CN108445456A - 光达-雷达相对位姿的校准 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采用位于第二位置的雷达系统校准位于第一位置的光达系统的方法和设备。相对于光达系统和雷达系统在某个位置和方向上设置校准目标。确定光达系统的参照系中校准目标的平面系数。确定雷达系统的参照系中校准目标的坐标。由平面方程构造代价函数，平面方程包含确定的系数、确定的坐标和将雷达系统参照系转换成光达系统参照系的相对位姿矩阵。降低代价函数以估计相对位姿矩阵，从而采用雷达系统校准光达系统。

Description

光达-雷达相对位姿的校准
技术领域
本发明涉及用雷达系统获得的测量结果校准光达系统获得的测量结 果的方法。本发明尤其提供一种采用位于第二位置的雷达系统获得的物体 测量结果校准位于第一位置的光达系统获得的物体测量结果的方法及其 设备。
机动车能够使用雷达系统和/或光探测和测距(光达)系统，以便追 踪车辆所处环境中存在的物体。一般情况下，光达在物体成像面方面性能 优异，但在提供物体动态信息方面，例如相对速度，却常常不可靠。另一 方面，雷达一般在提供物体的距离和速度信息方面性能优异，但不擅长解 决物体的成像问题。因此，理想的做法是同时使用光达系统和雷达系统， 在两者的相互配合下，提供尽可能多的物体信息。然而，同时使用雷达系 统和光达系统时，两个系统之间需有必要的间隔距离，这样不可避免地出 现测量差值。因此，优选对光达系统和雷达系统进行校准，以消除测量差 值，这样光达系统和雷达系统可配合用于追踪物体。
发明内容
本发明的示例性实施例中公开了一种采用位于第二位置的雷达系统 校准位于第一位置的光达系统的方法。该方法包括相对于光达系统和雷达 系统在某个位置和方向上提供校准目标。确定光达系统的参照系中校准目 标的平面系数。确定雷达系统的参照系中校准目标的坐标。由平面方程来 构造代价函数，平面方程包含光达系统参照系中校准目标的确定平面系数、 雷达系统参照系中校准目标的确定坐标，及将雷达系统的参照系转换成光 达系统的参照系的相对位姿矩阵。降低代价函数以估计相对位姿矩阵，从 而采用雷达系统校准光达系统。
校准目标包含平面反射区和多个角反射器。多个角反射器可为三个或 三个以上的角反射器。收到来自校准目标的平面反射区的光达反射信号， 按照光达反射信号确定光达系统的参照系中校准目标的平面系数。收到来 自多个角反射器的雷达反射信号，按照雷达反射信号确定雷达系统的参照 系中校准目标的系数。
在一个实施例中，提供位于多个位置和方向的校准目标。针对为多个 位置和方向中的每个确定光达系统的参照系中校准目标的平面系数。针对 多个位置和方向中的每个确定雷达系统的参照系中校准目标的平面坐标。 总和代价函数由各位置和旋转的代价函数总和值构造，其中每个代价函数 均包含目标反射器相关位置和方向的确定系数、确定坐标和相对位姿矩阵。 降低总和代价函数以估计相对位姿矩阵的参数。
在一个实施例中，相对位姿矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵。车辆上同 时搭载了光达系统和雷达系统时，光达系统、雷达系统及估计的相对位姿 矩阵均用于追踪相对于车辆的物体。车辆根据光达系统、雷达系统及估计 的相对位姿矩阵获得的追踪物体的参数进行操纵。
本发明的另一个示例性实施例中公开了一种采用位于第二位置的雷 达系统校准位于第一位置的光达系统的设备。设备包括相对于光达系统和 雷达系统在某个位置和方向上的校准目标。处理器确定光达系统的参照系 中校准目标的系数、确定雷达系统的参照系中校准目标的坐标，由平面方 程来构造代价函数，平面方程包含光达系统的参照系中校准目标的确定系 数、雷达系统的参照系中校准目标的确定坐标、将雷达系统的参照系转换为光达系统的参照系的相对位姿矩阵，降低代价函数以估计相对位姿矩阵， 从而采用雷达系统校准光达系统。
校准目标包括平面反射区和多个角反射器。在一个实施例中，多个角 反射器进一步包括三个或三个以上的角反射器。处理器根据从校准目标的 平面反射区接收到的光达反射信号确定光达系统的参照系中校准目标的 平面系数，并根据从角反射器接收到的雷达反射信号确定雷达系统的参照 系中校准目标的平面坐标。
