DE102019008369B4 - Method for calibrating a distance measuring sensor of a vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Kalibrierung eines distanzmessenden Sensors eines Fahrzeugs,dadurch gekennzeichnet, dass ein Transformationsparameterwert mindestens eines Transformationsparameters für eine Koordinatentransformation ermittelt wird, mit dem eine in einem Sensorkoordinatensystem ermittelte Messposition (MP) in ein Weltkoordinatensystem (WKS) transformiert wird, wobei der Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters durch ein Optimierungsverfahren ermittelt wird, bei dem Messpositionen (MP), die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermittelt wurden, ausgewertet werden, wobei das Optimierungsverfahren folgende Schritte umfasst:a) Transformation der Messpositionen (MP) mit einem vorgegebenen Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters in ein Koordinatengitter (KG) des Weltkoordinatensystems (WKS),b) Zählen von Zellen (Z) des Koordinatengitters (KG), denen zumindest eine der transformierten Messpositionen (TMP) zugeordnet ist,c) Wiederholen der Schritte a) und b) mit einem jeweils modifizierten Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters und Ermitteln des Transformationsparameterwertes des mindestens einen Transformationsparameters, der in Schritt b) zu einem Minimum führt.Method for calibrating a distance-measuring sensor of a vehicle, characterized in that a transformation parameter value of at least one transformation parameter for a coordinate transformation is determined, with which a measurement position (MP) determined in a sensor coordinate system is transformed into a world coordinate system (WKS), the transformation parameter value of the at least one Transformation parameter is determined by an optimization method in which the measurement positions (MP), which were determined with the sensor at different times during the vehicle's own movement, are evaluated, the optimization method comprising the following steps: a) Transformation of the measurement positions (MP) with a predetermined one Transformation parameter value of the at least one transformation parameter in a coordinate grid (KG) of the world coordinate system (WKS),b) counting of cells (Z) of the coordinate grid (KG) to which at least one of the transformi first measurement positions (TMP),c) repeating steps a) and b) with a respectively modified transformation parameter value of the at least one transformation parameter and determining the transformation parameter value of the at least one transformation parameter, which in step b) leads to a minimum.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines distanzmessenden Sensors eines Fahrzeugs.The invention relates to a method for calibrating a distance-measuring sensor of a vehicle.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
Aus der
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Kalibrierung eines distanzmessenden Sensors eines Fahrzeugs anzugeben.From the
The invention is based on the object of specifying a method for calibrating a distance-measuring sensor of a vehicle that is improved over the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines distanzmessenden Sensors eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a method for calibrating a distance-measuring sensor of a vehicle with the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
In einem Verfahren zur Kalibrierung eines distanzmessenden Sensors eines Fahrzeugs, insbesondere bezüglich einer Eigenbewegung des Fahrzeugs, wird ein Transformationsparameterwert mindestens eines Transformationsparameters für eine Koordinatentransformation ermittelt, mit dem eine in einem Sensorkoordinatensystem ermittelte Messposition in ein Weltkoordinatensystem transformiert wird. Der Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters wird durch ein Optimierungsverfahren ermittelt, bei dem Messpositionen, die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermittelt wurden, ausgewertet werden. Dabei umfasst das Optimierungsverfahren folgende Schritte:
- a) Transformation der Messpositionen mit einem vorgegebenen Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters in ein Koordinatengitter des Weltkoordinatensystems,
- b) Zählen von Zellen des Koordinatengitters, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen zugeordnet ist,
- c) Wiederholen der Schritte a) und b) mit einem jeweils, d. h. bei jeder Wiederholung, modifizierten Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters und Ermitteln des Transformationsparameterwertes des mindestens einen Transformationsparameters, der in Schritt b) zu einem Minimum führt, d. h. zu einem Minimum einer Anzahl der Zellen des Koordinatengitters, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen zugeordnet ist.
- a) transformation of the measurement positions with a predetermined transformation parameter value of the at least one transformation parameter into a coordinate grid of the world coordinate system,
- b) counting cells of the coordinate grid to which at least one of the transformed measurement positions is assigned,
- c) Repeating steps a) and b) with a modified transformation parameter value of the at least one transformation parameter, ie with each repetition, and determining the transformation parameter value of the at least one transformation parameter, which in step b) leads to a minimum, ie to a minimum of a number of the cells of the coordinate grid to which at least one of the transformed measurement positions is assigned.
Grundgedanke des Verfahrens ist es somit, eine vom Sensor erfasste Umgebung des Fahrzeugs mit möglichst wenigen Zellen des Koordinatengitters, welches aus diesen Zellen mit jeweils endlicher Ausdehnung gebildet ist, zu repräsentieren. Hierfür werden in diesem Verfahren mittels der Eigenbewegung des Fahrzeugs Punktmessungen des Sensors in das Weltkoordinatensystem, d. h. in ein weltfestes Koordinatensystem, überführt, welches in Zellen einer vorgegebenen Größe quantisiert wird.The basic idea of the method is therefore to represent an environment of the vehicle detected by the sensor with as few cells as possible of the coordinate grid, which is formed from these cells, each with a finite extent. For this purpose, point measurements of the sensor in the world coordinate system, i. H. into a world-fixed coordinate system, which is quantized in cells of a given size.
Ein jeweiliger Objektpunkt eines jeweils erfassten statischen Objekts, d. h. ein jeweiliger weltfester Objektpunkt, weist unveränderliche Weltkoordinaten auf und wird daher bei Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs bei kalibriertem Sensor stets an derselben Position im Weltkoordinatensystem erscheinen, d. h. bei allen Messungen nur eine einzige transformierte Messposition bilden, und somit nur eine Zelle des Koordinatengitters belegen. Bei dekalibriertem Sensor wird derselbe weltfeste Objektpunkt jedoch bei Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs an verschiedenen Position des Weltkoordinatensystems erscheinen, d. h. es werden für denselben weltfesten Objektpunkt des statischen Objekts verschiedene transformierte Messpositionen an verschiedenen Stellen des Weltkoordinatensystems ermittelt, wodurch mit demselben weltfesten Objektpunkt des statischen Objekts aufgrund der daraus resultierenden mehreren transformierten Messpositionen mehrere Zellen des Koordinatengitters belegt werden. Bei einer Vielzahl mittels des Sensors erfasster weltfester Objektpunkte ergibt sich somit eine erhebliche Abweichung der Anzahl mit transformierten Messpositionen belegter Zellen bei kalibriertem Sensor, bei welchem für den jeweiligen weltfesten Objektpunkt nur eine einzige transformierte Messposition ermittelt wird, im Vergleich zum nicht kalibrierten Sensor, bei welchem für denselben weltfesten Objektpunkt mehrere transformierte Messpositionen ermittelt werden.A respective object point of a respectively detected static object, i.e. a respective world-fixed object point, has unchanging world coordinates and will therefore always appear at the same position in the world coordinate system for measurements at different times during the vehicle’s own movement with a calibrated sensor, i.e. only one for all measurements form the transformed measurement position, and thus occupy only one cell of the coordinate grid. With a decalibrated sensor, however, the same world-fixed object point will appear at different positions in the world coordinate system for measurements at different times during the vehicle's own movement, i.e. different transformed measurement positions are determined at different points in the world coordinate system for the same world-fixed object point of the static object, which means that the same world-fixed object point of the static object, due to the resulting multiple transformed measurement positions, multiple cells of the coordinate grid are occupied. With a large number using the Sensor detected world fixed object points, there is a significant deviation in the number of cells occupied with transformed measurement positions with a calibrated sensor, in which only a single transformed measurement position is determined for the respective world fixed object point, compared to the non-calibrated sensor, in which several for the same world fixed object point transformed measurement positions are determined.
