CN113012231B - 车辆定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种车辆定位方法及系统，该方法包括：同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；计算当前帧的输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对车辆进行定位。本发明结合车辆的运动特性，通过相机放大车辆的旋转角，并结合角度传感器获得更为准确的车辆旋转角，从而解决角度累计误差带来的定位失效问题，进而解决GNSS信号失效场景下定位成本高、定位精度低的问题。

Description

车辆定位方法及系统

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，更具体地，涉及一种车辆定位方法及系统。

背景技术

高精度定位是实现无人驾驶的必要条件。目前，车辆定位使用最多的是全球定位卫星系统(GNSS)，但对于室内停车场、隧道等场景，GNSS信号受到干扰，严重影响定位精度。在这种情况下，往往需要依赖高成本的激光雷达或高成本的光纤陀螺和石英加速度计来进行定位。相比上述方案，基于视觉定位的方案成本更低，更容易广泛应用。车辆的移动可以分为旋转和平移两个部分。当旋转角计算不准时，往往会造成很大的定位误差，如图1所示。计算旋转角时，由于车辆单帧旋转角度很小，基于视觉的定位在计算前后帧旋转角时存在较大的相对误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的车辆定位方法及系统。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种车辆定位方法，该方法包括：同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

根据本发明实施例第二方面，提供了一种车辆定位系统，该系统包括：获取模块，用于同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；计算模块，用于计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；角度模块，用于若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；定位模块，用于根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

根据本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的车辆定位方法。

根据本发明实施例的第四方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的车辆定位方法。

本发明实施例提供的车辆定位方法及系统，结合车辆的运动特性，通过相机放大车辆的旋转角，并结合角度传感器获得更为准确的车辆旋转角，从而解决角度累计误差带来的定位失效问题，进而解决GNSS信号失效场景下定位成本高、定位精度低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的旋转角存在误差时的轨迹误差；

图2为本发明实施例提供的相机与车辆安装方式图；

图3为本发明实施例提供的算法流程图；

图4为本发明实施例提供的车辆定位方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的车辆定位系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供一种车辆定位方法，该方法利用车辆的运动特性，通过相机放大车辆的旋转角，在车辆旋转角极小的情况下，精度很高；在旋转角度较大时，通过角度传感器补偿，来获得准确的旋转角，从而提高车辆的定位精度。

参见图4，本发明实施例提供一种车辆定位方法，该方法包括：

步骤101、同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；

步骤102、计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；

步骤103、若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；

步骤104、根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量，包括：根据标定的内参矩阵和畸变向量对所述当前帧的输出图像进行矫正；结合经过矫正后的前一帧的输出图像以及经过矫正后的所述当前帧的输出图像，计算图像的平移量；根据标定参数将所述平移量转换为所述横向移动量和所述纵向移动量。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，基于所述横向移动量获取的旋转角通过如下方式获得：

式中，Δθ为旋转角，Δx为横向移动量，Lf为相机与车辆后轴之间的距离。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，基于所述纵向移动量获取的旋转角通过如下方式获得：

式中，Δθ为旋转角，Δx为横向移动量，Δy为纵向移动量。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，具体通过如下方式：

θ_i＝θ_i-1+Δθ

式中，x_i-1,y_i-1,θ_i-1为上一时刻的位置和航向角，x_i,y_i,θ_i当前时刻的位置和航向角，Δx,Δy为计算的平移量，Δθ为计算的旋转角。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对所述车辆进行定位，包括：

利用相机到车辆后轴的距离Lf，以及相机到车辆中轴的距离Lh，将相机的坐标位置转换为车辆后轴中心的位置，公式如下所示：

式中，x_car,y_car为车辆的坐标，x_camera,y_camera为相机坐标，θ为车辆航向角，相机与车辆刚体连接，所以航向角一样。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像之前，还包括：

将所述角度传感器和所述相机的摄像头平行安装于车辆的车前位置；

对所述相机进行标定，获取所述相机的内参矩阵及畸变向量；

测量所述相机到车辆后轴的距离Lf，以及所述相机到车辆中轴的距离Lh。

具体地，参见附图3，该方法可包括如下步骤：

步骤1、将MEMS陀螺仪(角度传感器)与对地摄像头平行安装，垂直固定于车前位置。如图2、3所示。并对相机进行标定，获取相机内参矩阵M及畸变向量P。其中：

P＝(k₁ k₂ p₁ p₂ k₃)

测量相机到车辆后轴距离Lf，和相机到车辆中轴距离Lh。

其中，应当说明的是，该角度传感器可以是MEMS陀螺仪，也可以是其他传感器。MEMS陀螺仪成本低廉，单帧的旋转角精度很高，但存在漂移。不管有没有旋转，MEMS陀螺仪都会带有误差，单独使用时这些误差累计起来就会带来问题。采用本专利的方法，可以避免MEMS陀螺仪在旋转角度极小时带来的累计误差。

