CN108132025B - 一种车辆三维轮廓扫描构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆三维轮廓扫描构建方法，采用一部顶装在车道上的激光雷达对沿车道行驶的车辆进行多次单面扫描，包括如下步骤：当车辆通过扫描平面时候，驱动激光雷达对该车辆进行多个截面的测量；每个截面测量时，获取激光雷达的对应帧的距离数据，利用该距离数据获取以激光雷达为固连坐标系的该截面的车辆轮廓点的二维坐标信息；基于车辆轮廓点的二维坐标信息获取车辆的运动速度V；根据每个截面的车辆轮廓点的二维坐标信息和车辆的运动速度，获得以车辆为固连坐标系的每个截面车辆轮廓点的三维坐标信息。本发明提供了仅使用一台顶装激光雷达设备获得精细的车辆三维轮廓的解决方案。

Description

一种车辆三维轮廓扫描构建方法

技术领域

本发明属于智能交通技术领域，具体涉及一种车辆三维轮廓测量的方法和装置。

背景技术

激光雷达是一种用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。随着智能交通领域的飞速发展，激光雷达设备因为具备很强的抗干扰性、更好的测量精度、更长的使用寿命和稳定性，已被广泛认可，有着越来越多的应用。如在公路交通上，通过激光雷达扫描通过的车辆，测量三维轮廓等各类车辆属性参数等。

本说明书中所提及的激光雷达均表示单扫描面的雷达设备。同时，把车辆前进方向定为纵向,在车辆运动平面内垂直于纵向的方向称为横向,垂直于运动平面的方向称为垂向。

现有对车辆三维轮廓测量的激光雷达大致分为以下两种安装方式：

第一种方式是使用两台激光雷达，分别通过顶装和侧装方式，扫描车辆顶部和侧身。如图1所示，顶装激光雷达扫描车身横向，侧装激光雷达扫描车辆垂向，结合车辆的纵向的运动，实现了车身三维轮廓的重构。该方法能够获取车辆三维轮廓，但无法精确获得车速。在没有车速的情况下，无法判断每次扫描的纵向间隔距离。同时，由于垂直于车身的横向扫描，在速度较高时，容易丢失车辆在横向的一些特征，例如图1中(B)(C)中车头和车身部分的间隙，就可能被漏扫丢失。

另一种采用采用两台顶装的激光雷达，如图2所示。例如，中国专利申请CN104361752A公开了一种自由流收费的激光扫描车型识别方法，其中一台激光雷达扫描平面平行于车道方向，进行车辆纵向扫描；另一台激光雷达的扫描平面与车道方向成一定夹角，进行与纵向呈一定夹角的斜向的扫描。由于该方法通过纵向扫描，可测得较为精确的车辆纵向位移信息。

综合而言，上述车辆轮廓扫描的实现方法，为了获得精细的车辆三维轮廓，均使用了多台激光雷达设备，这带来了安装施工方面的复杂度以及设备采购、维护成本的上升。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种车辆三维轮廓扫描构建方法，仅使用一台顶装激光雷达设备，即可获得精细的车辆三维轮廓，为车辆检测提供有效数据。

本发明的技术方案如下：

一种车辆三维轮廓扫描构建方法，其特征在于，采用一部顶装在车道上的激光雷达对沿车道行驶的车辆进行多次单面扫描，其扫描平面大致垂直于地面，所述方法包括如下步骤：

步骤A，当车辆通过扫描平面时候，驱动激光雷达对该车辆进行多个截面的测量；

步骤B，每个截面测量时，获取激光雷达的对应帧的图像数据，利用该图像数据获取以激光雷达为固连坐标系的该截面的车辆轮廓点的二维坐标信息；

步骤C，基于车辆轮廓点的二维坐标信息获取车辆的运动速度V；

步骤D，根据每个截面的车辆轮廓点的二维坐标信息和车辆的运动速度，获得以车辆为固连坐标系的每个截面车辆轮廓点的三维坐标信息，

其中，所述基于车辆轮廓点的二维坐标信息获取车辆的运动速度方法为：|V|＝|L|sin(α)/ΔT，其中L为两个相邻扫描帧在车身上扫描长度的差值，ΔT为两个扫描帧的时间差，所述两个扫描帧为同对车头或同对车尾进行斜向扫描的扫描帧，同时近似认为车辆匀速通过激光雷达扫描平面，

