CN111708014A - 一种毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法。关键是在封闭空间(1)内设置可移动的毫米波雷达(4)；定义毫米波雷达(4)的二维坐标系和二维路面坐标系；将目标坐标映射到二维路面坐标系；由毫米波雷达(4)测得的封闭空间(1)的边缘的边界分布；由毫米波雷达(4)测得封闭空间(1)中已知位置的消防栓(5)的准确定位；依据双轮里程计运动的线速度V、角速度ω，得到目标的位置坐标和速度信息。本发明实现了在复杂的封闭空间的灾害现场进行对物体或移动物体的定位及测量。

Description

一种毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种针对环境感知领域的雷达信号处理技术，具体是指一种可对封闭空间内部的非合作的运动目标的定位及测量方法。
背景技术：
在经济迅速发展的今天，存在大量的封闭空间，例如大量存在的隧道、矿山或其它的空间，其中存在大量的移动物体如车辆，上述的封闭空间的安全运行对保障人民群众生命财产安、维护社会安全和经济运行具有重要意义。目前对于上述的封闭空间内的物体的监测定位主要是利用光学、红外或激光等传感器与合作目标定位系统进行监测，上述的合作目标定位系统多数由合作目标与通信基站组成，移动目标定位监测的成败与否取决于通信技术手段能否有效支持，采用的通信技术包括红外、激光、超声波、RFID、ZigBee、WiFi、UWB等，这类系统需要目标随身携带通讯装置(即所谓的合作目标)，通过与分布式站点的通信实现对目标定位，这类定位方式适用于合作目标定位，目前已得到一些工程应用。但在上述的封闭空间内发生灾害事故，上述的封闭空间监测的光学、红外或激光等传感器无法穿透烟雾、粉尘、水汽或火焰对封闭空间内的目标作出准确的实时动态定位跟踪。
另外，在封闭空间的应急情况进行监测，往往存在大量的未知的目标，其并未携带合作目标定位系统所需要携带的配合性装置，则上述的已有技术对这类非合作目标就无法感知，更无法作到精确实时的定位。因此，对封闭空间内大量存在的非合作目标进行实时的跟踪定位仍是一个急待解决的问题。
发明内容：
本发明的发明目的是公开一种对封闭空间的非合作目标进行定位及测量的方法。
实现本发明的技术解决方案是：所述方法包括：
a.在封闭空间1内设置有轨道上可移动的毫米波雷达4；
b.定义毫米波雷达4的二维坐标系Tr和二维路面坐标系Tg，将目标坐标(a、b)映射到二维路面坐标系Tg，得到目标在二维路面坐标系Tg的坐标(x、y)分布；
c.由毫米波雷达4测得的封闭空间1的边缘的边界分布；
d.由毫米波雷达4测得封闭空间1中已知位置的消防栓5的准确定位；
e.依据双轮里程计运动的线速度V、角速度ω，可以得到毫米波雷达4的粗略的实时位置，通过毫米波雷达4检测到消防栓5作为位置的校正，得到毫米波雷达4的准确的实时位置，进而得到目标的位置坐标和速度信息。
所述的步骤b的具体计算是：
外标定毫米波雷达4的几何参数，得到毫米波雷达4在世界三维坐标系Tw中的位姿(Xorigin，Yorigin，Zorigin，α，β，χ)，其中α，β，χ分别代表偏航角、俯仰角、横滚角；
毫米波雷达4的空间特性是二维的，定义毫米波雷达4的二维坐标系Tr，二维路面坐标系Tg，通过外标定的几何参数，可以得到从Tr到Tg的转换矩阵Tgr；
毫米波雷达4检测到的目标坐标为(a，b)；
(x，y)＝Tgr*(a，b)，得到毫米波雷达4目标在Tg的坐标(x，y)分布。
所述的步骤c的具体计算是：
根据初始标定的几何参数，计算出封闭空间1边缘在Tg中的位置(x′，y′)；