Ziel des Optimierungsverfahrens ist es somit, die Anzahl der benötigten, d. h. mit mindestens einer transformierten Messposition belegten, Zellen durch Adaption des Transformationsparameterwertes des mindestens einen Transformationsparameters, vorteilhafterweise durch Adaption eines jeweiligen Transformationsparameterwertes mehrerer Transformationsparameter, zu minimieren. Die Anzahl dieser benötigten, d. h. mit mindestens einer transformierten Messposition belegten, Zellen ist bei optimaler Kalibrierung des Sensors minimal, da dann für den jeweils erfassten weltfesten Objektpunkt in allen Messungen dieselbe transformierte Messposition im Weltkoordinatensystem erfasst wird. Die Anzahl der transformierten Messpositionen ist somit auf die Anzahl erfasster Objektpunkte reduziert, wodurch die Anzahl der transformierten Messpositionen und somit die Anzahl der von den transformierten Messpositionen belegten Zellen minimal ist.The aim of the optimization process is therefore to reduce the number of required, i. H. cells occupied with at least one transformed measurement position by adapting the transformation parameter value of the at least one transformation parameter, advantageously by adapting a respective transformation parameter value of a plurality of transformation parameters. The number of these required, i. H. cells occupied with at least one transformed measurement position is minimal with optimal calibration of the sensor, since the same transformed measurement position in the world coordinate system is then recorded in all measurements for the respectively recorded world-fixed object point. The number of transformed measurement positions is thus reduced to the number of detected object points, as a result of which the number of transformed measurement positions and thus the number of cells occupied by the transformed measurement positions is minimal.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kalibrierung ohne zusätzliche Referenzsensorik möglich. Zudem ist keine Korrespondenzfindung zwischen Messpositionen erforderlich, wie dies in anderen möglichen Kalibrierungsverfahren erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert insbesondere mit beliebigen Umgebungen des Fahrzeugs. Es müssen keine Vorbedingungen an mittels des Sensors zu erfassenden Szenarien erfüllt werden, damit das Verfahren funktioniert. Zweckmäßigerweise muss lediglich mindestens ein stationäres Objekt erfassbar sein. Hierfür muss es sich jedoch nicht um ein spezifisches Testobjekt handeln, sondern irgendein stationäres Objekt ist bereits ausreichend, beispielsweise ein Gebäude, eine Bordsteinkante, eine Leitplanke, ein Leitpfosten oder ein anderes Bauwerk, zum Beispiel auch ein Einrichtungsgegenstand in einem Gebäude oder eine Innenraumausformung des Gebäudes, zum Beispiel einer Produktionshalle, in welcher das Fahrzeug hergestellt wird.Using the method according to the invention, calibration is possible without additional reference sensors. In addition, there is no need to find correspondence between measurement positions, as is the case in other possible calibration methods. The method according to the invention works in particular with any surroundings of the vehicle. No preconditions for scenarios to be detected by the sensor have to be met for the method to work. Appropriately, only at least one stationary object needs to be detectable. However, this does not have to be a specific test object, but any stationary object is sufficient, for example a building, a curb, a crash barrier, a delineator post or another structure, for example a piece of furniture in a building or an interior design of the building , for example a production hall in which the vehicle is manufactured.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert ebenso in Szenarien mit dynamischen Objekten. Diese dynamischen Objekte erzeugen für jeden Objektpunkt, da die Objektpunkte bei dynamischen Objekten nicht weltfest sind, zu verschiedenen Zeitpunkten jeweils eine andere Messposition, da sich derselbe Objektpunkt aufgrund der dynamischen Bewegung des Objekts zu den verschiedenen Zeitpunkten an verschiedenen Orten befindet, und somit auch verschiedene transformierte Messpositionen. Da sich der jeweilige Objektpunkt eines solchen dynamischen Objekts somit nicht zu verschiedenen Zeitpunkten am gleichen Ort befindet, wird es jedoch keine aus der Dekalibrierung des Sensors resultierenden mehreren transformierten Messpositionen für denselben Objektpunkt am selben Ort geben, welche sich durch die Kalibrierung auf eine transformierte Messposition reduzieren würden. D. h. für dynamische Objekte bleibt die Anzahl der transformierten Messpositionen und somit auch die Anzahl der von diesen transformierten Messpositionen belegten Zellen auch nach der Kalibrierung gleich groß wie vor der Kalibrierung, sie verändert sich somit während des Optimierungsverfahrens nicht und hat daher auch keinen Einfluss auf diese Optimierung bezüglich der Minimierung der belegten Zellen. Diese Minimierung der belegten Zellen erfolgt ausschließlich durch die Reduzierung der transformierten Messpositionen der erfassten statischen Objekte.The method according to the invention also works in scenarios with dynamic objects. Since the object points in dynamic objects are not world-fixed, these dynamic objects generate a different measurement position at different points in time for each object point, since the same object point is at different locations due to the dynamic movement of the object at different points in time, and thus also different transformed positions measurement positions. Since the respective object point of such a dynamic object is therefore not at the same location at different times, there will be no multiple transformed measurement positions for the same object point at the same location resulting from the decalibration of the sensor, which would be reduced to one transformed measurement position by the calibration would. i.e. for dynamic objects, the number of transformed measurement positions and thus also the number of cells occupied by these transformed measurement positions remains the same after the calibration as before the calibration, it does not change during the optimization process and therefore has no influence on this optimization minimizing occupied cells. This minimization of the occupied cells is done exclusively by reducing the transformed measurement positions of the recorded static objects.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem aufgrund der Quantisierung des Weltkoordinatensystems in Zellen robust gegenüber Distanzrauschen einzelner Punktmessungen.The method according to the invention is also robust to distance noise of individual point measurements due to the quantization of the world coordinate system in cells.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist des Weiteren keine initiale Kalibrierung des Sensors notwendig.Furthermore, no initial calibration of the sensor is necessary using the method according to the invention.
Beispielsweise wird ein Transformationsparameterwert für mindestens einen als extrinsischer Sensorparameter des Sensors ausgebildeten Transformationsparameter und/oder für einen als ein zeitlicher Versatz zwischen einer sensorinternen Uhr des Sensors und einer Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs ausgebildeten Transformationsparameter ermittelt. Der mindestens eine als extrinsischer Sensorparameter ausgebildete Transformationsparameter ist beispielsweise eine x-Koordinate, eine y-Koordinate oder eine z-Koordinate einer Einbauposition des Sensors in einem Fahrzeugkoordinatensystem oder ein Rollwinkel, ein Nickwinkel oder ein Gierwinkel des Sensors bezüglich des Fahrzeugkoordinatensystems.For example, a transformation parameter value is determined for at least one transformation parameter designed as an extrinsic sensor parameter of the sensor and/or for a transformation parameter designed as a time offset between a sensor-internal clock of the sensor and a clock of the vehicle's own motion module. The at least one transformation parameter designed as an extrinsic sensor parameter is, for example, an x-coordinate, a y-coordinate or a z-coordinate of an installation position of the sensor in a vehicle coordinate system or a roll angle, a pitch angle or a yaw angle of the sensor with respect to the vehicle coordinate system.
