一种毫米波校准方法及装置与流程

1.本发明涉及毫米波雷达校准技术领域，特别涉及一种毫米波雷达校准方法及装置。


背景技术：

2.自动驾驶所涉及的环境感知传感器包括激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等；毫米波雷达因成本低、环境适应性强、可靠性强以及可用于计算目标的速度、距离和角度等优势占据了不可动摇的地位，毫米波雷达外部参数校准是必不可少的环节。毫米波雷达与激光雷达联合校准是目前最常用的方法，但由于外部环境的复杂，导致激光雷达和毫米波雷达对外界目标的检测存在偏差，毫米波雷达没有仰角分辨率且为了简化校准过程，往往假设仰角和横滚角都为0，不仅进一步累积了误差，对硬件安装也提出了很高的要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种毫米波雷达校准方法和基于该毫米波雷达校准方法的目标检测方法及装置。
4.本发明第一方面，提供一种毫米波雷达校准方法，包括：
5.分别用激光雷达和毫米波雷达检测待测区域内高度一致的多个标志物的关键点位置，获得基于激光雷达的关键点位置和基于毫米波雷达的关键点位置；
6.将基于激光雷达的关键点位置和基于毫米波雷达的关键点位置进行匹配，并根据匹配结果计算毫米波雷达坐标系到激光雷达坐标系的6自由度转换关系；
7.利用激光雷达坐标系与车辆坐标系的转换关系，以及毫米波雷达坐标系到激光雷达坐标系的6自由度转换关系，计算毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系。
8.本发明第二方面，提供一种目标检测方法，包括：
9.利用本发明第一方面所述的毫米波雷达校准方法获得的毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系，将毫米波雷达检测得到的目标位置转换到车辆坐标系下的目标位置。
10.本发明第三方面，提供一种目标检测装置，包括：
11.自由度转换模块，用于利用本发明第一方面所述的毫米波雷达校准方法获得毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系；
12.坐标转换模块，用于利用所述毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系，将毫米波雷达检测得到的目标位置转换到车辆坐标系下的目标位置。
13.本发明的毫米波雷达校准方法，采用激光雷达和毫米波雷达联合校准的方式，得到了毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系，实现了毫米波雷达的快速校准。
14.本发明的目标检测方法，基于本发明的毫米波雷达校准方法，能快速准确地将毫米波雷达检测得到的目标位置转换到车辆坐标系下的目标位置，从而实现了目标的快速准
确检测。
附图说明
15.图1为本发明实施例的毫米波雷达校准方法的流程图；
16.图2a-图2c分别为激光雷达坐标系的示意图、毫米波雷达坐标系的示意图、毫米波雷达坐标系与激光雷达坐标系相互关系的示意图；
17.图3为本发明实施例的场地标定的布置示意图；
18.图4为本发明实施例的目标检测方法的整体流程图。
具体实施方式
19.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.如图1所示，本发明实施例的毫米波雷达校准方法，采用以下步骤实现：
21.s1.分别用激光雷达和毫米波雷达检测待测区域内高度一致的多个标志物200的关键点位置，获得基于激光雷达的关键点位置和基于毫米波雷达的关键点位置；
22.其中，标志物200放在平整空旷的场地300上，如图3所示，处于安装在自车100上的毫米波雷达和激光雷达的有效检测区域范围内，所述标志物200放在表面空旷平整的场地上，可以是在自车100的前方，平整空旷的场地300的中心线310一侧，两侧的路沿320之间，场地的宽度w要满足一定的要求，如大于10m。选择空旷平整的场地300放置标志物200，可确保标志物200的附近没有其他毫米波雷达或激光雷达可检测到的目标。
23.作为一个可选的实施例，所述标志物200可以是采用雷达反射器或是其它标志物，或是雷达反射器与其它标志物的组合。所述标志物的数量及摆放方式不限于图3的的实施例。
24.作为一个可选的实施例，所述中关键点位置优选为中心点，但不限于取中心点位置作为关键点位置。
25.需要说明的是，本发明实施例中，在利用激光雷达检测标志物200时，可以是通过聚类方法从聚类结果中获取标志物的关键点的位置，所用聚类方法可以是任何一种可用的聚类方法。
