CN113219479A - 智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法及系统 - Google Patents

智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法及系统，所述方法根据摄像头的帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间，使其曝光时间刚好与激光雷达扫描此角度的时间相同，此时的激光雷达数据和摄像头数据可做融合处理，得到了准确的时间和空间信息。

Description

智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法及系统
技术领域
本发明涉及智能驾驶控制技术领域，尤其涉及一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法及系统。
背景技术
智能驾驶控制技术需要视频、雷达、惯导等多路数据的精确同步，实现时间和空间的关联运算。目前智能驾驶行业的主流传感器是摄像头和激光雷达，激光雷达通过以太网接入，以10或30rps(转/秒)进行360°扫描，摄像头安装在正前、侧前、侧后、后视等0～360°角度，摄像头通过MIPI接入，以10或30fps(帧/秒)帧率拍摄视频数据，两帧数据之间时间间隔较大，高速运动车辆上，不同时间的数据对应不同的空间位置，激光雷达扫描时刻与相应安装角度的摄像头曝光时间难以对准，时间、空间不对应的数据应用会出现多种问题，降低了智能驾驶的控制精度。
发明内容
有鉴于此，一方面，本发明提出了一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，以解决智能驾驶控制系统激光雷达扫描时刻与相应安装角度的摄像头曝光时间难以对准的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，包括：
步骤S1，设定激光雷达扫描的参考角度，获取摄像头的帧率和安装角度，根据帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间；
步骤S2，获取激光雷达扫描参考角度的参考时间，以参考时间为起点，在经过同步延时时间的时长后控制对应的摄像头曝光；
步骤S3，获取曝光时的摄像头数据和激光雷达数据，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，得到准确的时间和空间信息。
可选的，步骤S1包括：
dly＝(1/fps)*(ang/360)，dly为同步延时时间，fps为帧率，ang为安装角度。
可选的，步骤S3中，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，包括：
通过透视变换矩阵获得世界坐标系与摄像头图像坐标系之间的转换关系；
获得世界坐标系与激光雷达坐标系之间的转换关系；
确定摄像头数据和激光雷达数据之间的数据映射。
可选的，通过透视变换矩阵获得世界坐标系与摄像头图像坐标系之间的转换关系，包括：
Figure BDA0003063890420000021
u、v分别为空间某点P在摄像头图像坐标系的横纵坐标，Xw、Yw、Zw分别为点P在世界坐标系的三维坐标，n1～n11为透视变换矩阵中的元素，透视变换矩阵表示为
Figure BDA0003063890420000022
可选的，获得世界坐标系与激光雷达坐标系之间的转换关系，包括：
Figure BDA0003063890420000023
r为激光雷达坐标系中激光雷达到此点的距离，θ为激光雷达扫过的角度，h为激光雷达的安装高度。
可选的，确定摄像头数据和激光雷达数据之间的数据映射，包括：
利用标定柱实现激光雷达和摄像头的联合标定，得到透视变换矩阵。
可选的，步骤S3中，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，包括：
在摄像头数据和激光雷达数据的输入端分别设置缓存池，用以保留不同时刻达到的数据，并记录其时间戳；每个缓存池的作用是进入一帧数据后做触发动作，保存其数据值和时间戳，在下一帧到来时重新触发并循环。
本发明的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)根据摄像头的帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间，使其曝光时间刚好与激光雷达扫描此角度的时间相同，此时的激光雷达数据和摄像头数据可做融合处理，得到了准确的时间和空间信息；
(2)将摄像头和激光雷达的坐标系通过世界坐标系完成联合标定，利用标定柱实现激光雷达和摄像头的联合标定，得到透视变换矩阵，可以将激光雷达数据映射到图像平面，实现数据融合；