Vorteilhafterweise werden Transformationsparameterwerte mehrerer Transformationsparameter, beispielsweise aller extrinsischen Sensorparameter und zum Beispiel zusätzlich des zeitlichen Versatzes zwischen der sensorinternen Uhr des Sensors und der Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs, für die Koordinatentransformation ermittelt, mit denen eine im Sensorkoordinatensystem ermittelte Messposition in das Weltkoordinatensystem transformiert wird. D. h. es wird ein Transformationsparameterwert für den jeweiligen Transformationsparameter ermittelt. Die Transformationsparameterwerte der Transformationsparameter werden durch das Optimierungsverfahren ermittelt, bei dem Messpositionen, die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermittelt wurden, ausgewertet werden. Dabei umfasst das Optimierungsverfahren entsprechend die Schritte:
- a) Transformation der Messpositionen mit einem vorgegebenen Transformationsparameterwert des jeweiligen Transformationsparameters in das Koordinatengitter des Weltkoordinatensystems,
- b) Zählen der Zellen des Koordinatengitters, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen zugeordnet ist,
- c) Wiederholen der Schritte a) und b) mit jeweils, d. h. bei jeder Wiederholung, modifizierten Transformationsparameterwerten der Transformationsparameter und Ermitteln der Transformationsparameterwerte der Transformationsparameter, d. h. des Transformationsparameterwertes des jeweiligen Transformationsparameters, die in Schritt b) zu einem Minimum führen, d. h. zu einem Minimum der Anzahl der Zellen des Koordinatengitters, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen zugeordnet ist. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei jeder Wiederholung der Schritte a) und b) der Transformationsparameterwert nur jeweils eines Transformationsparameters oder der jeweilige Transformationsparameterwert mehrerer oder aller Transformationsparameter gleichzeitig modifiziert wird. Das Verfahren ermöglicht somit vorteilhafterweise eine zeitliche Kalibrierung, durch die Uhrzeitsynchronisation zwischen dem Sensor und dem Eigenbewegungsmodul, d. h. durch die Ermittlung des zeitlichen Versatzes zwischen der sensorinternen Uhr des Sensors und der Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs, und gleichzeitig eine räumliche Kalibrierung, vorteilhafterweise in sechs Freiheitsgraden, d. h. bezüglich der x-Achse, y-Achse und z-Achse des Fahrzeugkoordinatensystems und bezüglich des Rollwinkels, eines Nickwinkels und Gierwinkels zum Fahrzeugkoordinatensystem.
- a) Transformation of the measurement positions with a specified transformation parameter value of the respective transformation parameter into the coordinate grid of the world coordinate system,
- b) counting the cells of the coordinate grid to which at least one of the transformed measurement positions is assigned,
- c) Repeating steps a) and b) with modified transformation parameter values of the transformation parameters, ie with each repetition, and determining the transformation parameter values of the transformation parameters, ie the transformation parameter value of the respective transformation parameter, which in step b) lead to a minimum, ie to a minimum the number of cells in the coordinate grid to which at least one of the transformed measurement positions is assigned. It can be provided, for example, that with each repetition of steps a) and b), the transformation parameter value of only one transformation parameter or the respective transformation parameter value of several or all transformation parameters is modified simultaneously. The method thus advantageously enables a time calibration, through the time synchronization between the sensor and the self-motion module, ie by determining the time offset between the sensor-internal clock of the sensor and the clock of the self-motion module of the vehicle, and at the same time a spatial calibration, advantageously in six degrees of freedom , ie with respect to the x-axis, y-axis and z-axis of the vehicle coordinate system and with respect to the roll angle, a pitch angle and yaw angle to the vehicle coordinate system.
Als Sensor wird beispielsweise ein Lidarsensor, ein Radarsensor, ein Ultraschallsensor oder eine Stereokamera des Fahrzeugs kalibriert, d. h. insbesondere ein Umgebungserfassungssensor des Fahrzeugs. Derartige Umgebungserfassungssensoren sind insbesondere vorteilhaft zur Durchführung einer oder mehrerer Assistenzfunktionen des Fahrzeugs und/oder durch Durchführung eines zumindest teilautomatisierten oder vollautomatisierten oder autonomen Fahrbetriebs des Fahrzeugs. Hierfür ist es wichtig, dass der jeweilige Sensor kalibriert ist, um exakte Sensorergebnisse zu liefern und dadurch mögliche Fehlfunktionen der Assistenzfunktion bzw. des zumindest teilautomatisierten oder vollautomatisierten oder autonomen Fahrbetriebs des Fahrzeugs zu vermeiden.For example, a lidar sensor, a radar sensor, an ultrasonic sensor or a stereo camera of the vehicle is calibrated as a sensor, i. H. in particular an environment detection sensor of the vehicle. Such surroundings detection sensors are particularly advantageous for carrying out one or more assistance functions of the vehicle and/or by carrying out an at least partially automated or fully automated or autonomous driving operation of the vehicle. For this it is important that the respective sensor is calibrated in order to deliver exact sensor results and thereby avoid possible malfunctions of the assistance function or the at least partially automated or fully automated or autonomous driving operation of the vehicle.
Die Eigenbewegung des Fahrzeugs wird insbesondere mittels eines Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs ermittelt. Die vorteilhafterweise von diesem Eigenbewegungsmodul gelieferten Daten zur Eigenbewegung des Fahrzeugs sind zur Transformation vom Sensorkoordinatensystem in das Weltkoordinatensystem erforderlich, wobei diese Transformation zweckmäßigerweise über ein Fahrzeugkoordinatensystem als Zwischenschritt erfolgt. Die Transformation vom Sensorkoordinatensystem in das Fahrzeugkoordinatensystem erfolgt dabei insbesondere mittels der extrinsischen Sensorparameter und die Transformation vom Fahrzeugkoordinatensystem in das Weltkoordinatensystem mittels der Uhrzeitsynchronisation zwischen dem Sensor und dem Eigenbewegungsmodul, d. h. mittels des ermittelten zeitlichen Versatzes zwischen der sensorinternen Uhr des Sensors und der Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs.The vehicle's own movement is determined in particular by means of a vehicle's own movement module. The data on the vehicle's own movement, which is advantageously supplied by this own movement module, is required for the transformation from the sensor coordinate system into the world coordinate system, with this transformation expediently taking place via a vehicle coordinate system as an intermediate step. The transformation from the sensor coordinate system into the vehicle coordinate system takes place in particular by means of the extrinsic sensor parameters and the transformation from the vehicle coordinate system into the world coordinate system by means of the time synchronization between the sensor and the own motion module, i. H. by means of the determined time offset between the sensor's internal clock and the clock of the vehicle's own movement module.
Die Kalibrierung mittels dieses Verfahrens wird beispielsweise an einem Bandende einer Herstellung des Fahrzeugs durchgeführt. Dies wird auch als End-of-Line-Kalibrierung bezeichnet, welche mittels des Verfahrens auf besonders schnelle und einfache Weise und ohne einen Zusatzaufwand möglich ist. Anstatt das Fahrzeug aufwändig einzumessen, ist es vorteilhafterweise ausreichend, wenige Meter mit dem Fahrzeug zu fahren. Dadurch kann eine Prozesskette erheblich beschleunigt werden. Die End-of-line-Kalibrierung ist einer der zeitintensivsten Schritte im Fahrzeugaufbau.The calibration using this method is carried out, for example, at the end of a production line for the vehicle. This is also referred to as end-of-line calibration, which is possible using the method in a particularly quick and simple manner and without any additional effort. Instead of measuring the vehicle in a complex manner, it is advantageously sufficient to drive the vehicle a few meters. As a result, a process chain can be significantly accelerated. End-of-line calibration is one of the most time-consuming steps in vehicle construction.
Alternativ oder zusätzlich wird die Kalibrierung mittels dieses Verfahrens beispielsweise während eines regulären Fahrbetriebs des Fahrzeugs durchgeführt. Das Verfahren kann hierbei beispielsweise verwendet werden, um kontinuierlich die Kalibrierung des Sensors während der Fahrt des Fahrzeugs durchzuführen und/oder um zu erkennen, ob der Sensor dekalibriert ist, beispielsweise durch einen mechanischen Defekt.Alternatively or additionally, the calibration is carried out using this method, for example during regular driving operation of the vehicle. The method can be used here, for example, to continuously carry out the calibration of the sensor while the vehicle is driving and/or to detect whether the sensor is decalibrated, for example due to a mechanical defect.
Alternativ oder zusätzlich wird die Kalibrierung mittels dieses Verfahrens beispielsweise während einer Datenermittlung zur Erstellung mindestens einer hochauflösenden digitalen Karte durchgeführt. Dadurch kann eine hochgenaue Objekterfassung und Objektpositionserfassung mittels des auf diese Weise kalibrierten Sensors erfolgen, um dadurch eine Genauigkeit der hochauflösenden digitalen Karte zu verbessern. Das Verfahren kann dabei auf aufgezeichnete Sequenzen der Sensorerfassung angewandt werden, um eine hochpräzise Kalibrierung zu erhalten.Alternatively or additionally, the calibration is carried out using this method, for example during a data determination to create at least one high-resolution digital map. This allows highly accurate object detection and object position detection using the sensor calibrated in this way, thereby improving the accuracy of the high-resolution digital map. The method can be applied to recorded sensor detection sequences in order to obtain a highly precise calibration.