设定横向阈值xh与纵向阈值yh，确定ROI搜索方程，即：
Figure BSA0000209444950000031
把毫米波雷达4的每一帧数据转换为(x，y)；
第0帧数据(x_O，y_O)为例，其中位于ROI搜索方程内部的目标是：
Figure BSA0000209444950000032
应用多项式方法拟合封闭空间1边界曲线，拟合方程矩阵表示为：
Y＝X*A
其中：
Figure BSA0000209444950000033
Y＝y_O＝[y_O1，y_O2，y_O3...，y_Ok]T
A＝[an，an-1，...a1，a0]T。
所述的步骤d的具体计算是：
得到两侧的封闭空间1边界后，用毫米波雷达4检测消防栓5的RCS值，以对消防栓5进行准确定位；
用已获得的封闭空间1边界，进行空间分隔，以封闭空间1左边界为例，建立搜索框φ1，φ1的上下边界即为封闭空间1长度，左边界为封闭空间1边界曲线，右边界为封闭空间1边界曲线加上阈值r，只对φ1内部的RCS异常值进行处理；
把φ1离散化j*k个栅格，用RCS为每个栅格赋值，构成一个二维矩阵；
根据消防栓5的实际大小，设计小型搜索框φ2，在二维矩阵中进行划窗搜索，计算φ2中的均值μ，可以得到矩阵中φ2最大均值μmax的位置，即为消防栓5位置；
将检测到的消防栓5计数。
所述的步骤e的具体计算是：
已知双轮里程计，该双轮里程计设在可移动的毫米波雷达4的移动装置上，滚轮的半径为r，左右两轮的角速度ωl与ωr，通过建立双轮里程计运动模型，可以得到移动轨道的线速度V与角速度ω；
设轨道起点为坐标原点，运用DR航迹推算算法，可以计算得到毫米波雷达4的实时位姿(X_wheel，Y_wheel，α_wheel，β_wheel，χ_wheel)，X_wheel，Y_wheel为毫米波雷达4实时二维位置坐标，α_wheel，β_wheel，χ_wheel为毫米波雷达4实时偏航角、俯仰角、横滚角；
使用毫米波雷达4，可以直接获得目标的位置、速度信息，记为(si，vi)，它表示第i个目标的位置与速度；
基于已经推导的毫米波雷达4实时位置(X，Y，α，β，χ)，可以计算出车辆的绝对位置与速度信息(Si，Vi)；
由转换矩阵Tgr，可以算出目标车辆在二维路面的坐标分布。进而实现对封闭空间1内部行驶车辆的实时监测与定位。
本发明公开的技术方案利用雷达毫米波具有的穿透烟雾、粉尘、汽雾等遮蔽物的性能，实现在复杂的封闭空间的灾害现场进行对物体或移动物体的定位及测量，特别是上述的方法提高了定位及测量精度，并经反复的测量对比，尤其是选定使用77GHz波段的毫米波，结合上述的毫米波信号的处理，实现更高精度的定位测量。本发明的技术方案由于使用单一的毫米波信号，较之现有技术的多信号或多种探测装置构成的系统，实现的技术手段更为简单，制备成本与维护操作成本降低。
附图说明：
图1为本发明的一个定位测量的俯视示意图。
图2为本发明的一个定位测量的断面示意图。
图3为本发明的处理方法的整体流程图。
具体实施方式：
结合说明书附图给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明的具体实施方式的描述是为便于对本发明的技术实质的理解，而不应视为是对本发明的权利要求保护范围的限制。
请参见图1～图3，本发明的具体的最佳实施例的技术解决方案是：所述的定位及测量方法包括：
a.在封闭空间1内设置有轨道上可移动的毫米波雷达4；
b.定义毫米波雷达4的二维坐标系Tr和二维路面坐标系Tg，将目标坐标(a、b)映射到二维路面坐标系Tg，得到目标在二维路面坐标系Tg的坐标(x、y)分布；