(3)基于缓存池的方法实现时间标定，缩小时间偏差，提高了检测精度。
另一方面，本发明还提出了一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步系统，以解决智能驾驶控制系统激光雷达扫描时刻与相应安装角度的摄像头曝光时间难以对准的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步系统，包括：
同步延时时间计算单元，用于设定激光雷达扫描的参考角度，获取摄像头的帧率和安装角度，根据帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间；
摄像头曝光控制单元，用于获取激光雷达扫描参考角度的参考时间，以参考时间为起点，在经过同步延时时间的时长后控制对应的摄像头曝光；
数据融合处理单元，用于获取曝光时的摄像头数据和激光雷达数据，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，得到准确的时间和空间信息。
所述摄像头和激光雷达同步系统与上述摄像头和激光雷达同步方法相对于现有技术具有的优势相同，在此不再赘述。
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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的摄像头和激光雷达同步方法的流程图；
图2为本发明的硬件连接示意图；
图3为本发明的摄像头安装角度示意图；
图4为本发明的摄像头数据和激光雷达数据采集频率示意图；
图5为本发明的摄像头数据和激光雷达数据时间差示意图；
图6为本发明的摄像头和激光雷达同步系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法包括：
步骤S1，设定激光雷达扫描的参考角度，获取摄像头的帧率和安装角度，根据帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间；
步骤S2，获取激光雷达扫描参考角度的参考时间，以参考时间为起点，在经过同步延时时间的时长后控制对应的摄像头曝光；
步骤S3，获取曝光时的摄像头数据和激光雷达数据，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，得到准确的时间和空间信息。
本实施例中，Titan控制器采用GPS模块输入，FPGA通过pps秒脉冲和GPRMC数据解析到UTC时间，并同步到Xavier、发送到激光雷达，根据摄像头安装角度调整同步脉冲延时，并输出多路GPS备用。硬件连接如图2所示。假设激光雷达以10rps(每秒10转)旋转、摄像头帧率fps＝10fps(每秒10帧)，设定参考角度(比如正前方为0°)，按照顺时针方向安装8个摄像头，如图3所示。激光雷达按照顺时针扫描、上传相应角度的点云数据，在0°时包含角度信息。控制器检测到0°信息，触发0°安装的摄像头同步曝光。不同安装角度ang的摄像头可根据激光雷达的转速设定相对0°的延时dly，使其曝光时间刚好与激光雷达扫描此角度的时间相同，此时的激光雷达数据和摄像头数据可做融合处理，得到准确的时间和空间信息。同步延时时间的计算公式为：dly＝(1/fps)*(ang/360)，dly为同步延时时间，fps为帧率，ang为安装角度。100MHz计数时钟10ns对应的设定值cnt＝dly/10ns。各路摄像头的同步延时时间可由Xavier根据帧率和安装位置调整。这样本实施例可根据摄像头的帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间，使其曝光时间刚好与激光雷达扫描此角度的时间相同，此时的激光雷达数据和摄像头数据可做融合处理，得到准确的时间和空间信息。本同步技术用到FPGA时序处理，100MHz的时钟频率对应最大10ns延时，硬件延时忽略不计，SPI通信延时较小且固定不变，可通过软件调整。主要延时时间是操作系统的软件中断和任务调度延时，可通过实时处理器和实时操作系统的优化进一步优化。
在对激光雷达的扫描时刻和摄像头的曝光时刻进行同步后，由于摄像头数据建立在图像坐标系上，而激光雷达数据建立在激光雷达坐标系的基础上，这就要涉及到图像坐标系、激光雷达坐标系和自己定义的世界坐标系之间的转化关系，需对摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理。本实施例中，步骤S3中，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，包括：通过透视变换矩阵获得世界坐标系与摄像头图像坐标系之间的转换关系；获得世界坐标系与激光雷达坐标系之间的转换关系；确定摄像头数据和激光雷达数据之间的数据映射。这样可将摄像头和激光雷达的坐标系通过世界坐标系完成联合标定，将激光雷达数据映射到图像平面，实现数据融合。具体的，通过透视变换矩阵获得世界坐标系与摄像头图像坐标系之间的转换关系，包括：
