CN109541571A - Eps零偏和多线激光雷达的联合标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法，包括：获取车辆的当前位置信息、偏航角信息和参考路径；计算车辆和参考路径的横向偏差距离；对EPS进行零偏标定；计算地平面和过原点的平面的夹角和距离，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度以及沿z轴的平移量；将EPS零偏标定后的车辆按照车轮转角为零度进行直线行驶，生成第一轨迹；根据车辆行驶过程中的激光点云数据生成第二轨迹；计算第一轨迹和第二轨迹的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的旋转角度；计算第一轨迹起始点和第二轨迹起始点之间的位置偏差，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的平移量。

Description

EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法

技术领域

本发明涉及自动驾驶技术领域，尤其涉及一种EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法。

背景技术

随着经济的发展以及人工智能技术的崛起，自动驾驶汽车也越来越受市场的关注。自动驾驶汽车指的是依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。市场预测自动驾驶汽车的普及可以实现降低交通事故发生率、降低交通拥堵程度、降低投入交通基础设施的成本、以及减少对环境的污染等效果。

现有技术中，自动驾驶领域的相关技术还并不成熟。尤其是在电动助力转向系统(Electric Power Steering，EPS)零偏标定和多线激光雷达安装角标定技术中，没有十分高效精准的标定方法。现有技术中，EPS零偏和多线激光雷达都是采用分别标定方式，其缺点是标定精度低、对其参考的设备或传感器精度要求高、耗时长、效率低等。而且，当前标定方法采用人工或标定物方式实现，由于标定物的颜色、材质等不同，其反射率也不一样，使得其标定结果不准确。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法，EPS零偏和多线激光雷达联合标定，在EPS零偏标定完成基础上，简化多线激光雷达标定过程，提高标定精度；无需人工测量或特点标定物，可实现自动标定，标定结果准确。

为实现上述目的，本发明提供了一种EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法，包括：

获取车辆的当前位置信息和偏航角信息；

根据所述当前位置信息和偏航角信息生成所述车辆的参考路径；

计算所述车辆和所述参考路径的横向偏差距离；

根据所述横向偏差距离对电动助力转向系统EPS进行零偏标定；

利用车体上安装的激光雷达采集车辆所在地平面的点云数据；

根据所述点云数据计算激光雷达坐标系下所述地平面的第一平面方程；

确定激光雷达坐标系下过原点的平面的第二平面方程；

根据所述第一平面方程和所述第二平面方程计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度；

根据所述激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度计算所述地平面和所述过原点的平面的距离，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的平移量；

将EPS零偏标定后的车辆按照车轮转角为零度进行直线行驶，生成第一轨迹；

根据车辆行驶过程中的激光点云数据生成第二轨迹；

计算所述第一轨迹和第二轨迹的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的旋转角度；

计算所述第一轨迹起始点和所述第二轨迹起始点之间的位置偏差，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的平移量。

进一步的，所述获取车辆的当前位置信息和偏航角信息具体包括：

利用车体上安装的组合导航设备获取车辆GPS坐标信息和姿态角传感器的航向角信息。

进一步的，所述根据所述当前位置信息和偏航角信息生成所述车辆的参考路径具体包括：

将当前位置为起始点，根据偏航角的方向和预设长度生成标准直线，将所述标准直线作为参考路径。

进一步的，所述根据所述横向偏差距离对EPS进行零偏标定具体包括：

增量式控制器利用多个时刻的横向偏差距离计算所述车辆的期望方向盘转角；

根据所述期望方向盘转角确定零偏标定是否完成。

进一步的，所述方法还包括：

根据所述第一平面方程计算所述地平面的第一法向量；

根据所述第二平面方程计算所述过原点的平面的第二法向量。

进一步的，所述根据所述第一平面方程和所述第二平面方程计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角具体包括：

根据所述第一法向量和所述第二法向量计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角。

进一步的，根据所述第一平面方程和所述第二平面方程计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角，所述得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度具体包括：

根据公式n′＝R*n计算激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度，其中，n为所述第一法向量，n′为所述第二法向量，R为旋转矩阵。

本发明提供的EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法，获取车辆的当前位置信息和偏航角信息；根据当前位置信息和偏航角信息生成车辆的参考路径；计算车辆和参考路径的横向偏差距离；根据横向偏差距离对电动助力转向系统EPS进行零偏标定；利用车体上安装的激光雷达采集车辆所在地平面的点云数据；根据点云数据计算激光雷达坐标系下地平面的第一平面方程；确定激光雷达坐标系下过原点的平面的第二平面方程；根据第一平面方程和第二平面方程计算地平面和过原点的平面的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度；根据激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度计算地平面和过原点的平面的距离，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的平移量；将EPS零偏标定后的车辆按照车轮转角为零度进行直线行驶，生成第一轨迹；根据车辆行驶过程中的激光点云数据生成第二轨迹；计算第一轨迹和第二轨迹的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的旋转角度；计算第一轨迹起始点和第二轨迹起始点之间的位置偏差，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的平移量。本发明提供的方法，在EPS零偏标定完成基础上，简化多线激光雷达标定过程，提高标定精度；无需人工测量或特点标定物，可实现自动标定，标定结果准确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多线激光雷达坐标系和车辆坐标系相对位置关系示意图；