其中，根据每个截面的车辆轮廓点的二维坐标信息和车辆的运动速度，获得以车辆为固连坐标系的每个截面车辆轮廓点的三维坐标信息的表达形式为：

xMI＝XMI·cos(α)，

yMI＝XMI·sin(α)+(M-1)·V/F，

zMI＝H-YMI·cos(β)，

其中，XMI、YMI为第M帧扫描中第I个扫描轮廓点在激光雷达固连坐标系上二维坐标，xMI、yMI、zMI为第M帧扫描中第I个扫描轮廓点在车辆固连坐标系上的三维坐标，H为激光雷达距离地面的高度，α为激光扫描平面与车道横截面的夹角，β为激光雷达的Y轴与地面垂直线的夹角，F为激光雷达扫描频率，

其中，激光雷达固连坐标系定义为：

原点：激光雷达发射的每条激光束的源点所在的位置，

Y轴：假定激光雷达每帧扫描共发射N条激光束，那么第N/2条激光束即为Y轴，且激光束的发射方向为正向，

X轴：激光扫描平面为X-Y平面，通过原点垂直于Y轴即为X轴，且扫描方向为X轴的正向，

其中，车辆固连坐标系定义为：

原点：激光雷达扫描获得车辆第一个有效扫描点的那一时刻，激光雷达固连坐标系的原点在地面的投影位置为车辆固连坐标系的原点，该原点与车辆保持相对静止，

x轴：通过原点垂直于车道的方向为方向，与激光雷达的扫描方向相同的方向为正向，

y轴，通过原点平行于车道的方向，车辆行车方向为负向，

z轴，通过原点垂直于地面的方向，指向天空的方向为正向。

基于上述车辆三维轮廓扫描构建方法，其技术效果如下：

1、仅基于一台倾斜设置的激光雷达设备获得精细的车辆三维轮廓，该方法所需要的硬件建议，购置和维护成本低，安装和施工较为简易；

2、提供了一种基于一部倾斜设置的激光雷达测量车辆速度的方法；

3、本方法考虑了雷达动态扫描过程中，车辆动态运动对车辆三维轮廓的影响，并对此进行了修正，使得车辆三维轮廓更为精确；

附图说明

图1是现有技术中激光扫描雷达第一种安装方式示意图，其中图a、图b、图c分别为正视图、侧视图和俯视图。

图2是现有技术中激光扫描雷达第二种安装方式示意图，其中图a、图b、图c分别为正视图、侧视图和俯视图。

图3是本发明中激光扫描雷达的安装方式示意图，其中图a、图b、图c分别为正视图、侧视图和俯视图。

图4为本发明中激光扫描点在车辆视角和雷达视角的扫描图对比，图a为车辆视角扫描图，图b为雷达视角扫描图。

图5为本发明中激光雷达在扫描车头部位的扫描线示意图。

图6为本发明中激光雷达为车辆速度对扫描点位移变化影响的示意图。

图7为本发明中对货车进行的三维轮廓扫描所生成的点阵图，图a为俯视图，图b为纵向切片的测视图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

在介绍本发明车辆三维轮廓扫描构建方法之前，首先来介绍本发明实施所需要的硬件。如图3所示，使用一台激光雷达设备，通过顶装的方式，其扫描平面大致垂直于地面，向下扫描车道。激光雷达扫描平面与车道横截面(与车辆行驶方向垂直的平面)设定一定夹角α(称为扫描偏移角)，角度可自由设置。扫描偏移角α的范围建议设定为30°～60°之间，过小或过大的角度可能会导致误差增加。激光雷达扫描平面不强制要求与地面垂直，可以有一定的第二偏移角度β。但是，为避免因扫描距离过大导致的精度降低和误差增加，建议第二偏移角度β控制在-15°～15°范围即可，实际工程安装时只需要大概垂直于地面即可。由于扫描平面和车辆通过的垂直平面(车道横截面)之间存在一个扫描偏移角α，所以激光雷达扫描车辆得到倾斜的切割扫描数据。