Figure BDA0003063890420000061
u、v分别为空间某点P在摄像头图像坐标系的横纵坐标，Xw、Yw、Zw分别为点P在世界坐标系的三维坐标，n1～n11为透视变换矩阵中的元素，透视变换矩阵表示为
Figure BDA0003063890420000062
透视变换矩阵为一个3×4矩阵，在空间中的世界坐标系下的不同点都在图像坐标系下有唯一对应点；而在图像中点可以对应多个世界坐标系下的物体，因此该矩阵不可逆。在有确定的一对世界坐标(Xw，Yw，Zw)和图像坐标(u，v)情况下，就可以确定两个方程。对于透视矩阵共有11个位置参数，因此只要选取6对世界坐标点和图像坐标点就可通过解方程求取。参数求取方程如下
Figure BDA0003063890420000063
上式可简化为M·N＝B，当选择足够多的世界坐标点和图像坐标点后，可以利用最小二乘法求出透视变换矩阵为(MTM)-1MTB。
本实施例通过透视变换矩阵获得世界坐标系与图像坐标系之间的转换关系，而摄像机与激光雷达的联合标定也就是借助世界坐标系作为中间量，分别求取摄像机、激光雷达与世界坐标系之间的标定关系，从而确定摄像机与激光雷达之间的数据映射。要想获得激光雷达坐标系坐标和图像坐标系之间的关系，必须确定它与世界坐标系之间的关系。将车辆坐标系定为世界坐标系，所以在实际标定过程中，将激光雷达水平安装于车辆正前方中点，从而本实施例中，获得世界坐标系与激光雷达坐标系之间的转换关系，包括：
Figure BDA0003063890420000071
r为激光雷达坐标系中激光雷达到此点的距离，θ为激光雷达扫过的角度，h为激光雷达的安装高度。这样就可以获得这两个坐标系之间的关系。
为了获得(Xw，Yw，Zw)与(u，v)的对应关系，本实施例优选确定摄像头数据和激光雷达数据之间的数据映射，包括：利用标定柱实现激光雷达和摄像头的联合标定，得到透视变换矩阵。首先通过图像信息得到其在图像空间中的坐标(u，v)，方法是通过求取边缘。然后在利用激光雷达扫描该标定物，会从中获得圆柱表面被扫描部分的坐标。由于宽度问题，通常被扫描得到的会是几个数据点。对这些数据点进行聚类处理得到中心点，作为圆柱中心，将其坐标设置为(Xw，Yw，Zw)。这样为了能够通过最小二乘法得到透视变换矩阵，选择标定柱的位置为24个，在每排分别放置四个不同的位置，一共设置六排。这样就可以将激光雷达数据空间上的数据映射到图像数据空间中。
本实施例中，由于摄像头和激光雷达的采集频率不同，当摄像头采集到一帧图像数据时，对应的时间标签为t1，激光雷达采集数据帧对应的时间标签为t2，这两个时间分为对应计算机采集到数据时的纪录时间，这就造成了两者在时间空间上的不一致，即图像数据时间和激光雷达数据时间并不相同。尽管采集数据时间不同，但仍然可以用于激光雷达和摄像头的联合标定。一旦当智能车辆高速运动时，这两者间的时间差就将会影响到最后的检测，所以，如何减少摄像头和激光雷达传感器的同步问题是实现数据融合的又一关键问题。简而言之，联合标定是摄像头和激光雷达数据空间上的标定，而同步则是摄像头和激光雷达时间上的标定，只有在“时”与“空”上都完整进行标定，才能使最后的实验结果更精确。
图4表示摄像头采集频率和激光雷达采集频率之间的关系图，其中T1代表视觉采集频率，T2代表激光雷达采集频率，黑色箭头代表触发信号，当触发信号产生后，同时采集一帧激光雷达数据和一帧图像数据，其采集原则采用与触发信号距离最近的数据帧，这样，由于采集频率的不同，两个采集到的数据帧之间的时间点并不匹配，从图中可以看到，ΔT就是其采集同步时差。为了能够完成时间同步，本实施例在两个输入端分别设置缓存池，用以保留不同时刻达到的数据，并记录其时间戳。每个缓存池的作用是进入一帧数据后做触发动作，保存其数据值和时间戳，在下一帧到来时重新触发并循环。在缓存池A被触发后立即通知缓存池B，缓存池B在收到消息后设置为同步状态，在这段时间内，一旦如果有本数据源数据进入并触发后，通知缓存池A，然后两池同时将各自数据捆绑并加入统一时间戳(这个时间为后到数据的时间戳)发送到后面的处理模块中。为了测试该方法的有效性，通过采集一段数据，分析两个缓存池中数据的时间差，如图5所示。可知时间差在0.01s到0.06s之间，平均时间差在0.02s，即20ms左右。而对于车辆检测来说，考虑到车辆的长度和宽度，20ms的时间误差基本不会对结果造成影响。
如图6所示，本实施例还提供一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步系统，包括：