c.由毫米波雷达4测得的封闭空间1的边缘的边界分布；
d.由毫米波雷达4测得封闭空间1中已知位置的消防栓5的准确定位；
e.依据双轮里程计运动的线速度V、角速度ω，可以得到毫米波雷达4的粗略的实时位置，通过毫米波雷达4检测到消防栓5作为位置的校正，得到毫米波雷达4的准确的实时位置，进而得到目标的位置坐标和速度信息。
在上述的技术方案中，可参见图1所示，将两个毫米波雷达4固定在封闭空间1顶部3的移动轨道上，两个毫米波雷达4的视角分别朝向左、右两侧，使两侧的车道和封闭空间1的两侧边缘或两侧的壁面均处于相对应的毫米波雷达4的可探测范围内。
在上述的步骤b中，因两个毫米波雷达4的算法流程相同，以左侧毫米波雷达4为例，毫米波雷达4被固定后，外标定其几何参数，得到毫米波雷达4达在世界三维坐标系Tw中的位姿(Xorigin，Yorigin，Zorigin，α，β，χ)，其中α，β，χ分别代表偏航角、俯仰角、横滚角。
由于毫米波雷达4的空间特性是二维的，它在高程上不具备分辨能力。定义毫米波雷达4的二维坐标系Tr，二维路面坐标系Tg。通过外标定的几何参数，可以得到从Tr到Tg的转换矩阵Tgr。
毫米波雷达4检测到的目标坐标为(a，b)，这是一个离散的二维数组。把毫米波雷达4所检测到目标的二维坐标映射到Tg中：
(x，y)＝Tgr*(a，b)
由此，得到毫米波雷达4目标在Tg的坐标(x，y)分布。
封闭空间1与其他交通场景不同，其封闭空间1侧壁2与顶壁3是连续的墙壁，封闭空间1路面与墙壁的组合恰好是一个天然的二面角α，如图2所示。由于其特殊的几何结构，使毫米波雷达4发射的电磁波可以在其内部产生多重内反射，最终导致强烈的后向反射，易被毫米波雷达4检测。
在步骤c中，根据初始标定的几何参数，我们可以计算出封闭空间1边缘在Tg中的位置(x′，y′)，设定横向阈值xh与纵向阈值yh，确定ROI搜索方程，即：
Figure BSA0000209444950000071
毫米波雷达4的数据率为17Hz，把毫米波雷达4的每一帧数据转换为(x，y)。以第0帧数据(x_O，y_O)为例，其中位于ROI搜索方程内部的目标是：
Figure BSA0000209444950000072
应用多项式方法拟合封闭空间1边界曲线，拟合方程矩阵表示为：
Y＝X*A
其中：
Figure BSA0000209444950000073
Y＝y_O＝[y_O1，y_O2，y_O3...，y_Ok]T
A＝[an，an-1，...a1，a0]T
运用最小二乘方法，求解不带正则项的二阶解析解，即系数向量A，得到拟合后的封闭空间1边界曲线。因为封闭空间1自身不具有大角度弯道，又仅仅在毫米波雷达4的视野内进行曲线拟合，所以二阶多项式足以反映隧道边界分布情况，得到拟合后的封闭空间1边界曲线A＝(XTX)-1XTY。
当处理下一帧毫米波雷达4数据时，以横坐标等差选取拟合后的第0帧数据曲线的点，与第1帧数据再次进行最小二乘计算，得到更新后的第1帧封闭空间1边界曲线。以此类推，当处理第3帧数据时选拟合后的前2帧数据再进行拟合，第4帧选取前3帧，到后续第m帧数据时，为了考虑工作效率减少计算量，选取前10帧数据进行拟合，即拟合11帧数据。可以知道，得出的封闭空间1边界曲线是连续的。
在前述的步骤d中，得到两侧的封闭空间1边界后，用毫米波雷达4寻找墙壁上的消防栓5，消防栓5的RCS值在封闭空间1中是可以明显区分的。但又由于多径效应，毫米波雷达4会检测到多个RCS异常值，而且毫米波雷达4的观测姿态不同，检测到的RCS值大小也不同。需要对消防栓5进行准确定位。