Diese Kalibrierung mittels aufgezeichneter Sequenzen der Sensorerfassung kann beispielsweise auch verwendet werden, um als Referenz für eine Online-Kalibrierung zu dienen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass, insbesondere als Online-Kalibrierung, mindestens eine Kalibrierung durchgeführt wird, bei der Messpositionen, die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten innerhalb eines kurzen Zeitraums während der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermittelt wurden, ausgewertet werden, und zudem, insbesondere als Referenz für diese Online-Kalibrierung und somit zu deren Überprüfung, mindestens eine Kalibrierung durchgeführt wird, bei der Messpositionen, die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten innerhalb eines längeren Zeitraums während der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermittelt wurden, ausgewertet werden. Der längere Zeitraum umfasst dabei vorteilhafterweise die Zeitpunkte des kürzeren Zeitraums und zusätzliche Zeitpunkte, zu denen mit dem Sensor Messpositionen ermittelt wurden. Die Online-Kalibrierung kann auf diese Weise schnell und kurz hintereinander durchgeführt werden. Für deren Überprüfung steht dann ein längerer Zeitraum und somit auch eine längere Rechenzeit zur Verfügung, um die entsprechend höhere Anzahl von Messpositionen auszuwerten.This calibration using recorded sequences of sensor detection can also be used, for example, to serve as a reference for an online calibration. For example, it can be provided that at least one calibration is carried out, in particular as an online calibration, in which measurement positions that were determined with the sensor at different times within a short period of time during the vehicle's own movement are evaluated, and also, in particular as Reference for this online calibration and thus for its verification, at least one calibration is carried out, are evaluated in the measurement positions that were determined with the sensor at different times within a longer period of time during the vehicle's own movement. The longer period of time advantageously includes the points in time of the shorter period of time and additional points in time at which measurement positions were determined with the sensor. In this way, the online calibration can be carried out quickly and in quick succession. A longer period of time and thus also a longer computing time is then available for checking them in order to evaluate the correspondingly higher number of measurement positions.
Zusammenfassend wird somit vorteilhafterweise ein Verfahren zur Kalibrierung des distanzmessenden Sensors des Fahrzeugs, insbesondere bezüglich der Eigenbewegung des Fahrzeugs, durchgeführt, wobei Kalibrierung bedeutet, dass Transformationsparameter, insbesondere Transformationsparameterwerte der Transformationsparameter, für die Koordinatentransformation ermittelt werden, mit denen eine im Sensorkoordinatensystem ermittelte Messposition in das Weltkoordinatensystem transformiert wird. Die Transformationsparameter, insbesondere deren Transformationsparameterwerte, werden durch ein Optimierungsverfahren ermittelt, bei dem Messpositionen, die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt wurden, ausgewertet werden. Das Optimierungsverfahren basiert dabei vorteilhafterweise auf den Schritten:
- a) Transformation der Messpositionen mit vorgegebenen Transformationsparametern, insbesondere vorgegebenen Transformationsparameterwerten der Transformationsparameter, in ein Koordinatengitter des Weltkoordinatensystems,
- b) Zählen der Zellen des Koordinatengitters, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen zugeordnet ist,
- c) Wiederholen der Schritte a) und b) mit modifizierten Transformationsparametern, insbesondere modifizierten Transformationsparameterwerten der Transformationsparameter, und Ermitteln der Transformationsparameter, insbesondere deren Transformationsparameterwerte, die in Schritt b) zu einem Minimum führen.
- a) Transformation of the measurement positions with specified transformation parameters, in particular specified transformation parameter values of the transformation parameters, into a coordinate grid of the world coordinate system,
- b) counting the cells of the coordinate grid to which at least one of the transformed measurement positions is assigned,
- c) repeating steps a) and b) with modified transformation parameters, in particular modified transformation parameter values of the transformation parameters, and determining the transformation parameters, in particular their transformation parameter values, which lead to a minimum in step b).
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 schematisch mehrere zeitlich versetzte Messungen eines dekalibrierten als Lidarsensor ausgebildeten Sensors, aufakkumuliert in einem Weltkoordinatensystem, -
2 schematisch eine, eine Anzahl belegter Zellen angebende, Fehlerfunktion in Abhängigkeit von einem als Gierwinkel ausgebildeten Transformationsparameter, -
3 schematisch eine, eine Anzahl belegter Zellen angebende, Fehlerfunktion in Abhängigkeit von einem als Rollwinkel ausgebildeten Transformationsparameter, -
4 schematisch die zeitlich versetzten und im Weltkoordinatensystem aufakkumulierten Messungen aus1 mit kalibriertem als Lidarsensor ausgebildetem Sensor, und -
5 schematisch eine Ausschnittvergrößerung aus4 .
-
1 Schematic diagram of several temporally offset measurements of a decalibrated sensor designed as a lidar sensor, accumulated in a world coordinate system, -
2 schematically an error function indicating a number of occupied cells as a function of a transformation parameter designed as a yaw angle, -
3 schematically an error function indicating a number of occupied cells as a function of a transformation parameter designed as a roll angle, -
4 schematically shows the measurements that are offset in time and accumulated in the world coordinate system1 with a calibrated sensor designed as a lidar sensor, and -
5 schematically shows a detail enlargement4 .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Anhand der
Insbesondere für ein autonomes Fahrzeug ist eine präzise und konsistente Abbildung einer Umgebung des Fahrzeugs, auch als Umgebungsrepräsentation bezeichnet, in einem ausgewählten Koordinatensystem ein notwendiges Kriterium für sicheres Fahren. Eine präzise und konsistente Umgebungsrepräsentation benötigt eine extrinsische Kalibrierung der Sensoren, insbesondere der distanzmessenden Sensoren, des Fahrzeugs zueinander oder zum Fahrzeug sowie eine zeitliche Kalibrierung, d. h. eine Synchronisation einer sensorinternen Uhr.For an autonomous vehicle in particular, a precise and consistent mapping of the vehicle's surroundings, also referred to as a representation of the surroundings, in a selected coordinate system is a necessary criterion for safe driving. A precise and consistent representation of the environment requires an extrinsic calibration of the sensors, in particular the distance-measuring sensors, of the vehicle to one another or to the vehicle, as well as a temporal calibration, i. H. a synchronization of a sensor-internal clock.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden vorteilhafterweise beide Kalibrierungen, d. h. die extrinsische und zeitliche Kalibrierung, in einem einzigen Messschritt, d. h. in einem einzigen Verfahrensablauf, durchgeführt, vorteilhafterweise für alle distanzmessenden Sensoren des Fahrzeugs. Des Weiteren ist das Verfahren so allgemein und robust, dass es in fast beliebigen Umgebungen des Fahrzeugs ohne zusätzliche Mess- und Kalibrierungstechnik angewendet werden kann. Mindestvoraussetzung ist beispielsweise das Vorhandensein mindestens eines mit dem Sensor erfassbaren statischen Objekts in der Umgebung des Fahrzeugs. Dies sollte praktisch in jeder denkbaren Situation, in der sich das Fahrzeug, insbesondere während einer Eigenbewegung, befinden kann, der Fall sein.In the method described here, both calibrations, ie the extrinsic and temporal calibration, are advantageously carried out in a single measurement step, ie in a single method process, carried out, advantageously for all distance-measuring sensors of the vehicle. Furthermore, the method is so general and robust that it can be used in almost any vehicle environment without additional measurement and calibration technology. The minimum requirement is, for example, the presence of at least one static object in the area surrounding the vehicle that can be detected by the sensor. This should be the case in practically every conceivable situation in which the vehicle can find itself, in particular when it is moving itself.
