所述装置支架1上的单线激光雷达3高度不宜过高，避免碰触停车场内的高度限制装置，以免单线激光雷达3损坏。

所述激光雷达支架4，内部预留有用于安装惯性测量装置7的空间，且保证单线激光雷达3的扫描平面不被装置支架1上的广角摄像头2所遮挡。

所述主控计算机5，通过数据线采集单线激光雷达、广角摄像头、里程计和惯性测量单元的信息，并利用时间戳将数据存储为与时间相关联的序列，作为之后处理的对应依据；所述主控计算机5上装有基于同时定位与地图创建技术的占据栅格地图生成及定位软件，在获取了单线激光雷达3数据及航位推算传感器数据后，依次运行基于粒子滤波的同时定位与地图创建步骤及基于图优化的优化步骤，从而得到经过优化的采集车位姿序列以及停车场全局占据栅格地图；运行正射影像地图的拼接融合算法，进而建立停车场的高精细地图。

所述惯性测量单元7和里程计6组成航位推算传感器，航位推算传感器用于测量采集装置的位姿变化，作为同时定位与地图创建算法的输入数据之一；其中：

所述惯性测量单元7用于测量车辆的偏航角速度；其安装于单线激光雷达3正下方、激光雷达支架4内部；

所述里程计6用于测量搭载采集装置的车辆轮胎所转动的圈数；其通过固定装置将转动部分与后轮相连，且转动轴与后轮共轴，非转动部分由固定支架黏贴与车身，通过数据线将信息传给主控计算机5，并经过折算系数得到搭载采集装置的车辆的行驶里程。

如图2所示，为本发明一实施例中停车场高精细地图生成流程图，整个流程分为两个部分：传感器环境信息数据的采集，以及数据处理和地图生成；

具体步骤如下：

步骤1、传感器配置如图1所示，数据采集车将采集装置安装于车顶，主控计算机5安装于车内，里程计6安装于车辆一侧后轮，并将传感器与主控计算机5用数据线相连；

步骤2、数据采集：

开动数据采集车在停车场内行驶，其路线确保覆盖停车场的所有范围，并保证广角摄像头2可以在沿路采集所有车位信息；此外还应确保行驶路线中包含环路，以保证基于同时定位与地图创建技术生成的定位结果的精度；

步骤3、正射影像序列生成：

分别标定广角四台广角摄像头2的内外参与畸变系数，完成广角摄像头2的畸变矫正、正射投影与图像拼接，根据采集的时间戳信息获得正射影像序列；

步骤4、在主控计算机5上运行同时定位与地图创建算法，其输入为单线激光雷达3数据和航位推算传感器数据，其输出为停车场全局占据栅格地图以及数据采集车行驶过程中的位姿序列，即采集装置的位姿序列，该位姿序列即为关联正射影像、创建全局正射影像地图的核心依据；

步骤5、结合位姿序列与影像序列生成全局正射影像图，其中涉及图像的拼接与融合，在此基础上结合占据栅格地图划分可通行区域与被占据区域，形成全局正射影像地图；

步骤6、利用地理信息系统软件对全局正射影像地图中的地理信息进行标注，包括车位信息、车道线、地面交通标志，生成最终的停车场高精细地图。

本发明使用广角相机拍摄地面的正射影像，同时获取航位推算传感器和激光雷达的数据作为同时定位与建图算法的输入，得到正射影像序列所对应的采集装置位姿序列，并通过图像拼接融合技术，结合正射影像图与占据栅格地图，通过地理信息系统软件对停车场地理信息进行标注后，形成最终的停车场高精细地图。本发明利用同时定位与建图技术，解决了室内环境下的定位问题，实现了室内停车场的高精细地图创建，装置安装简便，不受搭载平台限制，高精细地图的创建自动化程度高。通过本发明能够提供快速的建图过程和准确的建图结果，所得的停车场地图可直接应用于车辆在停车场中的定位与导航。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种室内停车场高精细地图生成装置，其特征在于，包括：装置支架，单线激光雷达，广角摄像头，由惯性测量单元和里程计组成的航位推算传感器，以及主控计算机；其中：

所述装置支架，用于装载单线激光雷达、广角摄像头、航位推算传感器中的惯性测量单元；装置支架搭载在车顶上，所述装置支架及其上的单线激光雷达、广角摄像头和惯性测量单元构成采集装置；