26.s2.将基于激光雷达的关键点位置和基于毫米波雷达的关键点位置进行匹配，并根据匹配结果计算毫米波雷达坐标系到激光雷达坐标系的6自由度(six degrees of freedom)转换关系；
27.s3.利用激光雷达坐标系与车辆坐标系的转换关系，以及毫米波雷达坐标系到激光雷达坐标系的6自由度转换关系，计算毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系。
28.图2a-2c分别为激光雷达坐标系的示意图、毫米波雷达坐标系的示意图、毫米波雷达坐标系与激光雷达坐标系相互关系的示意图。
29.步骤s3中，毫米波雷达坐标系到激光雷达坐标系的6自由度转换关系包括如下参数：
30.x轴平移量xoffset、y轴平移量yoffset、z轴平移量zoffset、x轴旋转角roll、y轴
旋转角pitch、z轴旋转角yaw：
31.所述各项参数具有如下关系：
[0032][0033][0034][0035]
x轴、y轴分别表示水平面上相互垂直的前后轴和左右轴；结合图2a-2c，x轴对应于图2a、图2c中的ox轴，y轴对应于图2a、图2c中的oy轴；
[0036]
z轴表示垂直于所述水平面的上下轴；结合图2a-2c，z轴对应于图2a、图2c中的oz轴；
[0037]
(lx，ly，lz)为激光雷达坐标系下点的坐标；
[0038]
(rx，ry，rz)为毫米波雷达坐标系下点的坐标；
[0039]
r为旋转矩阵，θ、φ分别表示z轴旋转角yaw、y轴旋转角pitch、x轴旋转角roll；
[0040]
t为平移矩阵；
[0041]
其中，对毫米波雷达坐标系下点的坐标(rx，ry，rz)采用先旋转后平移的方式转换到激光雷达坐标系下点的坐标(lx，ly，lz)。
[0042]
其中，所述z轴平移量zoffset是根据毫米波雷达与激光雷达的安装高度计算获得。由于毫米波雷达对高度没有分辨能力，实际安装时对z轴平移量zoffset、x轴旋转角roll、y轴旋转角pitch有较高的要求，安装时一般要求其高度不低于400mm且不高于800mm，角度误差不大于1
°
，且使y轴旋转角pitch趋近于0度(会有一定角度误差，要求不大于1
°
)。因此，在自车上安装毫米波雷达以及激光雷达后，毫米波雷达坐标系相对于激光雷达坐标系的z轴平移量zoffset、y轴旋转角pitch是已知的。这样，通过对毫米波雷达坐标系相对于激光雷达坐标系的x轴平移量xoffset、y轴平移量yoffset、x轴旋转角roll、z轴旋转角yaw基于激光雷达坐标系标定后，即可实现毫米波雷达坐标系对车辆坐标系的标定，从而实现了对毫米波雷达坐标系相对于车辆坐标系的标定与校准。
[0043]
作为一个可选的实施例，所述的z轴旋转角yaw可以是通过以下步骤计算获得：
[0044]
步骤1：在水平面上对基于毫米波雷达的关键点位置进行直线拟合，并计算拟合出的直线的斜率ra；
[0045]
步骤2：在水平面上对基于激光雷达的关键点位置进行直线拟合，并计算拟合出的直线的斜率la；
[0046]
步骤3：按照如下公式计算z轴旋转角yaw：
[0047]
yaw＝arctan(la)-arctan(ra)。
[0048]
如图3所示，布置在场地中的5个标志物200的高度为rh，毫米波雷达检测到的标志
物1#至标志物5#的位置是唯一的，分别为r1(x1_r，y1_r，rh)、r2(x2_r，y2_r，rh)、r3(x3_r，y3_rr，rh)、r4(x4_r，y4_rr，rh)、r5(x5_r，y5_rr，rh)。激光雷达检测到每个标志物200是由多个点组成的，通过确定关键点以及聚类，找到对应的两个标志物，并计算每一个标志物的关键点位置，用于对应毫米波雷达检测到的5个标志物的位置，假设激光雷达经过检测和聚类后，得到5个标志物的位置分别为l1(x1_l，y1_lr，rh)、l2(x2_l，y2_lr，rh)、l3(x3_l，y3_l，rh)、l4(x4_l，y4_l，rh)、l5(x5_l，y5_l，rh)，分别对毫米波雷达和激光雷达检测到的5个点的数据在x、y平面上做直线拟合，得到毫米波雷达数据对应的斜率ra以及激光雷达对应的数据的斜率la。
[0049]
本发明实施例中，通过利用多个标志物拟合直线，获得毫米波雷达数据对应的斜率ra以及激光雷达的数据对应的斜率la后，利用上述公式计算z轴旋转角yaw，减小了z轴旋转角yaw的误差。
[0050]
本发明实施例中，所述对毫米波雷达和激光雷达检测到的数据在x、y平面上直线拟合方法可以采用ransac方法进行直线拟合，也可以使用任何可用的其他拟合方式，如最小二乘等的拟合方式。
[0051]
作为一个可选的实施例，本发明实施例可以是按照如下公式计算x轴旋转角roll：