Extrinsisch kalibrieren bedeutet, dass für den jeweiligen Sensor eine extrinsische Transformation Text von seinem Sensorkoordinatensystem zu einem vorgegebenen Fahrzeugkoordinatensystem bestimmt wird. Die extrinsische Transformation Text setzt sich dabei aus einer xyz-Translation, d. h. der Einbauposition des Sensors am Fahrzeug und somit einer x-Koordinate, y-Koordinate und z-Koordinate der Einbauposition des Sensors im Fahrzeugkoordinatensystem, und einer Orientierung, d. h. einem Rollwinkel R, Nickwinkel und Gierwinkel G, auch als Yaw, Pitch- und Roll-Winkel bezeichnet, zusammen.Calibrating extrinsically means that an extrinsic transformation T ext from its sensor coordinate system to a predefined vehicle coordinate system is determined for the respective sensor. The extrinsic transformation text consists of an xyz translation, ie the installation position of the sensor on the vehicle and thus an x-coordinate, y-coordinate and z-coordinate of the installation position of the sensor in the vehicle coordinate system, and an orientation, ie a roll angle R, pitch angle and yaw angle G, also known as yaw, pitch and roll angle together.
Das Fahrzeug weist ein Modul auf, welches Eigenbewegungsdaten im Fahrzeugkoordinatensystem bereitstellt. D. h. die Eigenbewegung des Fahrzeugs wird mittels dieses auch als Eigenbewegungsmodul bezeichneten Moduls des Fahrzeugs ermittelt und stellt entsprechende Daten dieser Eigenbewegung bereit.The vehicle has a module that provides own motion data in the vehicle coordinate system. i.e. the vehicle's own movement is determined by means of this module of the vehicle, which is also referred to as the vehicle's own movement module, and provides corresponding data of this own movement.
Sensordaten des Sensors können somit mit der extrinsischen Transformation Text in das Fahrzeugkoordinatensystem und mittels der Eigenbewegungsdaten in ein weltfestes Koordinatensystem, im Folgenden als Weltkoordinatensystem WKS bezeichnet, transformiert werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass neben der extrinsischen Kalibrierung gleichzeitig auch die sensorinternen Uhren abgeglichen werden, d. h. insbesondere die sensorinterne Uhr des Sensors mit einer Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs. Ohne zeitlich abgeglichene Uhren kann keine einheitliche Umgebungsrepräsentation erstellt werden. D. h. es kann nicht bestimmt werden, wann sich ein Objekt an welcher Position befand.Sensor data of the sensor can thus be transformed into the vehicle coordinate system using the extrinsic transformation text and into a world-fixed coordinate system, hereinafter referred to as world coordinate system WKS, using the own motion data. It must be ensured that, in addition to the extrinsic calibration, the sensor-internal clocks are also adjusted at the same time, i. H. in particular the sensor's internal clock with a clock of the vehicle's own motion module. Without time-aligned clocks, a uniform representation of the environment cannot be created. i.e. it cannot be determined when an object was in which position.
Bei bisherigen Verfahren wird das Fahrzeug aufwändig mit Referenzsensorik eingemessen. Dies ist jedoch sehr zeitintensiv, fehleranfällig und nicht onlinefähig, d. h. insbesondere nicht während eines regulären Fahrbetriebs des Fahrzeugs durchführbar. Fortschrittlichere Verfahren berechnen eine Lidar-Odometrie anhand von Merkmalen. Dabei werden Merkmale für einzelne Punkte berechnet, Korrespondenzen zwischen Punktwolken gesucht und anhand einer Fehlerfunktion der Abstand zwischen den Korrespondenzen minimiert. Die berechnete Eigenbewegung anhand der Punktwolke kann nun mit der Eigenbewegung des Fahrzeuges abgeglichen und daraus die extrinsische Transformation Text bestimmt werden. Probleme dabei sind jedoch, dass eine eindeutige Zuordnung von Korrespondenzpunkten zwischen zwei Punktwolken erforderlich ist. Problematisch ist zudem die Berechnung geeigneter Korrespondenzfeatures. Wesentliches Problem, insbesondere bezüglich der einfachen Ausführbarkeit und der Online-Fähigkeit, ist zudem, dass Korrespondenzen auf dynamische Objekte innerhalb einer erfassten Szene die Eigenbewegungsschätzung verfälschen. Zudem ist eine Güte der Bewegungsschätzung szenenabhängig.In previous methods, the vehicle is calibrated using reference sensors, which is time-consuming. However, this is very time-consuming, error-prone and not online-enabled, i. H. In particular, it cannot be carried out during regular driving operation of the vehicle. More advanced methods calculate a lidar odometry based on features. Features are calculated for individual points, correspondences between point clouds are sought and the distance between the correspondences is minimized using an error function. The calculated own movement based on the point cloud can now be compared with the own movement of the vehicle and the extrinsic transformation text can be determined from this. Problems with this, however, are that a clear assignment of correspondence points between two point clouds is required. The calculation of suitable correspondence features is also problematic. A significant problem, especially with regard to the simple feasibility and the online capability, is that correspondences to dynamic objects within a detected scene falsify the estimation of the own motion. In addition, the quality of the motion estimation is scene-dependent.
Die grundlegende Idee für das hier beschriebene Verfahren bezüglich der vorteilhafterweise zeitlichen und räumlichen Kalibrierung eines distanzmessenden Sensors ist die Annahme, dass statische Objekte ihre Position in einem weltfesten Koordinatensystem, d. h. im Weltkoordinatensystem WKS, nicht ändern. Wird nun ein Objektpunkt eines solchen statischen Objekts, d. h. ein weltfester Objektpunkt, im Weltkoordinatensystem WKS aus einem bewegten Fahrzeug aus verschiedenen Positionen mittels des Sensors vermessen, dann sollten die Messwerte des Sensors jeweils immer das gleiche Ergebnis für den jeweiligen weltfesten Objektpunkt liefern. Dies setzt jedoch voraus, dass der Sensor relativ zur Eigenbewegung des Fahrzeugs, auch als ego-motion bezeichnet, kalibriert ist. Ist dies nicht der Fall, wird der Sensor von verschiedenen Fahrzeugpositionen aus unterschiedliche Messwerte für denselben weltfesten Objektpunkt liefern. Dies gilt für alle vermessenen/detektierten weltfesten Objektpunkte.The basic idea for the method described here regarding the advantageous temporal and spatial calibration of a distance-measuring sensor is the assumption that static objects have their position in a world-fixed coordinate system, i. H. in the world coordinate system WCS, do not change. If an object point of such a static object, i. H. a world-fixed object point, measured in the world coordinate system WKS from a moving vehicle from different positions by means of the sensor, then the measured values of the sensor should always deliver the same result for the respective world-fixed object point. However, this requires that the sensor is calibrated relative to the vehicle's own movement, also known as ego-motion. If this is not the case, the sensor will provide different readings for the same fixed object point from different vehicle positions. This applies to all measured/detected world fixed object points.
In dem hier beschriebenen Verfahren wird daher das weltfeste Koordinatensystem, d. h. das Weltkoordinatensystem WKS, in ein Koordinatengitter KG mit Zellen Z endlicher Ausdehnung, beispielsweise 10 cm x 10 cm x 10 cm, quantisiert. Für jeden Messungsdurchlauf mit Messungen mittels des Sensors aus verschiedenen Positionen, d. h. zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs, werden diejenigen Zellen Z gezählt, in denen der Sensor eine oder mehrere Messergebnisse liefert. Diese belegten Zellen Z werden auch als Markerzellen bezeichnet. Eine Anzahl A dieser Markerzellen ist demnach ein Maß, wie gut der Sensor zur Eigenbewegung des Fahrzeugs kalibriert ist.In the method described here, the world-fixed coordinate system, i. H. the world coordinate system WKS, is quantized into a coordinate grid KG with cells Z of finite extent, for example 10 cm×10 cm×10 cm. For each measurement run with measurements by means of the sensor from different positions, i. H. at different points in time during the vehicle's own movement, those cells Z are counted in which the sensor delivers one or more measurement results. These occupied cells Z are also referred to as marker cells. A number A of these marker cells is therefore a measure of how well the sensor for the vehicle's own movement is calibrated.