在一个实施例中，校准目标设置在多个位置和旋转角度，并且所处理 器：针对多个位置和方向中的每个确定光达系统的参照系中校准目标的平 面系数；针对多个位置和方向中的每个确定雷达系统的参照系中校准目标 的平面坐标；构造总和代价函数以包含多个位置和方向中的每个的代价函 数总和值，其中每个代价函数包含目标反射器相关位置和方向的确定系数、 确定坐标和相对位姿矩阵；及降低总和代价函数以估计相对位姿矩阵的参 数。
相对位姿矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵。在一个实施例中，车辆上同 时搭载光达系统和雷达系统，且进一步设置处理器，以通过光达系统、雷 达系统及估计的相对位姿矩阵追踪相对于车辆的物体。处理器根据通过光 达系统、雷达系统及估计的相对位姿矩阵获得的追踪物体的参数来操纵车 辆。
结合下述详细说明并参考附图，将会清晰了解本发明的上述特征和优 点以及其他特征和优点。
附图说明
下文结合附图通过示例方式对其他特征、优点和详情进行了说明，其 中附图中：
图1是根据一个实施例同时搭载了光达系统和雷达系统以获取相对 于车辆环境中物体的测量结果的车辆示意图；
图2是根据一个实施例采用位于第二位置的雷达系统校准位于第一 位置的光达系统的系统，其中还示出了校准目标的侧视图；
图3是说明本发明公开的确定光达系统和雷达系统之间相对位姿矩 阵的方法的流程图；及
图4是说明通过校准目标的多个位置和方向确定相对位姿矩阵的另 一种方法的流程图。
具体实施方式
以下仅为本发明及其应用或用途的示例性内容，并不构成对其的限制。
根据本发明的一个示例性实施例，图1的车辆100上同时搭载了光达 系统和雷达系统，以获取相对于车辆环境中物体的测量结果，进而增强对 车辆的驾驶能力。车辆100运行了自动驾驶系统102，该系统包括雷达控 制系统108、控制单元116和防撞系统112。雷达系统108运行了设置在 车辆100上不同位置的多个传感器或换能器，包括雷达换能器器110a和 光达(光雷达)换能器110b。
雷达换能器110a将射频源信号120传输至车辆100前面的流量里。 物体104以从雷达换能器110a接收到的反射射频信号122的形式发射射 频源信号120。物体104可为固定或移动状态，可以是行人、灯柱、其他 车辆、建筑物等。射频源信号120与反射射频信号122之间的差别用于确 定物体104的各种性能，例如相对于车辆100的范围和速度。光达换能器110b将光源信号124传输至车辆100前面的流量里。物体104以从光达 换能器110b接收到的反射光信号126的形式发射光源信号124。光源信 号124和反射光信号126之间的差别用于确定相对于物体104的各项参数。 在各实施例中，光达换能器110b能够用于提供物体104的影像。图上仅 展示了雷达换能器110a和光达换能器110b设置在车辆100前端的情况， 类似系统还能安装在车辆100的后端、侧面等位置。
雷达控制系统108向控制单元116提供雷达测量数据(即射频源信号 120和反射射频信号122数据)和光达测量数据(即光达光源信号124和 反射光信号126数据)。控制单元116可包括一个或多个处理器114。一 个或多个控制器114根据可用于防撞系统112的雷达测量数据和光达测量 数据确定物体的各项参数。
防撞系统112从车辆100已知的内部构件和其他传感器获得车辆100 的输入信息(如速度、制动率、加速度等)，此类信息结合从控制单元 116获得的物体104的各项参数一起使用，以确定避免接触物体104的路 径。然后防撞系统112沿着该路径操纵车辆100，进而使车辆100能在其 所处环境下安全行驶。同时或可选地，当危险行驶条件迫近时，防撞系统112可向车辆100的驾驶员提供警报。