所述单线激光雷达，用于扫描并获取车辆所处停车场的环境信息；

所述广角摄像头，用于获取车身周围的地面图像数据；

所述航位推算传感器，用于测量采集装置的位姿变化，作为同时定位与地图创建算法的输入数据之一；其中：惯性测量单元用于测量车辆的偏航角速度；里程计用于测量搭载采集装置的车辆轮胎所转动的圈数，经过折算系数得到搭载采集装置的车辆的行驶里程；

所述主控计算机，用于存储单线激光雷达、广角摄像头、航位推算传感器采集的数据，在采集完成后运行同时定位与地图创建算法，以获取建立正射影像地图所需的定位信息并建立停车场的栅格地图；运行正射影像地图的拼接融合算法，进而建立停车场的高精细地图；

所述同时定位与地图创建算法，包含基于粒子滤波器的前端和基于图优化的后端，其中：前端用于生成基本占据栅格地图与定位信息，后端用于优化前端结果获得最为可靠的定位信息并矫正占据栅格地图；

所述获取停车场正射影像地图所需的定位信息来源于同时定位与地图创建算法；所述占据栅格地图亦为同时定位与地图创建算法的结果；

所述定位信息与所述正射影像地图为通过时间一一对应的序列，以确保每张正射影像图都映射于正确的位置；

所述高精细地图，是结合停车场正摄影像地图与占据栅格地图得到的停车场高分辨率二维地图，在包含地面信息的同时也包含停车场的环境结构信息，并在此基础上通过地理信息系统软件对地面信息进行了标注，使其包含了可通行区域、车道线、地面交通标示以及停车位的停车场所有地面环境信息。

2.根据权利要求1所述的一种室内停车场高精细地图生成装置，其特征在于，所述装置支架安装于车辆顶部，采用快速装卸机构作为单线激光雷达、广角摄像头、惯性测量单元搭载平台，对于有无车顶行李架的车辆均能实现快速安装。

3.根据权利要求1所述的一种室内停车场高精细地图生成装置，其特征在于，所述单线激光雷达安装于装置支架中心；单线激光雷达采用可靠探测距离超过30米、扫描角度为270°，角度分辨率为0.25°的激光雷达，其扫描平面为水平面，且扫描平面不受广角摄像头遮挡。

4.根据权利要求1所述的一种室内停车场高精细地图生成装置，其特征在于，所述广角摄像头采用放置朝向分别为装置前侧、后侧、左侧和右侧的摄像头，其水平视角为150°。

5.根据权利要求4所述的一种室内停车场高精细地图生成装置，其特征在于，所述广角摄像头的视角向下倾斜，主视场用于覆盖地面且相邻摄像头的视场存在重叠区域；各广角摄像头的影响经过畸变矫正及透视变换后形成地面的正射影像，再通过图像拼接融合形成装置周围的正射影像。

6.根据权利要求1所述的一种室内停车场高精细地图生成装置，其特征在于，所述航位推算传感器中：

惯性测量装置安装于装置支架中心、单线激光雷达正下方；

里程计安装于车辆后轮外侧，与后轮轮轴共轴，并随车轮转动。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述装置的室内停车场高精细地图生成方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、数据采集车将装置支架、单线激光雷达、广角摄像头和惯性测量单元安装于车顶，主控计算机安装于车内，里程计安装于车辆一侧后轮，并将传感器与主控计算机用数据线相连；

步骤2、数据采集：

开动数据采集车在停车场内行驶，其路线确保覆盖停车场的所有范围，并保证广角摄像头在沿路采集所有车位信息；此外行驶路线中包含环路，以保证基于同时定位与地图创建技术生成的定位结果的精度；

步骤3、正射影像序列生成：

分别标定所需数目的广角摄像头的内外参与畸变系数，完成广角摄像头的畸变矫正、正射投影与图像拼接，根据采集的时间戳信息获得正射影像序列；

步骤4、在主控计算机上运行同时定位与地图创建算法，其输入为单线激光雷达数据和航位推算传感器数据，其输出为停车场全局占据栅格地图以及数据采集车行驶过程中的位姿序列即采集装置的位姿序列，该位姿序列即为关联正射影像、创建全局正射影像地图的核心依据；

步骤5、结合位姿序列与影像序列生成全局正射影像图，其中涉及图像的拼接与融合，在此基础上结合占据栅格地图划分可通行区域与被占据区域，形成全局正射影像地图；

步骤6、利用地理信息系统软件对全局正射影像地图中的地理信息进行标注，包括车位信息、车道线、地面交通标志，生成最终的停车场高精细地图。