Werden nun die Parameter der Sensor-Eigenbewegung-Kalibrierung, d. h. drei Translationen und drei Rotationen, unabhängig voneinander variiert, ändert sich mit jeder Parameteränderung die Anzahl A der Markerzellen. Bei einer schlechten Kalibrierung werden die Messwerte für denselben weltfesten Objektpunkt aus verschiedenen Positionen des Sensors in unterschiedlichen Zellen Z landen, da aufgrund dieser schlechten Kalibrierung aus verschiedenen Positionen des Sensors im Verlauf der Eigenbewegung des Fahrzeugs für denselben weltfesten Objektpunkt unterschiedliche in das Weltkoordinatensystem WKS transformierte Messpositionen TMP ermittelt werden, die weit voneinander entfernt sind, so dass die Wahrscheinlichkeit groß ist, dass sie in unterschiedlichen Zellen Z liegen. Die Anzahl A der Markerzellen nimmt somit zu. If the parameters of the sensor's own movement calibration, ie three translations and three rotations, are now varied independently of one another, the number A of marker cells changes with each parameter change. With a bad calibration, the readings for the same land fixed object point from different positions of the sensor in different cells Z, since due to this poor calibration from different positions of the sensor in the course of the vehicle's own movement for the same fixed object point different in the world coordinate system WKS measuring positions TMP are determined, which are far apart, so that there is a high probability that they are in different cells Z. The number A of marker cells thus increases.
Ist die Kalibrierung gut, wird die Anzahl A der Markerzellen abnehmen, da für den jeweiligen weltfesten Objektpunkt aus allen Positionen des Sensors im Verlauf der Eigenbewegung des Fahrzeugs nahe beieinanderliegende transformierte Messpositionen TMP ermittelt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass sie in derselben Zelle Z liegen. Demnach ist die optimale Kalibrierung gegeben, wenn die Anzahl A der Markerzellen minimal ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn aufgrund der guten Kalibrierung für den jeweiligen weltfesten Objektpunkt aus allen Positionen des Sensors im Verlauf der Eigenbewegung des Fahrzeugs dieselbe transformierte Messposition TMP ermittelt wird.If the calibration is good, the number A of marker cells will decrease, since for the respective world-fixed object point, transformed measurement positions TMP that are close to one another are determined from all positions of the sensor in the course of the vehicle's own movement, which increases the probability that they are in the same cell Z . Accordingly, the optimal calibration is given when the number A of marker cells is minimal. This is particularly the case when the same transformed measurement position TMP is determined from all positions of the sensor in the course of the vehicle's own movement due to the good calibration for the respective world-fixed object point.
Je kleiner die Größe der Zellen Z des Koordinatengitters KG vorgegeben ist, desto besser kann daher diese Optimierung und somit die Kalibrierung erfolgen, da bei sehr kleinen Zellen Z dieselbe transformierte Messposition TMP oder zumindest sehr nahe beieinander liegende transformierte Messpositionen TMP für jeden weltfesten Objektpunkt ermittelt werden müssen, um die Anzahl A der mit transformierten Messpositionen TMP belegten Zellen Z, d. h. der Markerzellen, zu minimieren. Mit zunehmender Verkleinerung der Zellen Z könnte sich jedoch auch ein erhöhter Berechnungsaufwand für dieses Optimierungsverfahren ergeben, so dass die Größe der Zellen Z beispielsweise an die erforderliche Kalibriergenauigkeit und die zur Verfügung stehende Rechenleistung und Rechenzeit angepasst wird.The smaller the size of the cells Z of the coordinate grid KG is specified, the better this optimization and thus the calibration can take place, since with very small cells Z the same transformed measurement position TMP or at least transformed measurement positions TMP that are very close to one another are determined for each world-fixed object point must, in order to reduce the number A of cells Z occupied by transformed measurement positions TMP, i. H. of the marker cells. However, as the cells Z become smaller, the calculation effort for this optimization method could also increase, so that the size of the cells Z is adapted, for example, to the required calibration accuracy and the available computing power and computing time.
Durch das Verfahren können somit alle distanzmessenden Sensoren, beispielsweise Stereokameras, Lidarsensoren, Radarsenoren und Ultraschallsensoren, ohne zusätzliche Hilfsmittel und in fast beliebigen Umgebungen kalibriert werden. Ein analoges Vorgehen erlaubt die Synchronisation der sensorinternen Uhr und der Uhr des Eigenbewegungsmoduls.
Im Folgenden wird das Verfahren detailliert beschrieben. Die grundlegende Idee für die zeitliche und räumliche Kalibrierung von distanzmessenden Sensoren ist die Annahme, dass statische Objekte ihre Position im weltfesten Koordinatensystem, d. h. im Weltkoordinatensystem WKS, nicht ändern. Ist die korrekte extrinsische Kalibrierung des Sensors und somit die extrinsische Transformation Text bekannt und sind Eigenbewegungsdaten Tego(tegomotion) der Eigenbewegung des Fahrzeugs vorhanden, so kann jede mit dem Sensor erfasste Messposition MP zum Zeitpunkt t in ein weltfestes Koordinatensystem, d. h. in das Weltkoordinatensystem WKS, überführt werden:
The procedure is described in detail below. The basic idea for the temporal and spatial calibration of distance-measuring sensors is the assumption that static objects do not change their position in the world coordinate system, ie in the world coordinate system WCS. If the correct extrinsic calibration of the sensor and thus the extrinsic transformation text are known and if the vehicle's own movement data T ego (t egomotion ) of the vehicle's own movement are available, then each measurement position MP recorded with the sensor at time t can be converted into a world-fixed coordinate system, ie into the world coordinate system WKS, are transferred:
Wird nun ein weltfester Objektpunkt im Weltkoordinatensystem WKS aus verschiedenen Positionen des distanzmessenden Sensors angemessen, liefert das Weltkoordinatensystem WKS immer das gleiche Ergebnis. Ist die Kalibrierung oder die zeitliche Synchronisierung zwischen dem distanzmessenden Sensor und dem Eigenbewegungsmodul des Fahrzeugs nicht korrekt, so erhält man für jede Messposition MP des aus verschiedenen Sensorpositionen erfassten weltfesten Objektpunktes eine neue transformierte Messposition TMP im Weltkoordinatensystem WKS und somit für den jeweiligen weltfesten Objektpunkt mehrere verschiedene transformierte Messpositionen TMP, d. h. mit voneinander abweichenden Weltkoordinaten, im Weltkoordinatensystem WKS.If a world-fixed object point in the world coordinate system WKS is measured from different positions of the distance-measuring sensor, the world coordinate system WKS always delivers the same result. If the calibration or the time synchronization between the distance-measuring sensor and the vehicle's own motion module is not correct, a new transformed measuring position TMP is obtained in the world coordinate system WKS for each measuring position MP of the world-fixed object point detected from different sensor positions and thus several different ones for the respective world-fixed object point transformed measurement positions TMP, i. H. with differing world coordinates, in the world coordinate system WCS.
Diese Änderung der Weltkoordinaten für denselben weltfesten Objektpunkt und die daraus resultierende Mehrzahl von transformierten Messpositionen TMP im Weltkoordinatensystem WKS für denselben weltfesten Objektpunkt wird im hier beschriebenen Verfahren ausgenutzt, um den distanzmessenden Sensor zu kalibrieren, insbesondere zum Eigenbewegungsmodul des Fahrzeugs zu kalibrieren. Die Verfahrensvorschrift lautet:
- 1. Transformiere Messungen, insbesondere Messpositionen MP, von unterschiedlichen Zeitpunkten in das Weltkoordinatensystem WKS.
- 2. Quantisiere das Weltkoordinatensystem WKS in Zellen Z, beispielsweise 10 cm x 10 cm x 10 cm.