基于上述硬件，车辆三维轮廓扫描构建方法原理为：当车辆行驶通过激光扫描平面时，激光雷达多次测量车辆的不同位置，即进行多个截面的测量，每个截面测量时，获取激光雷达的对应帧的图像数据，进一步获得截面车辆轮廓上各扫描点的距离和角度数据(以激光雷达固连的极坐标系为参考)。然后，将车辆轮廓上各扫描点的距离和角度转换成二维坐标数据(以激光雷达固连的笛卡尔坐标系为参考)，再根据车速和激光雷达扫描平面的角度转换成车辆轮廓上各扫描点的三维坐标数据(以车辆固连的笛卡尔坐标系为参考)。

为获取车辆速度，可采取多种现有的公知手段，如添加其他车速辅助测量设备对车速进行直接测量。当然也可基于激光雷达提供的测量数据进行车速测量的方法，同时近似认为车辆匀速通过激光雷达扫描平面。比如中国专利申请CN1605033A就公开了一种针对车辆行驶方向上中显著的纵向位置在一定时间的位置改变来计算车辆的速度的方法。本发明提供了一种针对激光雷达扫描线长度变化计算车速的方法。如图4和图5所示，从雷达扫描视图看，车辆驶入扫描区域时，扫描线不断增加，直到最大值。当车辆车头部分驶离扫描区域时，扫描线不断减小，直到消失。根据这样的变化，可以计算得出车辆的车速。由于车辆头部大致呈方形，车辆平行于车道方向行驶，则车辆俯视图的头部为方形，激光雷达的扫描频率为F，那么计算方法如下：查找图5中相邻不等长的两条扫描线AB、CD；比较两条扫描线长度，计算长度差DE＝CD-AB；计算车辆纵向的行驶距离BD＝DE·sin(α)；因激光雷达扫描间隔固定，故两次扫描之间的时间差为ΔT＝1/F；计算车辆行驶速度V＝BD/ΔT。为提高车速的计算精度，可以对所有满足条件的扫描线进行速度计算，然后加权处理，以减少扫描误差导致车速计算的误差。和车头一样，车辆尾部也大致呈方形，上述方法同样可引申通过扫描平面扫描车尾的信息计算车辆的速度，这里不再详述。

车辆三维轮廓扫描构建中，需要根据每个截面的车辆轮廓点的二维坐标信息和车辆的运动速度，获得以车辆为固连坐标系的每个截面车辆轮廓点的三维坐标信息。对于激光雷达，扫描点坐标为以激光雷达为基准的、以距离和角度为变量的极坐标系，将扫描点坐标从极坐标系转换为以激光雷达为基准的正交的二维坐标系(激光雷达固连坐标系)，扫描的每个点P坐标表示为(X，Y)；目标坐标系为以车辆为基准的三维正交坐标系(车辆固连坐标系)，每个点P在第二坐标系上的坐标表示为(x,y,z)。同时，车辆行驶的速度为V，激光雷达的扫描频率为F，激光雷达距离地面的高度为H。定义激光雷达第M帧扫描的数据点集为：{P_M1，P_M2，P_M3，…，P_MN}，分别对应坐标(X_MN，Y_MN)，这里N为每个帧内的扫描点总数。根据这些条件，对任意扫描点P_MI(X_MI,Y_MI)点，坐标转换的计算公式为：

x_MI＝X_MI·cos(α)；

y_MI＝X_MI·sin(α)+(M-1)·V/F；

z_MI＝H-Y_MI·cos(β)；

这里，激光雷达固连坐标系定义为：

原点：激光扫描仪的发射的每条激光束的源点所在的位置；

Y轴：假定激光扫描仪每帧扫描共发射N条激光束，那么第N/2条激光束即为Y轴；且激光束的发射方向为正向；

X轴：激光扫描平面为X-Y平面，通过原点垂直于Y轴即为X轴，且扫描方向为X轴的正向。

这里，车辆固连坐标系定义为：

原点：在激光扫描仪扫描获得车辆第一个有效扫描点的那一时刻，激光扫描仪固连坐标系的原点在车道所在平面(地面)的投影位置为车辆固连坐标系的原点，该原点与车辆保持相对静止，随车辆的变化而变化；

x轴：通过原点垂直于车道的方向为方向，与激光扫描仪的扫描方向相同的方向为正向；

y轴，通过原点平行于车道的方向，车辆行车方向为负向；

z轴，通过原点垂直于地面的方向，指向天空的方向为正向。

以上y_MI的计算公式是一个近似公式，在车速较低的情况下，可以接受。若车速较高，则使用此公式的精确度将降低。这是由于车辆在行驶过程中通过激光雷达扫描平面，所以在进行坐标转换时，需要考虑车辆速度V带来的扫描点位移变化，如图6所示。