[0052][0053][0054]
i和j分别表示任意两个标志物；
[0055]
xi_l表示基于激光雷达获得的标志物i的关键点位置的x轴坐标值；
[0056]
xj_l表示基于激光雷达获得的标志物j的关键点位置的x轴坐标值；
[0057]
xi_r表示基于毫米波雷达获得的标志物i的关键点位置的x轴坐标值；
[0058]
xj_r表示基于毫米波雷达获得的标志物j的关键点位置的x轴坐标值；
[0059]
yj_r表示基于毫米波雷达获得的标志物j的关键点位置的y轴坐标值；
[0060]
yi_r表示基于毫米波雷达获得的标志物i的关键点位置的y轴坐标值；
[0061]
n为标志物个数；
[0062]
为任意两种标志物的排列组合。
[0063]
作为一个可选的实施例，本发明实施例可以是按照如下公式计算x轴平移量xoffset、y轴平移量yoffset：
[0064][0065][0066]
xoffseti＝xi_l-cos(roll)*xi_r sin(roll)cos(yaw)*yi_r-sin(roll)sin(yaw)*rh
[0067]
yoffseti＝yi_l-sin(roll)*xi_r-cos(roll)cos(yaw)*yi_r cos(roll)sin(yaw)*rh；
[0068]
rh表示标志物的高度；
[0069]
yi_l表示基于激光雷达获得的标志物i的关键点位置的y轴坐标值。
[0070]
本发明实施例中，通过取多组值平均的计算方式而不是单个结果作为最终结果，减小了x轴旋转角roll、x轴平移量xoffset、y轴平移量yoffset的误差，同时充分利用已知条件，如标志物的高度rh，增加了校准结果精确性。
[0071]
需要说明的是，本发明实施例的计算x轴旋转角roll、x轴平移量xoffset和y轴平移量yoffset的方式，不限于使用取平均的方式，也可以采用其它可用的方式来实现。
[0072]
基于相同的发明思想，本发明实施例第二方面提供一种目标检测方法，是利用本发明实施例第一方面提供的毫米波雷达校准方法获得的毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系，将毫米波雷达检测得到的目标位置转换到车辆坐标系下的目标位置。
[0073]
基于相同的发明思想，本发明实施例第三方面还提供一种目标检测装置，包括：
[0074]
自由度转换模块，用于利用本发明实施例第一方面提供的毫米波雷达校准方法获得的毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系；
[0075]
坐标转换模块，用于利用所述毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系，将毫米波雷达检测得到的目标位置转换到车辆坐标系下的目标位置。
[0076]
本发明实施例中，由于所述激光雷达坐标系通过本发明实施例第一方面的毫米波雷达校准方法已先行校准到车辆坐标系，这样在获得的该毫米波雷达坐标系相对于激光雷达坐标系的6自由度转换关系后，即获得了毫米波雷达坐标到车辆坐标系的6自由度转换关系，如此通过该6自由度转换关系，即可计算出毫米波转达坐标下目标位置在车辆坐标下的位置。
[0077]
具体的，参见图4所示，先进行场景搭建，选择空旷平整的路面，然后将多个标志物放在路面上，如图3所示，且高度一致布置，然后通过自车上的激光雷达检测标志物并聚类分析，根据聚类结果计算出标志物的关键点的位置，同时结合毫米波雷达检测出的标志物的关键点的位置，进行标志物的关键点位置的匹配，在关键点匹配完成后，计算毫米波雷达的6自由度参数，即x轴平移量xoffset、y轴平移量yoffset、z轴平移量zoffset、x轴旋转角roll、y轴旋转角pitch、z轴旋转角yaw。
[0078]
如前面本发明第一实施例中所述，毫米波雷达安装在自车上，其高度一定，是已知的，即z轴平移量zoffset已知，y轴旋转角pitch趋近于0度，同为已知，这样获得6自由度的参数值后，即可建立对应的转换矩阵r以及平移矩阵t，使激光雷达坐标下点的坐标与毫米波雷达坐标系下点的坐标建立起转换关系，从而可获得该毫米波雷达坐标系相对于激光雷达坐标系的6自由度转换关系，而由于激光雷达坐标系已预先校准到车辆坐标系，这样即可实现将毫米波雷达坐标系校准到车辆坐标系；毫米波雷达校准后，在进行目标检测时，通过毫米波雷达检测到目标的位置后，即可利用毫米波雷达坐标系到车辆坐标系的6自由度转换关系，获得在车辆坐标系的下目标位置，从而实现了目标的检测。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。