- 3. Zähle alle mit transformierten Messpositionen TMP belegten Zellen Z.
- 4. Minimiere die Anzahl A der mit transformierten Messpositionen TMP belegten Zellen Z durch Modifizierung der extrinsischen Sensorparameter und des zeitlichen Versatzes zwischen der sensorinternen Uhr des Sensors und der Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs.
- 1. Transform measurements, in particular measurement positions MP, from different points in time into the world coordinate system WKS.
- 2. Quantize the world coordinate system WKS in cells Z, for example 10 cm x 10 cm x 10 cm.
- 3. Count all cells Z occupied by transformed measurement positions TMP.
- 4. Minimize the number A of cells Z occupied by transformed measurement positions TMP by modifying the extrinsic sensor parameters and the time offset between the sensor's internal clock and the clock of the vehicle's own motion module.
Das Optimum hierbei ist, dass vorhandene Objekte mit möglichst wenig Zellen Z repräsentiert werden, d. h. mehrere Messungen desselben weltfesten Objektpunktes mittels des Sensors zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs fallen in die gleiche Zelle Z, sie liefern vorteilhafterweise dieselbe transformierte Messposition TMP.The optimum here is that existing objects are represented with as few cells Z as possible, ie several measurements of the same fixed object point by means of the sensor at different times during the vehicle's own movement fall into the same cell Z, they advantageously provide the same transformed measurement position TMP.
Aus dieser Verfahrensvorschrift resultiert vorteilhafterweise das hier beschriebene Verfahren zur Kalibrierung des distanzmessenden Sensors des Fahrzeugs, insbesondere bezüglich der Eigenbewegung des Fahrzeugs, in welchem somit vorteilhafterweise ein Transformationsparameterwert mindestens eines Transformationsparameters für eine Koordinatentransformation ermittelt wird, mit dem eine im Sensorkoordinatensystem ermittelte Messposition MP in das Weltkoordinatensystem WKS transformiert wird. Der Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters wird durch ein Optimierungsverfahren ermittelt, bei dem Messpositionen MP, die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermittelt wurden, ausgewertet werden. Dabei umfasst das Optimierungsverfahren folgende Schritte:
- a) Transformation der Messpositionen MP mit einem vorgegebenen Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters in das Koordinatengitter KG des Weltkoordinatensystems WKS,
- b) Zählen der Zellen Z des Koordinatengitters KG, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet ist,
- c) Wiederholen der Schritte a) und b) mit einem jeweils, d. h. bei jeder Wiederholung, modifizierten Transformationsparameterwert des mindestens einen Transformationsparameters und Ermitteln des Transformationsparameterwertes des mindestens einen Transformationsparameters, der in Schritt b) zu einem Minimum führt, d. h. zu einem Minimum der Anzahl A der Zellen Z des Koordinatengitters KG, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet ist.
- a) Transformation of the measurement positions MP with a predetermined transformation parameter value of the at least one transformation parameter in the coordinate grid KG of the world coordinate system WKS,
- b) counting the cells Z of the coordinate grid KG to which at least one of the transformed measurement positions TMP is assigned,
- c) Repeating steps a) and b) with a modified transformation parameter value of the at least one transformation parameter, ie with each repetition, and determining the transformation parameter value of the at least one transformation parameter, which leads to a minimum in step b), ie to a minimum number A of the cells Z of the coordinate grid KG, to which at least one of the transformed measurement positions TMP is assigned.
Beispielsweise wird ein Transformationsparameterwert für mindestens einen als extrinsischer Sensorparameter des Sensors ausgebildeten Transformationsparameter und/oder für den als zeitlicher Versatz zwischen der sensorinternen Uhr des Sensors und der Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs ausgebildeten Transformationsparameter ermittelt. Der mindestens eine als extrinsischer Sensorparameter ausgebildete Transformationsparameter ist beispielsweise die x-Koordinate, y-Koordinate oder z-Koordinate der Einbauposition des Sensors im Fahrzeugkoordinatensystem oder der Rollwinkel R, Nickwinkel oder Gierwinkel G des Sensors bezüglich des Fahrzeugkoordinatensystems.For example, a transformation parameter value is determined for at least one transformation parameter designed as an extrinsic sensor parameter of the sensor and/or for the transformation parameter designed as a time offset between the sensor's internal clock and the clock of the vehicle's own movement module. The at least one transformation parameter designed as an extrinsic sensor parameter is, for example, the x-coordinate, y-coordinate or z-coordinate of the installation position of the sensor in the vehicle coordinate system or the roll angle R, pitch angle or yaw angle G of the sensor with respect to the vehicle coordinate system.
Zweckmäßigerweise wird jedoch nicht nur der Transformationsparameterwert eines einzigen Transformationsparameters für die Koordinatentransformation ermittelt, sondern es werden in diesem Verfahren zur Kalibrierung des distanzmessenden Sensors des Fahrzeugs, insbesondere bezüglich der Eigenbewegung des Fahrzeugs, vorteilhafterweise Transformationsparameterwerte mehrerer Transformationsparameter, beispielsweise aller extrinsischen Sensorparameter und zum Beispiel zusätzlich des zeitlichen Versatzes zwischen der sensorinternen Uhr des Sensors und der Uhr des Eigenbewegungsmoduls des Fahrzeugs, für die Koordinatentransformation ermittelt, mit denen eine im Sensorkoordinatensystem ermittelte Messposition MP in das Weltkoordinatensystem WKS transformiert wird. D. h. es wird ein Transformationsparameterwert für den jeweiligen Transformationsparameter ermittelt. Die Transformationsparameterwerte der Transformationsparameter werden durch das Optimierungsverfahren ermittelt, bei dem Messpositionen MP, die mit dem Sensor zu verschiedenen Zeitpunkten während der Eigenbewegung des Fahrzeugs ermittelt wurden, ausgewertet werden. Dabei umfasst das Optimierungsverfahren entsprechend die Schritte:
- a) Transformation der Messpositionen MP mit einem vorgegebenen Transformationsparameterwert des jeweiligen Transformationsparameters in das Koordinatengitter KG des Weltkoordinatensystems WKS,
- b) Zählen der Zellen Z des Koordinatengitters KG, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet ist,
- c) Wiederholen der Schritte a) und b) mit jeweils, d. h. bei jeder Wiederholung, modifizierten Transformationsparameterwerten der Transformationsparameter und Ermitteln der Transformationsparameterwerte der Transformationsparameter, die in Schritt b) zu einem Minimum führen, d. h. zu einem Minimum der Anzahl A der Zellen Z des Koordinatengitters KG, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet ist. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei jeder Wiederholung der Schritte a) und b) der Transformationsparameterwert nur jeweils eines Transformationsparameters oder der jeweilige Transformationsparameterwert mehrerer oder aller Transformationsparameter gleichzeitig modifiziert wird.
- a) Transformation of the measurement positions MP with a predetermined transformation parameter value of the respective transformation parameter into the coordinate grid KG of the world coordinate system WKS,
- b) counting the cells Z of the coordinate grid KG to which at least one of the transformed measurement positions TMP is assigned,
- c) Repeating steps a) and b) with in each case, ie with each repetition, modified transformation parameter values of the transformation parameters and determining the transformation parameter values of the transformation parameters, which in step b) lead to a minimum, ie to a minimum of the number A of cells Z des Coordinate grid KG, to which at least one of the transformed measurement positions TMP is assigned. It can be provided, for example, that with each repetition of steps a) and b), the transformation parameter value of only one transformation parameter or the respective transformation parameter value of several or all transformation parameters is modified simultaneously.
Die Vorteile dieses Verfahrens sind, dass eine Kalibrierung ohne zusätzliche Referenzsensorik möglich ist, dass keine Korrespondenzfindung notwendig ist, und dass das Verfahren mit beliebigen oder zumindest nahezu beliebigen Umgebungen des Fahrzeugs funktioniert. Insbesondere müssen keine Vorbedingungen an Szenarien erfüllt werden, damit das Verfahren funktioniert.The advantages of this method are that calibration is possible without additional reference sensors, that no correspondence is needed, and that the method works with any or at least almost any environment of the vehicle. In particular, no preconditions for scenarios have to be met for the method to work.