修正后的y_MI＝X_MI·sin(α)+(M-1)·V/F+(V·(I-K))/(F·N)。

其中，I为第M帧扫描中第I个扫描点，N为每一帧扫描点的总数，K为车辆扫描第一个有效点在所属帧扫描点集的位置，即：可以认为某一扫描帧的第K个扫描点是车辆的第一个有效扫描点。

基于本发明提供的车辆三维轮廓构建扫描方法的构建方法，通过上述方法能够构建车辆的横向截面和纵向截面的多维度特征。例如：货车通过扫描后，生成的点阵图如图7所示。针对图6所示的扫描方向，其相反扫描获得的计算公式是相同的，不再赘述。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进。这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种车辆三维轮廓扫描构建方法，其特征在于，采用一部顶装在车道上的激光雷达对沿车道行驶的车辆进行多次单面扫描，其扫描平面大致垂直于地面，所述方法包括如下步骤：

步骤A，当车辆通过扫描平面时候，驱动激光雷达对该车辆进行多个截面的测量；

步骤B，每个截面测量时，获取激光雷达的对应帧的图像数据，利用该图像数据获取以激光雷达为固连坐标系的该截面的车辆轮廓点的二维坐标信息；

步骤C，基于车辆轮廓点的二维坐标信息获取车辆的运动速度V；

步骤D，根据每个截面的车辆轮廓点的二维坐标信息和车辆的运动速度，获得以车辆为固连坐标系的每个截面车辆轮廓点的三维坐标信息，

其中，所述基于车辆轮廓点的二维坐标信息获取车辆的运动速度方法为：|V|＝|L|sin(α)/ΔT，其中L为两个相邻扫描帧在车身上扫描长度的差值，ΔT为两个扫描帧的时间差，所述两个扫描帧为同对车头或同对车尾进行斜向扫描的扫描帧，同时近似认为车辆匀速通过激光雷达扫描平面，

其中，根据每个截面的车辆轮廓点的二维坐标信息和车辆的运动速度，获得以车辆为固连坐标系的每个截面车辆轮廓点的三维坐标信息的表达形式为：

x_MI＝X_MI·cos(α)，

y_MI＝X_MI·sin(α)+(M-1)·V/F，

z_MI＝H-Y_MI·cos(β)，

其中，X_MI、Y_MI为第M帧扫描中第I个扫描轮廓点在激光雷达固连坐标系上二维坐标，x_MI、y_MI、z_MI为第M帧扫描中第I个扫描轮廓点在车辆固连坐标系上的三维坐标，H为激光雷达距离地面的高度，α为激光扫描平面与车道横截面的夹角，β为激光雷达的Y轴与地面垂直线的夹角，F为激光雷达扫描频率，

其中，激光雷达固连坐标系定义为：

原点：激光雷达发射的每条激光束的源点所在的位置，

Y轴：假定激光雷达每帧扫描共发射N条激光束，那么第N/2条激光束即为Y轴，且激光束的发射方向为正向，

X轴：激光扫描平面为X-Y平面，通过原点垂直于Y轴即为X轴，且扫描方向为X轴的正向，

其中，车辆固连坐标系定义为：

原点：激光雷达扫描获得车辆第一个有效扫描点的那一时刻，激光雷达固连坐标系的原点在地面的投影位置为车辆固连坐标系的原点，该原点与车辆保持相对静止，

x轴：通过原点垂直于车道的方向为方向，与激光雷达的扫描方向相同的方向为正向，

y轴，通过原点平行于车道的方向，车辆行车方向为负向，

z轴，通过原点垂直于地面的方向，指向天空的方向为正向。

2.根据权利要求1所述的车辆三维轮廓扫描构建方法，其特征在于，对其车辆固连坐标系的每个截面车辆轮廓点的三维坐标信息进行进一步修正：

y_MI＝X_MI·sin(α)+(M-1)·V/F+(V·(I–K))/(F·N)，

其中，I为第M帧扫描中第I个扫描点，N为每一帧扫描点的总数，K为车辆扫描第一个有效点在所属帧扫描点集中的位置。

Images