CN111060881A - 一种毫米波雷达外参数在线标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过对毫米波雷达及参考传感器进行数据处理，根据全局最近邻算法进行粗估计，根据局部最近邻算法确定目标对应关系，根据目标尺寸信息去除错误对应目标对，重复迭代确定对应关系和去除错误目标对，直到标定结构达到预设精度，从而求解毫米波的外参数。

Description

一种毫米波雷达外参数在线标定方法

技术领域

本发明专利涉及智能车辆环境感知领域，特别是关于一种毫米波雷达外参数在线标定方法。

背景技术

实现汽车智能化是汽车行业发展的重要趋势，环境感知技术是智能车辆技术的核心技术之一。环境感知技术通过获取和分析传感器数据，为决策、控制等技术提供环境信息。对于装有多个传感器的智能车辆，首先需要实现传感器空间同步，即把来自不同安装位置传感器获取的数据，从传感器自身传感器下转换到车辆坐标系下。

申请号为CN1910818062.6的专利提出了一种在车辆行驶过程中进行毫米波雷达外参数标定的方法，该方法需要毫米波雷达在车辆行驶过程中获取至少两个时刻下的障碍物数据，将其作为基础数据，并基于车辆位置坐标获取子单元获取对应时刻下的车辆位置坐标。基于两个时刻下的车辆坐标和障碍物坐标，通过初始外参设定值或新的外参设定值将基础数据映射至坐标系中，迭代进行整个过程直至收敛，从而获得毫米波雷达外参数。该方法需要多个时刻的毫米波雷达观察数据，误差函数计算过程误差较大，且需要车辆自身位置坐标，速度较大时误差较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种毫米波雷达外参数在线标定方法，本方法原理简洁、步骤简单，易于工程实现；本方法只需对传感器数据进行处理，无需标定场或标定物，且不依赖环境特征。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，获取待标定的毫米波雷达以及参考传感器数据，并进行数据预处理；

步骤二，根据目标位置计算粗估计外参数R₀,T₀，估计外参数R₀,T₀对毫米波雷达观测进行坐标变换；

步骤三，确定所有毫米波雷达与参考传感器观测目标的对应关系；

步骤四，根据毫米波雷达与参考传感器观测目标的尺寸信息，计算对应目标尺寸误差，标记错误对应目标对，并去除错误对应目标对；

步骤五，计算去除错误对应目标对后，该对应关系下所有目标与其对应目标的位置误差，根据传感器坐标系变换关系和该对应关系下对应点构建方程，计算毫米波雷达安装外参数R_r,T_r；

步骤六，根据外参数R_r,T_r，判断位置误差是否满足设定阈值，若不满足，则以R_r,T_r对目标进行坐标变换，并返回步骤三；满足，则输出外参数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤一中数据预处理具体包括原始数据的坐标变换、聚类、滤除噪声、确定数据重叠部分，从而从原始数据获取目标的数量、位置和尺寸信息。

作为本发明的进一步改进，所述步骤一中的毫米波雷达以及参考传感器数据具体包括如下：

毫米波雷达测量的目标位置和尺寸信息集合为：

参考传感器测量的目标位置和尺寸信息集合为：

其中，

分别表示第j个毫米波雷达测量的目标的位置和尺寸信息，

分别表示第i个参考传感器测量的目标的位置和尺寸信息，

作为本发明的进一步改进，所述步骤二中外参数R₀,T₀采用全局最近邻算法计算，具体计算步骤如下：

步骤二一，计算目标的距离矩阵，该目标的距离矩阵为毫米波雷达观测的所有目标与参考传感器观测的所有目标的距离组成的矩阵；

步骤二二，从距离矩阵中选择最优目标组合，使其满足使毫米波雷达与参考传感器的所有目标到其对应目标的距离之和最小；

步骤二三，根据全局最优目标组合，计算粗估计外参数R₀,T₀；

其中，距离矩阵D为：

其中，d_(i,j)表示毫米波雷达观测的目标i与参考传感器观测的目标j之间的欧式距离。

作为本发明的进一步改进，所述步骤二二中的选择最优目标组合的具体步骤如下：

步骤二四，记

为二进制变量，表示目标i与目标j的对应关系：

则毫米波雷达与参考传感器的所有目标到其对应目标的距离之和D_sum为：

步骤二五，通过匈牙利算法等匹配算法，找出使D_sum最小的全局最优目标组合。作为本发明的进一步改进，所述步骤二中利用估计外参数R₀,T₀对毫米波雷达观测进行坐标变换即为

得到目标粗估计位置

作为本发明的进一步改进，所述步骤三中采用局部最近邻算法确定目标的对应关系，具体为以毫米波雷达和参考传感器观测目标数据构建k-d树，利用k-d树查询每个毫米波雷达观测目标对应的最近邻参考传感器观测目标，标记为对应目标对c^k，最终获得对应目标对集合