由于车辆上换能器110a和110b的安装位置不同，使用光达系统确定 的参数必须通过雷达确定的参数进行校准。光达换能器110b的参照系中 物体104的确定坐标与雷达换能器110a的参照系中物体104的确定坐标 不同。为对坐标及其相关测量结果进行校准，有必要找到在雷达换能器 110a中心的参照系和光达换能器110b中心的参照系之间进行转化的相对 位姿矩阵。这样的相对位姿矩阵包括相对旋转矩阵和相对平移矩阵。相对 位姿矩阵确定后，可用于校准从雷达换能器110a和光达换能器110b获得 的物体(如物体104)上的测量结果，以提供可追踪物体104的测量结果。
图2是根据一个实施例采用位于第二位置的雷达系统校准位于第一 位置的光达系统的校准系统。在一个实施例中，光达系统202代表图1 中光达换能器110b，而雷达系统204代表图1中雷达换能器110a。光达 系统202和雷达系统204在不同的位置处且具有不同的方向，这导致每个 系统对物体104获得的测量结果存在差值。光达系统202和雷达系统204 均与处理器通信，处理器执行本发明所公开的采用雷达系统204校准光达 系统202的方法。处理器206可以是图1中的处理器114，因此在校准完 成之后就能使用以对车辆100校准随后的光达和雷达测量结果，这样车辆 能够跟踪物体(例如，物体104)并向防撞系统112提供校准数据，防撞 系统使车辆100避免与物体104发生碰撞或撞击。
校准系统220包括校准目标210。校准目标210包括对光达信号具有 较高反射能力的平面发射区212。在平面反射区210的选定位置处，将多 个角反射器214附接在校准反射器210上。角反射器214对雷达信号具有 较高的反射能力。图2中右侧的侧视图是图2中校准目标210的侧视图。 如该侧视图所示，校准目标210制成能使角反射器214的角位于平面反射 区212界定的平面以内。因此，角反射器214的角界定的(且由雷达系统 204测量的)平面基本上与平面反射区210界定的(且由光达系统202测 量的)平面相同。雷达系统204获得由每个角反射器214界定的点的坐标。 由于三点确定一个平面，校准目标210包括至少3个角反射器214。
为校准光达系统202和雷达系统204，校准目标210放在光达系统202 和雷达系统204的观测距离以内的选定位置/地点和方向处上。在各实施 例中，本发明所公开的校准方法采用校准目标210的多个位置和方向。
光达系统202和雷达系统204均确定各自的参照系中校准目标210的 平面坐标。光达系统202由反射区212的反射来确定校准目标210的平面， 而雷达系统204由角反射器214的反射来确定校准目标210的平面。由于 位于光达系统202中心的参照系不同于位于雷达系统204中心的参照系， 因此光达系统202的参照系中校准目标的确定平面坐标与雷达系统204 的参照系中校准目标210的确定平面坐标不同。本发明所述方法确定了相 对位姿矩阵，相对位姿矩阵将雷达系统204的参照系中校准目标210的确 定平面坐标转换成代表光达系统202的参照系中校准目标210的确定平面 坐标。
下文说明一种确定相对位姿矩阵的方法。将校准目标210放在光达系 统202和雷达系统204的视场以内。使用光达系统202探测校准目标210。 使用光达测量结果确定坐标该坐标表示光达系统202的参照系中校准 目标210的平面的点。下标L表示光达参照系。用平面方程aX+bY+cZ-d＝0 得出光达系统204的参照系中平面的方程。该平面方程能够改写成方程 (1)：
其中：
A＝(a，b，c，-d) 方程(2)
是包含平面方程的系数a、b、c和–d的参数矢量；及
包含平面反射区212中点的坐标X、Y和Z。坐标由光达测量结果确 定。参数矢量A的系数能够通过对由平面反射区212中多个点得到的光 达测量结果解方程(1)来确定。在一个实施例中，采用多个光达测量结 果的最小二乘法能求解参数矢量A。
使用雷达系统204从角反射器214处获取多个雷达测量结果。角反射 器214的坐标表示雷达系统204的参照系中校准目标210的平面。下标 R表示雷达参照系。通过乘以相对位姿矩阵P能够在雷达系统204的参照 系中坐标到光达系统的参照系中坐标之间进行转换，如方程(4)中 所示：
相对位姿矩阵P包括旋转矩阵R和平移矢量T，如方程(5)中所示：
其中，
且
T＝(p14 p24 p34)T 方程(7)