图2为本发明实施例提供的EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法流程图。

图3为本发明实施例提供的增量式控制器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明技术方案中的车辆为自动驾驶车辆，通过车载终端实现各个模块的控制以及与服务器进行信息交互，能够通过激光雷达、超声波雷达、毫米波雷达、摄像头等传感器感知周围环境并实现自动驾驶，按照预先设定的行驶路径行驶到指定地点。

图1为本发明实施例提供的多线激光雷达坐标系和车辆坐标系相对位置关系示意图。如图1所示，激光雷达坐标系x′y′z′记为C_l，车体坐标系xyz记作C₀，车体坐标系的原点设置为车头中心点在地面的投影点，车体坐标系的xy平面与地面重合。α、β、γ分别为两个坐标系沿x、y、z轴方向的旋转角度。Δx、Δy、Δz是激光雷达坐标系C_l相对车体坐标系C₀分别沿x、y、z轴方向的平移量。

激光雷达坐标系和车体坐标系之间的变换关系为：

求出旋转矩阵R中的参数α、β、γ，平移矩阵T中的参数Δx、Δy、Δz，就可以求出激光雷达坐标系C_l相对于车体坐标系C₀的变换关系。

本发明技术方案通过解耦α、β、Δz和γ、Δx、Δy，分别标定两部分参数。首先对EPS零偏进行零偏标定，在EPS零偏标定完成基础上，简化多线激光雷达标定过程，最终实现EPS零偏和多线激光雷达的联合标定。

图2为本发明实施例提供的EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法流程图。如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤101，获取车辆的当前位置信息和偏航角信息；根据当前位置信息和偏航角信息生成车辆的参考路径；

具体的，利用车体上安装的组合导航设备获取车辆GPS坐标信息和姿态角传感器的航向角信息，将车辆的GPS坐标信息和航向角转换到全局坐标系中进行计算，将当前位置为起始点，根据偏航角的方向和预设长度生成标准直线，将标准直线作为参考路径。

步骤102，计算车辆和参考路径的横向偏差距离；根据横向偏差距离对电动助力转向系统EPS进行零偏标定；

具体的，增量式控制器利用多个时刻的横向偏差距离计算车辆的期望方向盘转角；根据期望方向盘转角确定零偏标定是否完成。

增量式控制器以车辆和参考路径的横向偏差距离为输入，以期望方向盘转角为输出。启动自动驾驶车辆进行方向盘零偏标定，直到增量式控制器输出不再变化，此时方向盘零偏标定完成。图3为增量式控制器的结构示意图。其中，e_k表示第k时刻车辆和参考路径之间的横向偏差距离。u_k表示第k时刻期望方向盘转角。δ_k表示第k时刻车辆实际方向盘转角。

基于EPS零偏标定完成的基础，下面对多线激光雷达进行标定：

步骤103，利用车体上安装的激光雷达采集车辆所在地平面的点云数据；

固定在车辆顶部的激光雷达采集激光雷达坐标系下车辆所在地平面的点云数据。

步骤104，根据点云数据计算激光雷达坐标系下地平面的第一平面方程；确定激光雷达坐标系下过原点的平面的第二平面方程；

以地面为参考平面，根据采集到的点云数据，利用RANSAC(Random SampleConsensus)算法计算地平面在激光雷达坐标系C_l下的第一平面方程：

z＝Ax+By+c (4)

建立激光雷达坐标系中过原点的平面x′-o′-y′，第二平面方程为：

z′＝0 (5)

步骤105，根据第一平面方程和第二平面方程计算地平面和过原点的平面的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度；

根据第一平面方程计算地平面的第一法向量；根据第二平面方程计算过原点的平面的第二法向量。根据第一法向量和第二法向量计算地平面和过原点的平面的夹角。

第一平面方程的法向量为：

n＝[-A-B1]^T (6)

过原点的平面x′-o′-y′的法向量为：

n′＝[0 0 1]^T (7)

平面x′-o′-y′的法向量与车体坐标系中的z轴，满足方程

n′＝R*n (8)

航向角并不影响两个平面的角，因此令安装航向角γ为0，结合公式(2)和公式(8)，从而求出激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度α、β。