作为本发明的进一步改进，所述步骤四中的错误对应目标对由对应目标的尺寸误差是否小于设定阈值δ_s，即

的方式判断而出。

作为本发明的进一步改进，所述步骤五中传感器坐标系变换关系为：

其中，R为旋转矩阵、T为平移矩阵T：

目标函数为：

其中，j＝1,2…N_r，N_r为目标对数量。

作为本发明的进一步改进，所述步骤六中位置误差为：

以R_r,T_r对目标进行坐标变换即

得到目标新位置

j＝1,2…N_r，N_r为目标对数量。

本发明的有益效果，1)能够根据毫米波雷达与参考传感器的单帧数据，在线标定毫米波雷达外参数；2)自动化进行数据获取、数据预处理、外参数粗估计、确定目标对应关系、去除对应目标对、迭代求解等过程，整个标定过程无需人工干预；3)不限于特定场景、不需要特定标定物。

附图说明

图1为本发明的毫米波雷达外参数标定流程示意图；

图2为本发明一实施例毫米波雷达与其他传感器安装示意图；

图3为本发明一实施例毫米波雷达和激光雷达坐标系下检测结果；

图4局部最近邻算法寻找最优对应目标对示意图；

图5局部最近邻算法寻找最优对应目标对示意图。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

参照图1至5所示，本实施例的一种毫米波雷达外参数在线标定方法，包括如下步骤：

步骤一，获取待标定的毫米波雷达以及参考传感器数据，并进行数据预处理；

步骤二，根据目标位置计算粗估计外参数R₀,T₀，估计外参数R₀,T₀对毫米波雷达观测进行坐标变换；

步骤三，确定所有毫米波雷达与参考传感器观测目标的对应关系；

步骤四，根据毫米波雷达与参考传感器观测目标的尺寸信息，计算对应目标尺寸误差，标记错误对应目标对，并去除错误对应目标对；

步骤五，计算去除错误对应目标对后，该对应关系下所有目标与其对应目标的位置误差，根据传感器坐标系变换关系和该对应关系下对应点构建方程，计算毫米波雷达安装外参数R_r,T_r；

步骤六，根据外参数R_r,T_r，判断位置误差是否满足设定阈值，若不满足，则以R_r,T_r对目标进行坐标变换，并返回步骤三；满足，则输出外参数，由此通过步骤一至步骤六的设置，只需通过步骤一获取到的毫米波雷达以及参考传感器数据，而不需要同现有技术中一样，需要多个时刻的观察数据，通过利用步骤四可去除掉错误对应目标对，以此有效的减小了计算过程中因为错误对应目标对导致的误差较大的问题，而且最后还通过了步骤六进行再次验证，使得最终输出的外参数误差能够达到最小，同时整个过程中并不需要车辆自身位置坐标，避免了因为车辆速度对于整体外参数计算的影响。

以下对上述六个步骤中细节部分进行进一步详述。

步骤一中数据预处理具体包括原始数据的坐标变换、聚类、滤除噪声、确定数据重叠部分，从而从原始数据获取目标的数量、位置和尺寸信息，毫米波雷达以及参考传感器数据具体包括如下：

毫米波雷达测量的目标位置和尺寸信息集合为：

参考传感器测量的目标位置和尺寸信息集合为：

其中，

分别表示第j个毫米波雷达测量的目标的位置和尺寸信息，

分别表示第i个参考传感器测量的目标的位置和尺寸信息，

步骤二中外参数R₀,T₀采用全局最近邻算法计算，全局最近邻算法首先计算目标的距离矩阵，目标的距离矩阵为毫米波雷达观测的所有目标与参考传感器观测的所有目标的距离组成的矩阵，然后从距离矩阵中选择最优目标组合，使其满足使毫米波雷达与参考传感器的所有目标到其对应目标的距离之和最小，即D_sum最小，因此其具体计算步骤如下：

步骤二一，计算目标的距离矩阵，该目标的距离矩阵为毫米波雷达观测的所有目标与参考传感器观测的所有目标的距离组成的矩阵；

步骤二二，从距离矩阵中选择最优目标组合，使其满足使毫米波雷达与参考传感器的所有目标到其对应目标的距离之和最小；

步骤二三，根据全局最优目标组合，计算粗估计外参数R₀,T₀；

其中，距离矩阵D为：

其中，d_(i,j)表示毫米波雷达观测的目标i与参考传感器观测的目标j之间的欧式距离；

步骤二四，记

为二进制变量，表示目标i与目标j的对应关系：

则毫米波雷达与参考传感器的所有目标到其对应目标的距离之和D_sum为：

步骤二五，通过匈牙利算法等匹配算法，找出使D_sum最小的全局最优目标组合，在本实施例中，对于通过匈牙利算法等匹配算法，找出使D_sum最小的全局最优目标组合，本实施例不限定求解方法，同时对于根据全局最优目标组合，计算粗估计外参数R₀,T₀，本实施例同样不限求解方法，同时利用估计外参数R₀,T₀对毫米波雷达观测进行坐标变换即为