一旦确定了相对位姿矩阵及其元素，雷达系统204的坐标就能够转 换成光达系统202的坐标并且能够在方程(1)中使用产生的转换坐标， 以保持方程(1)相等。这样，就能够重新表述为方程(8)：
方程(8)能够改写为
Fp＝0 方程(9)
其中，
p＝(p11 p12 p13 p14 p21 p22 p23 p24 p31 p32 p33 p34)T
方程(10)
能将方程(8)的左侧用在代价函数中并能减小或最小化代价函数， 以便确定相对位姿矩阵P。相对位姿矩阵的旋转矩阵是正交矩阵。为了确 定正交旋转矩阵，能够对旋转矩阵进行奇异值分解，如方程(11)中所示：
R＝USVT 方程(11)
对于以奇异值分解形式写成的矩阵，能够用方程(12)来确定标量值 α：
α＝det(UVT) 方程(12)
这样，旋转矩阵R能够写为
且与旋转矩阵R对应的平移矩阵能够写为
T＝αP(1：3，4)/s11 方程(14)
其中，P(1:3,4)指(p14,p24,p34)，s11为矩阵S的第一行第一列的奇异值。
能由方程(8)的左侧来构造代价函数并能最小化代价函数，以便确 定相对位姿矩阵P。换句话说，将代价函数
最小化以便确定P。在一个实施例中，使用最小二乘法减小代价函数。 在另一个实施例中，能够将校准目标210放在多个位置处，从而得到方程 (15)的多个代价函数。校准目标210的多个方向和位置分别有一个代价 函数。对多个代价函数求和构造总和函数。用相同的相对位姿矩阵对校准 目标的任何位置和/或方向进行坐标转换。因此，总和函数(针对在多个 位置和方向的校准目标)在方程(16)中给出为：
方程(16)的总和函数能最小化或减小以便确定相对位姿矩阵P。
确定相对位姿矩阵P能有效地采用雷达系统204校准光达系统202。 车辆上同时搭载光达和雷达系统时，在利用本发明所述方法确定了相对位 姿矩阵P后，在搭载光达系统202和雷达系统204的车辆100的观测范围 内，相对位姿矩阵P就能用在光达和雷达对物体的测量结果中。能使用 相对位姿矩阵P将使用雷达系统204对物体104测得的测量结果转换到光 达站系统202的参照系中，从而采用物体104的光达测量结果校准物体的 雷达测量结果。
图3显示了流程图300，图中说明了本发明公开的确定光达系统和雷 达系统之间相对位姿矩阵的方法。车辆上同时搭载光达系统和雷达系统。 在方框302中，在位于车辆的第一位置的光达系统的参照系中获得校准目 标210的距离坐标。在方框304中，使用距离坐标确定光达参照系中校准 目标的平面系数。在方框306中，在位于车辆的第二位置的雷达系统的参 照系中获得校准目标的距离坐标。在方框308中，由平面方程建立代价函 数，平面方程包含确定的系数、雷达系统参照系中的距离坐标和将雷达系 统参照系转换成光达系统参照系的相对位姿矩阵。在方框310中，对代价 函数进行降低或最小化，以确定对相对位姿矩阵的参数。在方框312中， 利用光达系统、雷达系统和确定的相对位姿矩阵相对车辆来探测物体。
图4显示了流程图400，图中说明了利用校准目标210的多个位置和 方向确定相对位姿矩阵的另一种方法。在方框402中，对于校准目标的多 个位置和方向，使用位于第一个位置的光达系统获得校准目标的光达坐标， 使用位于第二位置的雷达系统获得校准目标的雷达坐标。在方框404中， 为校准目标的每个位置和方向确定平面方程。每个平面方程包含使用光达 测量结果为选择位置和方向确定的平面方程的系数、使用雷达系统为选择 位置和方向获得的校准目标的坐标及相对位姿矩阵。在方框406中，建立 代价函数，代价函数是校准目标210的多个位置和方向的各自平面方程的 总和。在方框408中，降低代价函数或最小化，以便确定对相对位姿矩阵 的参数。在方框410中，利用光达系统、雷达系统和确定的相对位姿矩阵 相对车辆来探测物体。
虽然以上参照示例性实施例对本发明进行了说明，但本领域技术人员 应理解的是，在不偏离其范围的情况下，可以作出各种改变并可用等同物 代替其中的元件。另外，在不偏离本发明基本范围的情况下，可以按照本 发明的教导作出很多修改以适应特定的情况或材料。因此，本发明并不旨 在限于所公开的特定实施例，而是将包含属于申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种采用位于第二位置的雷达系统校准在第一位置的光达系统的方法，包括：