同步延时时间计算单元，用于设定激光雷达扫描的参考角度，获取摄像头的帧率和安装角度，根据帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间；
摄像头曝光控制单元，用于获取激光雷达扫描参考角度的参考时间，以参考时间为起点，在经过同步延时时间的时长后控制对应的摄像头曝光；
数据融合处理单元，用于获取曝光时的摄像头数据和激光雷达数据，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，得到准确的时间和空间信息。
本实施例的摄像头和激光雷达同步系统可根据摄像头的帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间，使其曝光时间刚好与激光雷达扫描此角度的时间相同，此时的激光雷达数据和摄像头数据可做融合处理，得到准确的时间和空间信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，其特征在于，包括：
步骤S1，设定激光雷达扫描的参考角度，获取摄像头的帧率和安装角度，根据帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间；
步骤S2，获取激光雷达扫描参考角度的参考时间，以参考时间为起点，在经过同步延时时间的时长后控制对应的摄像头曝光；
步骤S3，获取曝光时的摄像头数据和激光雷达数据，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，得到准确的时间和空间信息。
2.如权利要求1所述的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，其特征在于，步骤S1包括：
dly＝(1/fps)*(ang/360)，dly为同步延时时间，fps为帧率，ang为安装角度。
3.如权利要求1所述的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，其特征在于，步骤S3中，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，包括：
通过透视变换矩阵获得世界坐标系与摄像头图像坐标系之间的转换关系；
获得世界坐标系与激光雷达坐标系之间的转换关系；
确定摄像头数据和激光雷达数据之间的数据映射。
4.如权利要求3所述的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，其特征在于，通过透视变换矩阵获得世界坐标系与摄像头图像坐标系之间的转换关系，包括：
Figure FDA0003063890410000011
u、v分别为空间某点P在摄像头图像坐标系的横纵坐标，Xw、Yw、Zw分别为点P在世界坐标系的三维坐标，n1～n11为透视变换矩阵中的元素，透视变换矩阵表示为
Figure FDA0003063890410000021
5.如权利要求4所述的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，获得世界坐标系与激光雷达坐标系之间的转换关系，包括：
Figure FDA0003063890410000022
r为激光雷达坐标系中激光雷达到此点的距离，θ为激光雷达扫过的角度，h为激光雷达的安装高度。
6.如权利要求5所述的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，其特征在于，确定摄像头数据和激光雷达数据之间的数据映射，包括：
利用标定柱实现激光雷达和摄像头的联合标定，得到透视变换矩阵。
7.如权利要求1所述的智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步方法，其特征在于，步骤S3中，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，包括：
在摄像头数据和激光雷达数据的输入端分别设置缓存池，用以保留不同时刻达到的数据，并记录其时间戳；每个缓存池的作用是进入一帧数据后做触发动作，保存其数据值和时间戳，在下一帧到来时重新触发并循环。
8.一种智能驾驶控制系统的摄像头和激光雷达同步系统，其特征在于，包括：
同步延时时间计算单元，用于设定激光雷达扫描的参考角度，获取摄像头的帧率和安装角度，根据帧率和安装角度计算摄像头曝光时间的同步延时时间；
摄像头曝光控制单元，用于获取激光雷达扫描参考角度的参考时间，以参考时间为起点，在经过同步延时时间的时长后控制对应的摄像头曝光；
数据融合处理单元，用于获取曝光时的摄像头数据和激光雷达数据，对此时的摄像头数据和激光雷达数据进行融合处理，得到准确的时间和空间信息。
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