得到目标粗估计位置

步骤三中采用局部最近邻算法确定目标的对应关系。局部最近邻算法通过寻找距离每个毫米波雷达观测目标最近的参考传感器观测目标作为对应目标，以毫米波雷达和参考传感器观测目标数据构建k-d树，利用k-d树查询每个毫米波雷达观测目标对应的最近邻参考传感器观测目标，标记为对应目标对c^k，最终获得对应目标对集合

k＝1,2…K,K＝min(M,N)。

步骤四中，根据目标的尺寸信息

和

计算对应目标的尺寸误差是否小于设定阈值δ_s，即

若不满足标记为错误对应目标对，并去除错误对应目标对；若满足则保留该目标对；

步骤五中，传感器坐标系变换关系为：

其中，R为旋转矩阵、T为平移矩阵T：

目标函数为：

其中，j＝1,2…N_r，N_r为目标对数量。本实施例不限求解方法。

步骤六中设定条件为ε_r＜δ_m,若不满足，说明标定结果未达要求精度；若满足，说明标定结果达到要求精度，以R_r,T_r对目标进行坐标变换，即

得到目标新位置

j＝1,2…N_r，N_r为目标对数量。综上所述，本实施例的在线标定方法，通过步骤一至步骤六的设置，便可有效的实现对于毫米波雷达外参数的输出，且不需要多个时刻的毫米波雷达数据，也不需要车辆自身位置等信息，以此有效的减少了相应的计算误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，获取待标定的毫米波雷达以及参考传感器数据，并进行数据预处理；

步骤二，根据目标位置计算粗估计外参数R₀,T₀，估计外参数R₀,T₀对毫米波雷达观测进行坐标变换；

步骤三，确定所有毫米波雷达与参考传感器观测目标的对应关系；

步骤四，根据毫米波雷达与参考传感器观测目标的尺寸信息，计算对应目标尺寸误差，标记错误对应目标对，并去除错误对应目标对；

步骤五，计算去除错误对应目标对后，该对应关系下所有目标与其对应目标的位置误差，根据传感器坐标系变换关系和该对应关系下对应点构建方程，计算毫米波雷达安装外参数R_r,T_r；

步骤六，根据外参数R_r,T_r，判断位置误差是否满足设定阈值，若不满足，则以R_r,T_r对目标进行坐标变换，并返回步骤三；满足，则输出外参数。

2.根据权利要求1所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤一中数据预处理具体包括原始数据的坐标变换、聚类、滤除噪声、确定数据重叠部分，从而从原始数据获取目标的数量、位置和尺寸信息。

3.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤一中的毫米波雷达以及参考传感器数据具体包括如下：

毫米波雷达测量的目标位置和尺寸信息集合为：

参考传感器测量的目标位置和尺寸信息集合为：

其中，

分别表示第j个毫米波雷达测量的目标的位置和尺寸信息，

分别表示第i个参考传感器测量的目标的位置和尺寸信息，

4.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤二中外参数R₀,T₀采用全局最近邻算法计算，具体计算步骤如下：

步骤二一，计算目标的距离矩阵，该目标的距离矩阵为毫米波雷达观测的所有目标与参考传感器观测的所有目标的距离组成的矩阵；

步骤二二，从距离矩阵中选择最优目标组合，使其满足使毫米波雷达与参考传感器的所有目标到其对应目标的距离之和最小；

步骤二三，根据全局最优目标组合，计算粗估计外参数R₀,T₀；

其中，距离矩阵D为：

其中，d_(i,j)表示毫米波雷达观测的目标i与参考传感器观测的目标j之间的欧式距离。

5.根据权利要求4所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤二二中的选择最优目标组合的具体步骤如下：

步骤二四，记

为二进制变量，表示目标i与目标j的对应关系：

则毫米波雷达与参考传感器的所有目标到其对应目标的距离之和D_sum为：

步骤二五，通过匈牙利算法等匹配算法，找出使D_sum最小的全局最优目标组合。

6.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤二中利用估计外参数R₀,T₀对毫米波雷达观测进行坐标变换即为

得到目标粗估计位置

o＝0。

7.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤三中采用局部最近邻算法确定目标的对应关系，具体为以毫米波雷达和参考传感器观测目标数据构建k-d树，利用k-d树查询每个毫米波雷达观测目标对应的最近邻参考传感器观测目标，标记为对应目标对c^k，最终获得对应目标对集合

K＝min(M,N)。

8.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤四中的错误对应目标对由对应目标的尺寸误差是否小于设定阈值δ_s，即

的方式判断而出。

9.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤五中传感器坐标系变换关系为：

其中，R为旋转矩阵、T为平移矩阵T：

目标函数为：

其中，j＝1,2…N_r，N_r为目标对数量。

10.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达外参数在线标定方法，其特征在于：所述步骤六中位置误差为：

以R_r,T_r对目标进行坐标变换即

得到目标新位置

N_r为目标对数量。

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