首先用已获得的封闭空间1边界，进行空间分隔，筛除封闭空间1边界内侧RCS异常的目标，建立搜索框φ1，φ1的上下边界即为隧道长度，左边界为封闭空间1曲线，右边界为封闭空间1曲线加上阈值r，只对φ1内部的RCS异常值进行处理。
把φ1进行占据栅格化，即把φ1离散化j*k个栅格，用RCS为每个栅格赋值，构成一个二维矩阵。根据消防栓5的实际大小，设计小型搜索框φ2，在二维矩阵中进行划窗搜索，计算φ2中的均值μ，可以得到矩阵中φ2最大均值μmax的位置，即为消防栓5位置。同时，将检测到的消防栓5计数。
在上述步骤e中，已知轨道装有双轮里程计，该双轮里程计设在可移动的毫米波雷达4的移动装置上，滚轮的半径为r，由编码器可以测得左右两轮的角速度ωl与ωr，通过建立双轮里程计运动模型，可以得到移动轨道的线速度V与角速度ω。设轨道起点为坐标原点，运用DR航迹推算算法，可以计算得到毫米波雷达4的实时位姿(X_wheel，Y_wheel，α_wheel，β_wheel，χ_wheel)，这是一个五维数组，X_wheel，Y_wheel为毫米波雷达4实时二维位置坐标，α_wheel，β_wheel，χ_wheel为毫米波雷达4实时偏航角、俯仰角、横滚角。
确定封闭空间1起点即为运动起点，里程计通过二次积分可以得到毫米波雷达4运动过程中的实时位姿，但随着时间的增长，噪声带来的误差将会越来越大。而在实际中，消防栓5在封闭空间1中的位置是已知的，结合毫米波雷达4对消防栓5定位的相对位置，可以对里程计的数据进行校正，即消防栓5起到标定点作用。通过以上方法，可以获得毫米波雷达4准确的实时位置，即(X，Y，α，β，χ)，其中α，β，χ分别等于α_wheel，β_wheel，χ_wheel。
使用毫米波雷达4，可以直接获得目标的位置、速度信息，记为(si，vi)，它表示第i个目标的位置与速度。根据以上确定的隧道边界，使用毫米波雷达4检测封闭空间1边界曲线内部行驶的车辆的位置、速度等信息，但这些内容均是相对于毫米波雷达4的，而毫米波雷达4自身也是在轨道上运行的。基于已经推导的毫米波雷达4实时位置(X，Y，α，β，χ)，可以计算出车辆的绝对位置与速度信息(Si，Vi)，由转换矩阵Tgr，可以算出目标车辆在二维路面的坐标分布。进而达到车辆目标监测的目的。由此可以实现对封闭空间1内部行驶车辆的实时监测与定位。
本发明的上述处理方法的整体流程如图2所示，即S0标定几何位姿坐标系投影→S1毫米波雷达4启动轨道运行→S2最小二乘拟合隧道边界(封闭空间)→S3划窗搜索RCS定位消防栓5→S4校正里程记数器定位毫米波雷达4实时位姿→S5隧道内目标实时定位监测。

Claims (5)

1.一种毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法，其特征在于上述方法包括：
a.在封闭空间(1)内设置有轨道上可移动的毫米波雷达(4)；
b.定义毫米波雷达(4)的二维坐标系Tr和二维路面坐标系Tg，将目标坐标(a、b)映射到二维路面坐标系Tg，得到目标在二维路面坐标系Tg的坐标(x、y)分布；
c.由毫米波雷达(4)测得的封闭空间(1)的边缘的边界分布；
d.由毫米波雷达(4)测得封闭空间(1)中已知位置的消防栓(5)的准确定位；
e.依据双轮里程计运动的线速度V、角速度ω，可以得到毫米波雷达(4)的粗略的实时位置，通过毫米波雷达(4)检测到消防栓(5)作为位置的校正，得到毫米波雷达(4)的准确的实时位置，进而得到目标的位置坐标和速度信息。
2.根据权利要求1所述的毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法，其特征在于所述的步骤b的具体计算是：