步骤2、利用外部触发，同步获取陀螺仪输出信息及图像信息。

步骤3、根据标定的内参矩阵M及畸变向量P，对图像进行畸变矫正。

步骤4、结合上一帧畸变矫正后的图像和当前帧畸变矫正后的图像，采用RIPOC计算图像的平移量，并结合标定参数将结果转换为横向移动量Δx和纵向移动量Δy。

步骤5、结合相机到车辆后轴距离Lf，计算车辆的近似旋转角Δθ。计算公式为：

因为近似圆周运动时，相机的平移方向和转弯半径垂直，因此，由相似三角形关系，以下方法和上述公式等价：

步骤6、解析陀螺仪数据并计算陀螺仪的旋转角，如果是其他角度传感器，则采用对应方法获得角度值。

步骤7、判断横向移动量Δx是否超过阈值，如果超过阈值，则采用陀螺仪(角度传感器)的旋转角，没有超过阈值，则采用圆周近似的旋转角。

陀螺仪在没有旋转或旋转角度极小时，也带有误差，因此只有在有较大旋转时(相对较大，平均到每一帧还是很小)输出才更可信。圆周近似的旋转角在转弯半径很大时(相当于旋转角度极小)，精度会高于陀螺仪。相机通过到车辆后轴的这段距离，放大了车辆的旋转，使得算法可以通过平移量发现车辆的细微旋转角度，进而判断采用陀螺仪角度更为准确还是采用圆周近似更为准确。

步骤8、利用平移量Δx,Δy和旋转角Δθ，计算每一时刻的相机位置。公式如下：

θ_i＝θ_i-1+Δθ

x_i-1,y_i-1,θ_i-1为上一时刻的位置和航向角，x_i,y_i,θ_i当前时刻的位置和航向角，Δx,Δy为计算的平移量，Δθ为计算的旋转角。

步骤9、利用相机到车辆后轴距离Lf，和相机到车辆中轴距离Lh，将相机的坐标位置转换为车辆后轴中心的位置，公式如下所示：

其中x_car,y_car为车辆的坐标，x_camera,y_camera为相机坐标，θ为车辆航向角，相机与车辆刚体连接，所以航向角一样。

步骤10、完成计算后，利用当前帧图像更新上一帧图像。

本发明实施例提供的车辆定位方法，结合车辆的运动特性，通过相机放大车辆的旋转角，并结合角度传感器获得更为准确的车辆旋转角，从而解决角度累计误差带来的定位失效问题。进而解决GNSS信号失效场景下定位成本高、定位精度低的问题。

基于上述实施例的内容，本发明实施例提供了一种车辆定位系统，该车辆定位系统用于执行上述方法实施例中的车辆定位方法。参见图5，该系统包括：获取模块201，用于同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；计算模块202，用于计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；角度模块203，用于若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；定位模块204，用于根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

本发明实施例提供了一种电子设备，如图6所示，该设备包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503上并可在处理器501上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的车辆定位方法，例如包括：同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的车辆定位方法，例如包括：同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

以上所描述的电子设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种车辆定位方法，其特征在于，包括：

同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；

计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；

若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；

根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量，包括：

根据标定的内参矩阵和畸变向量对所述当前帧的输出图像进行矫正；

结合经过矫正后的前一帧的输出图像以及经过矫正后的所述当前帧的输出图像，计算图像的平移量；

根据标定参数将所述平移量转换为所述横向移动量和所述纵向移动量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述横向移动量获取的旋转角通过如下方式获得：

式中，Δθ为旋转角，Δx为横向移动量，Lf为相机与车辆后轴之间的距离。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述纵向移动量获取的旋转角通过如下方式获得：

式中，Δθ为旋转角，Δx为横向移动量，Δy为纵向移动量，R_camera为相机的转弯半径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，具体通过如下方式：

θ_i＝θ_i-1+Δθ

式中，x_i-1,y_i-1,θ_i-1为上一时刻的位置和航向角，x_i,y_i,θ_i当前时刻的位置和航向角，Δx,Δy为计算的平移量，Δθ为计算的旋转角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述车辆进行定位，包括：

利用相机到车辆后轴的距离Lf，以及相机到车辆中轴的距离Lh，将相机的坐标位置转换为车辆后轴中心的位置，公式如下所示：

式中，x_car,y_car为车辆的坐标，x_camera,y_camera为相机坐标，θ为车辆航向角，相机与车辆刚体连接，所以航向角一样。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像之前，还包括：

将所述角度传感器和所述相机的摄像头平行安装于车辆的车前位置；

对所述相机进行标定，获取所述相机的内参矩阵及畸变向量；

测量所述相机到车辆后轴的距离Lf，以及所述相机到车辆中轴的距离Lh。

8.一种车辆定位系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于同步获取安装于车辆中的角度传感器的输出信息以及相机的输出图像；

计算模块，用于计算当前帧的所述输出图像与前一帧的输出图像之间的横向移动量和纵向移动量；

角度模块，用于若所述横向移动量大于预设阈值，则采用基于所述角度传感器的输出信息获取的旋转角；否则，采用基于所述横向移动量和/或所述纵向移动量获取的旋转角；

定位模块，用于根据所述横向移动量、所述纵向移动量和所述旋转角计算所述相机的运动，以对所述车辆进行定位。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述车辆定位方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述车辆定位方法的步骤。

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