步骤106，根据激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度计算地平面和过原点的平面的距离，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的平移量；

在α、β标定好的基础上，第一平面方程为

z＝c (9)

结合公式(5)，得到两个平面之间的距离c，即为激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的平移量Δz。

步骤107，将EPS零偏标定后的车辆按照车轮转角为零度进行直线行驶，生成第一轨迹；根据车辆行驶过程中的激光点云数据生成第二轨迹；

车辆按照车轮转角为零度进行直线行驶，根据位置变化得到行驶的第一轨迹直线l，计算直线l的方程；车辆行驶过程中激光雷达采集激光雷达坐标系下车辆所在地平面的点云数据，生成与直线l对应的轨迹直线l′，计算直线l′的方程。

步骤108，计算第一轨迹和第二轨迹的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的旋转角度；

利用直线l的方程和计算直线l′的方程计算直线l和直线l′的夹角，该夹角即为激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的旋转角度γ。

步骤109，计算第一轨迹起始点和第二轨迹起始点之间的位置偏差，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的平移量。

将第一轨迹直线l起始点的GPS坐标转换到车辆坐标系下，将第二轨迹直线l′起始点的坐标转换到车辆坐标系下，两点之间的横坐标偏差Δx、纵坐标偏差Δy即为激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的平移量。

本发明提供的EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法，获取车辆的当前位置信息和偏航角信息；根据当前位置信息和偏航角信息生成车辆的参考路径；计算车辆和参考路径的横向偏差距离；根据横向偏差距离对电动助力转向系统EPS进行零偏标定；利用车体上安装的激光雷达采集车辆所在地平面的点云数据；根据点云数据计算激光雷达坐标系下地平面的第一平面方程；确定激光雷达坐标系下过原点的平面的第二平面方程；根据第一平面方程和第二平面方程计算地平面和过原点的平面的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度；根据激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度计算地平面和过原点的平面的距离，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的平移量；将EPS零偏标定后的车辆按照车轮转角为零度进行直线行驶，生成第一轨迹；根据车辆行驶过程中的激光点云数据生成第二轨迹；计算第一轨迹和第二轨迹的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的旋转角度；计算第一轨迹起始点和第二轨迹起始点之间的位置偏差，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的平移量。本发明提供的方法，在EPS零偏标定完成基础上，简化多线激光雷达标定过程，提高标定精度；无需人工测量或特点标定物，可实现自动标定，标定结果准确。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种EPS零偏和多线激光雷达的联合标定方法，其特征在于，所述方法包括：

获取车辆的当前位置信息和偏航角信息；

根据所述当前位置信息和偏航角信息生成所述车辆的参考路径；

计算所述车辆和所述参考路径的横向偏差距离；

根据所述横向偏差距离对电动助力转向系统EPS进行零偏标定；

利用车体上安装的激光雷达采集车辆所在地平面的点云数据；

根据所述点云数据计算激光雷达坐标系下所述地平面的第一平面方程；

确定激光雷达坐标系下过原点的平面的第二平面方程；

根据所述第一平面方程和所述第二平面方程计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度；

根据所述激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度计算所述地平面和所述过原点的平面的距离，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的平移量；

将EPS零偏标定后的车辆按照车轮转角为零度进行直线行驶，生成第一轨迹；

根据车辆行驶过程中的激光点云数据生成第二轨迹；

计算所述第一轨迹和第二轨迹的夹角，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系沿z轴的旋转角度；

计算所述第一轨迹起始点和所述第二轨迹起始点之间的位置偏差，得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的平移量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取车辆的当前位置信息和偏航角信息具体包括：

利用车体上安装的组合导航设备获取车辆GPS坐标信息和姿态角传感器的航向角信息。

3.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前位置信息和偏航角信息生成所述车辆的参考路径具体包括：

将当前位置为起始点，根据偏航角的方向和预设长度生成标准直线，将所述标准直线作为参考路径。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述横向偏差距离对EPS进行零偏标定具体包括：

增量式控制器利用多个时刻的横向偏差距离计算所述车辆的期望方向盘转角；

根据所述期望方向盘转角确定零偏标定是否完成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述第一平面方程计算所述地平面的第一法向量；

根据所述第二平面方程计算所述过原点的平面的第二法向量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一平面方程和所述第二平面方程计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角具体包括：

根据所述第一法向量和所述第二法向量计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述第一平面方程和所述第二平面方程计算所述地平面和所述过原点的平面的夹角，所述得到激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度具体包括：

根据公式n′＝R*n计算激光雷达坐标系相对车体坐标系分别沿x轴、y轴的旋转角度，其中，n为所述第一法向量，n′为所述第二法向量，R为旋转矩阵。