相对于所述光达系统和所述雷达系统在某个位置和方向上提供校准目标；
确定所述光达系统的参照系中所述校准目标的平面系数；
确定所述雷达系统的参照系中所述校准目标的坐标；
由平面方程来构造代价函数，所述平面方程包含所述光达系统的参照系中所述校准目标的所述确定平面系数、所述雷达系统的参照系中所述校准目标的所述确定坐标、将所述雷达系统的参照系转换成所述光达系统的参照系的相对位姿矩阵；及
降低所述代价函数以估计所述相对位姿矩阵，从而采用所述雷达系统校准所述光达系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其中校准目标包括平面反射区和三个或更多角反射器。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括，接收来自所述校准目标的平面反射区的光达反射信号并由所述光达反射信号确定所述光达系统的参照系中所述校准目标的平面系数，及接收来自所述多个角反射器的雷达反射信号并由所述雷达反射信号确定所述雷达系统的参照系中所述校准目标的坐标。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
提供位于多个位置和方向的所述校准目标；
针对所述多个位置和方向中的每个确定所述光达系统的参照系中所述校准目标的平面系数；
针对所述多个位置和方向中的每个确定所述雷达系统的参照系中所述校准目标的平面坐标；
构造总和代价函数，以包含所述多个位置和方向中每个的代价函数的总和值，其中每个代价函数均包含所述目标反射器相关位置和方向的确定系数、确定坐标和相对位姿矩阵；以及
降低所述总和代价函数以估计所述相对位姿矩阵的参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中车辆上同时搭载了所述光达系统和所述雷达系统，进一步包括使用光达系统、雷达系统和估计的相对位姿矩阵相对于所述车辆来追踪物体。
6.一种采用位于第二位置的雷达系统校准位于第一位置的光达系统的设备，包括：
相对于所述光达系统和所述雷达系统在某个位置和方向上的校准目标；
处理器，配置成：
确定所述光达系统的参照系中所述校准目标的系数；
确定所述雷达系统的参照系中所述校准目标的坐标；
利用平面方程来构造代价函数，所述平面方程包含所述光达坐标系统的参照系中所述校准目标的确定系数、所述雷达系统的参照系中所述校准目标的确定坐标、以及将所述雷达系统的参照系转换成所述光达系统的参照系的相对位姿矩阵；以及
降低所述代价函数以估计用于采用所述雷达系统校准所述光达系统的所述相对位姿矩阵。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述校准目标包括平面反射区和三个或更多角反射器。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述处理器根据从所述校准目标的所述平面反射区接收到的光达反射信号确定所述光达系统的参照系中所述校准目标的平面系数，以及根据从所述角反射器接收到的雷达反射信号确定所述雷达系统的参照系中所述校准目标的平面坐标。
9.根据权利要求6所述的设备，其中所述校准目标放在多个位置和旋转角度上且所述处理器进一步配置成：
针对所述多个位置和方向中的每个确定所述光达系统的参考系中所述校准目标的平面系数；
针对所述多个位置和方向中的每个确定所述雷达系统的参照系中所述校准目标的平面坐标；
构造总和代价函数以包含所述多个位置和方向中的每个的代价函数的总和值，其中每个代价函数均包含所述目标反射器相关位置和方向的确定系数、确定坐标和相对位姿矩阵；以及
降低所述总和代价函数以估计所述相对位姿矩阵的参数。
10.根据权利要求6所述的设备，其中车辆上同时搭载所述光达系统和所述雷达系统，且所述处理器进一步配置成通过所述光达系统、所述雷达系统及估计的相对位姿矩阵相对于所述车辆来追踪物体。
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