Des Weiteren ist mittels des Verfahrens eine zeitliche und räumliche Kalibrierung in einem Verfahrensdurchlauf möglich. Das Verfahren funktioniert insbesondere auch in Szenarien mit dynamischen Objekten, da diese dynamischen Objekte im Gegensatz zu den im jeweiligen Szenario vorhandenen statischen Objekten keinen Einfluss auf das beschriebene Optimierungsverfahren haben.Furthermore, a temporal and spatial calibration in one process run is possible by means of the method. The method also works in particular in scenarios with dynamic objects, since these dynamic objects, in contrast to the static objects present in the respective scenario, have no influence on the optimization method described.
Das Verfahren kann für jeden distanzmessenden Sensor angewandt werden, beispielsweise für Lidarsensoren, Stereokameras, Radarsensoren und Ultraschallsensor.The method can be used for any distance-measuring sensor, for example for lidar sensors, stereo cameras, radar sensors and ultrasonic sensors.
Durch die Quantisierung des Weltkoordinatensystems WKS in Zellen Z ist das Verfahren zudem robust gegenüber Distanzrauschen einzelner Punktmessungen.Due to the quantization of the world coordinate system WKS in cells Z, the method is also robust against distance noise of individual point measurements.
Es ist zudem keine initiale Kalibrierung notwendig.Furthermore, no initial calibration is necessary.
Das Verfahren ermöglicht insbesondere eine schnelle End-of-Line-Kalibrierung.In particular, the method enables a fast end-of-line calibration.
Eine Verwendung des Verfahrens ist daher beispielsweise diese End-of-Line-Kalibrierung, auch als Bandendekalibrierung bezeichnet. Hierbei wird somit das Verfahren verwendet, um die Kalibrierung des distanzmessenden Sensors oder des jeweiligen distanzmessenden Sensors des Fahrzeugs an einem Bandende einer Herstellung des Fahrzeugs durchzuführen. Anstatt das Fahrzeug aufwändig einzumessen, ist es mittels des Verfahrens ausreichend, wenige Meter mit dem Fahrzeug zu fahren. Dadurch kann die Prozesskette erheblich beschleunigt werden. Die End-of-line-Kalibrierung ist einer der zeitintensivsten Schritte im Fahrzeugaufbau.One use of the method is therefore, for example, this end-of-line calibration, also referred to as line decalibration. In this case, the method is used to carry out the calibration of the distance-measuring sensor or the respective distance-measuring sensor of the vehicle at the end of a production line of the vehicle. Instead of measuring the vehicle in a time-consuming process, it is sufficient to drive the vehicle a few meters using the method. This can significantly speed up the process chain. End-of-line calibration is one of the most time-consuming steps in vehicle construction.
Eine weitere Verwendung des Verfahrens ist beispielsweise die Online-Kalibrierung und/oder Dekalibrierungserkennung. Hierbei wird die Kalibrierung mittels des Verfahrens somit vorteilhafterweise während eines regulären Fahrbetriebs des Fahrzeugs durchgeführt. Das Verfahren kann dabei verwendet werden, um kontinuierlich die Kalibrierung des distanzmessenden Sensors oder des jeweiligen distanzmessenden Sensors des Fahrzeugs während der Fahrt des Fahrzeugs durchzuführen und/oder zu erkennen, ob der distanzmessende Sensor oder der jeweilige distanzmessende Sensor des Fahrzeugs dekalibriert ist, beispielsweise durch einen mechanischen Defekt.A further use of the method is, for example, online calibration and/or decalibration detection. In this case, the calibration using the method is thus advantageously carried out during regular driving operation of the vehicle. The method can be used to continuously calibrate the distance-measuring sensor or the respective distance-measuring sensor of the vehicle while the vehicle is driving and/or to detect whether the distance-measuring sensor or the respective distance-measuring sensor of the vehicle is decalibrated, for example by a mechanical defect.
Eine weitere Verwendung des Verfahrens ist beispielsweise eine Offline-Kalibrierung für eine Verifikation und/oder eine HD-Kartengenerierung, d. h. eine Erstellung einer hochauflösenden digitalen Karte. Das Verfahren kann hierbei beispielsweise auf aufgezeichnete Sequenzen angewandt werden, um eine hochpräzise Kalibrierung zu erhalten. Diese kann verwendet werden, um als Referenz für eine Online-Kalibrierung zu dienen. Des Weiteren kann diese Kalibrierung für den Aufbau von hochauflösenden digitalen Karten verwendet werden.Another use of the method is, for example, offline calibration for verification and/or HD map generation, i. H. a creation of a high-resolution digital map. In this case, the method can be applied to recorded sequences, for example, in order to obtain a highly precise calibration. This can be used to serve as a reference for an online calibration. Furthermore, this calibration can be used for the construction of high-resolution digital maps.
Anhand der
Zu erkennen ist, dass aufgrund der hier noch unzureichenden Kalibrierung des Sensors alle Objekte verschmieren, d. h. insbesondere unscharf und teilweise ineinander übergehend dargestellt sind. Es sind keine klar abgegrenzten Objekte, insbesondere keine klaren Objektkanten, erkennbar. Das hat zur Folge, dass sehr viele Zellen Z benötigt werden, um die Szene abzubilden. D. h. es sind sehr viele Zellen Z mit transformierten Messpositionen TMP belegt, es wurden somit sehr vielen Zellen Z des Koordinatengitters KG zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet.It can be seen that due to the insufficient calibration of the sensor here, all objects smear, i. H. are shown in particular blurred and partially merging into one another. No clearly delimited objects, in particular no clear object edges, are recognizable. The consequence of this is that a very large number of cells Z are required in order to depict the scene. i.e. a large number of cells Z are occupied by transformed measurement positions TMP, so at least one of the transformed measurement positions TMP has been assigned to a large number of cells Z of the coordinate grid KG.
Im folgenden Schritt b) des Verfahrens werden die Zellen Z des Koordinatengitters KG, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet ist, gezählt. Anschließend werden im Schritt c) des Verfahrens die Schritte a) und b) mit jeweils modifizierten Transformationsparameterwerten der Transformationsparameter wiederholt und die Transformationsparameterwerte der Transformationsparameter ermittelt, die in Schritt b) zu einem Minimum führen, d. h. zu einem Minimum der Anzahl A der Zellen Z des Koordinatengitters KG, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet ist.In the following step b) of the method, the cells Z of the coordinate grid KG to which at least one of the transformed measurement positions TMP is assigned are counted. Subsequently, in step c) of the method, steps a) and b) are repeated with respectively modified transformation parameter values of the transformation parameters and the transformation parameter values of the transformation parameters are determined which lead to a minimum in step b), i. H. to a minimum of the number A of cells Z of the coordinate grid KG, to which at least one of the transformed measurement positions TMP is assigned.
In den
Daraus ergibt sich in
Des Weiteren wird dadurch deutlich, dass die Idee des Verfahrens, die Anzahl A der Zellen Z des Koordinatengitters KG, denen zumindest eine der transformierten Messpositionen TMP zugeordnet ist, durch die Modifizierung der Transformationsparameterwerte der Transformationsparameter zu minimieren und dadurch den optimalen Transformationsparameterwert für den jeweiligen Transformationsparameter zu ermitteln, eine sehr einfache, gleichzeitig aber eine sehr gute und robuste Art für die Definition einer Minimierungsfunktion darstellt. Der Vergleich von
BezugszeichenlisteReference List
- AA
- AnzahlNumber
- GG
- Gierwinkelyaw angle
- KGKG
- Koordinatengittercoordinate grid
- RR
- Rollwinkelroll angle
- TMPTMP
- transformierte Messpositiontransformed measurement position
- WKSWCS
- Weltkoordinatensystemworld coordinate system
- ZZ
- Zellecell
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