外标定毫米波雷达(4)的几何参数，得到雷达在世界三维坐标系Tw中的位姿(Xorigin，Yorigin，Zorigin，α，β，χ)，其中α，β，χ分别代表偏航角、俯仰角、横滚角；
毫米波雷达(4)的空间特性是二维的，定义毫米波雷达(4)的二维坐标系Tr，二维路面坐标系Tg，通过外标定的几何参数，可以得到从Tr到Tg的转换矩阵Tgr；
毫米波雷达(4)检测到的目标坐标为(a，b)；
(x，y)＝Tgr*(a，b)，得到毫米波雷达(4)目标在Tg的坐标(x，y)分布。
3.根据按权利要求1或2所述的毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法，其特征在于所述的步骤c的具体计算是：
根据初始标定的几何参数，计算出封闭空间(1)边缘在Tg中的位置(x′，y′)；
设定横向阈值xh与纵向阈值yh，确定ROI搜索方程，即：
Figure FSA0000209444940000021
把毫米波雷达(4)的每一帧数据转换为(x，y)；
第0帧数据(x_0，y_0)为例，其中位于ROI搜索方程内部的目标是：
Figure FSA0000209444940000022
应用多项式方法拟合封闭空间边界曲线，拟合方程矩阵表示为：
Y＝X*A
其中：
Figure FSA0000209444940000023
Y＝y_0＝[y_01，y_02，y_03...，y_0k]T
A＝[an，an-1，...a1，a0]T。
4.根据权利要求3所述的毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法，其特征在于所述的步骤d的具体计算是：
得到两侧的封闭空间(1)边界后，用毫米波雷达(4)检测消防栓(5)的RCS值，以对消防栓(5)进行准确定位；
用已获得的封闭空间(1)边界，进行空间分隔，以封闭空间(1)左边界为例，建立搜索框φ1，φ1的上下边界即为封闭空间长度，左边界为封闭空间边界曲线，右边界为封闭空间边界曲线加上阈值r，只对φ1内部的RCS异常值进行处理；
把φ1离散化j*k个栅格，用RCS为每个栅格赋值，构成一个二维矩阵；
根据消防栓(5)的实际大小，设计小型搜索框φ2，在二维矩阵中进行划窗搜索，计算φ2中的均值μ，可以得到矩阵中φ2最大均值μmax的位置，即为消防栓(5)位置；
将检测到的消防栓(5)计数。
5.根据权利要求4所述的毫米波雷达的封闭空间内部非合作目标定位及测量方法，其特征在于所述的步骤e的具体计算是：
已知双轮里程计，该双轮里程计设在可移动的毫米波雷达(4)的移动装置上，滚轮的半径为r，左右两轮的角速度ωl与ωr，通过建立双轮里程计运动模型，可以得到移动轨道的线速度V与角速度ω；
设轨道起点为坐标原点，运用DR航迹推算算法，可以计算得到毫米波雷达(4)的实时位姿(X_wheel，Y_wheel，α_wheel，β_wheel，χ_wheel)，X_wheel，Y_wheel为毫米波雷达(4)实时二维位置坐标，α_wheel，β_wheel，χ_wheel为毫米波雷达(4)实时偏航角、俯仰角、横滚角；
使用毫米波雷达(4)，可以直接获得目标的位置、速度信息，记为(si，vi)，它表示第i个目标的位置与速度；
基于已经推导的毫米波雷达(4)实时位置(X，Y，α，β，χ)，可以计算出车辆的绝对位置与速度信息(Si，Vi)；
由转换矩阵Tgr，可以算出目标车辆在二维路面的坐标分布。进而实现对封闭空间(1)内部行驶车辆的实时监测与定位。
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