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CN110082775B - 基于激光装置的车辆定位方法和系统 - Google Patents

基于激光装置的车辆定位方法和系统 Download PDF

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CN110082775B CN201910436285.6A CN201910436285A CN110082775B CN 110082775 B CN110082775 B CN 110082775B CN 201910436285 A CN201910436285 A CN 201910436285A CN 110082775 B CN110082775 B CN 110082775B
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Abstract

本发明公开了一种基于激光装置的车辆定位方法和系统，其中，方法包括：利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个反光柱相对激光装置的当前位置信息；根据当前位置信息、预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，计算出车辆相对待对位设备的车辆位置。本发明能够实时快速根据当前位置信息确定车辆相对待对位设备的车辆位置，满足车辆在不断行进过程中对车辆自身进行精确的定位。

Description

基于激光装置的车辆定位方法和系统
技术领域
本发明涉及车辆定位技术领域，尤其涉及一种基于激光装置的车辆定位方法和系统。
背景技术
随着无人驾驶技术的发展和普及，越来越多的封闭或半开放场景开始采用无人驾驶技术对作业过程进行辅助和支持，港口环境即是其中之一。由于机器的特性之一是能够进行7×24小时的无间断工作，因而从效率提升和成本管控的角度，港口无人集卡作业是替代传统港口人工作业的未来趋势和重要手段，而车辆定位占据无人驾驶车辆作业的重要位置。
目前，多数车辆定位的方法是在装卸设备上设置传感器对集装箱装卸过程中车辆的位置进行检测，通过提取直线、矩形来提取集卡头部、挂车以及集装箱部分的信息，利用云服务器来反向计算出车辆的位置。但是这种远距离反馈计算的定位方法，无法满足车辆在不断行进过程中对车辆自身进行精确的定位。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够基于激光装置的车辆定位方法和系统。
一种基于激光装置的车辆定位方法，包括以下步骤；
利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个所述反光柱相对激光装置的当前位置信息；
根据所述当前位置信息、预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，计算出车辆相对待对位设备的车辆位置。
作为一种可实施方式，所述反光柱簇的对位坐标系的预设包括以下步骤；
在车辆的不同姿态的运动过程中，实时获取每个所述反光柱相对激光装置的位置信息和车辆的运动状态，基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系。
作为一种可实施方式，所述基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系，包括以下步骤；
在首次获取到至少两个所述反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第一对位坐标系；并将每个反光柱在当前对位坐标系下的x轴坐标进行排序编号；
在再次获取到至少两个所述反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第二对位坐标系；并利用近邻算法根据当前车辆的运动状态将第二对位坐标系和第一对位坐标系进行关联，得到第三对位坐标系；
在车辆的不同姿态的运动过程中，不断进行坐标系的建立和关联，直到满足预设要求以建立对位坐标系。
作为一种可实施方式，所述车辆的不同姿态的运动过程为车辆进行匀速直线的运动过程。
作为一种可实施方式，本发明提供的基于激光装置的车辆定位方法，还包括以下步骤；
在基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系之前，获取激光装置的参数信息，并根据所述参数信息按照设置要求将反光柱设置在待对位设备上。
作为一种可实施方式，本发明提供的基于激光装置的车辆定位方法，还包括以下步骤；
对设置后的反光柱进行检测；
具体包括，获取每个反光柱的反射率特征和距离特征，根据预设阈值对所述反射率特征进行粗过滤；
根据距离特征对粗过滤后的反射率特征进行细过滤，并聚类得到每个反光柱的簇点；
对每个反光柱的簇点分别进行圆柱体拟合，并保留圆柱体的参数。
作为一种可实施方式，所述圆柱体的参数包括中心点、圆柱中心线向量以及圆柱底面半径。
作为一种可实施方式，在计算出车辆相对待对位设备的位置之后，还包括以下步骤；
根据车辆预设的kalman跟踪模型对车辆位置进行滤波，得到滤波后的车辆位置。
相应的，本发明还提供一种基于激光装置的车辆定位系统，包括获取模块和计算模块；
所述获取模块，用于利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个所述反光柱相对激光装置的当前位置信息；
所述计算模块，用于根据所述当前位置信息、预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，计算出车辆相对待对位设备的车辆位置。
作为一种可实施方式，本发明提供的基于激光装置的车辆定位系统，还包括建立模块；
所述建立模块，用于在车辆的不同姿态的运动过程中，实时获取每个所述反光柱相对激光装置的位置信息和车辆的运动状态，基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本发明提供的基于激光装置的车辆定位方法和系统，利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个反光柱相对激光装置的当前位置信息，利用激光的特性提高当前位置信息获取的抗干扰性；再根据当前位置信息结合预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，直接计算出车辆相对待对位设备的车辆位置；本发明能够实时快速根据当前位置信息确定车辆相对待对位设备的车辆位置，满足车辆在不断行进过程中对车辆自身进行精确的定位。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的基于激光装置的车辆定位方法的流程示意图；
图2为细过滤聚类前的簇点示意图；
图3为细过滤聚类后的簇点示意图；
图4为车辆相对待对位设备的分布示意图；
图5为本发明实施例二提供的基于激光装置的车辆定位系统的结构示意图。
图中：100、获取模块；200、计算模块；300、建立模块；400、设置模块；500、检测模块。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
请参阅图1，本发明实施例一提供的基于激光装置的车辆定位方法，包括以下步骤；
S100、利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个反光柱相对激光装置的当前位置信息；
S200、根据当前位置信息、预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，计算出车辆相对待对位设备的车辆位置。
需要说明的是，激光装置可以为激光雷达，其型号可以为VLP-16。激光装置固定设置在车辆上，比如，采用螺钉固定。在车辆运动中，激光装置是不会晃动的，能够提高最终车辆位置计算的精度。反光柱可以是利用反光特性比较好的材料缠绕圆柱体制作得到的。其设置在待对位设备上，每个待对位设备上设置若干个反光柱；于一实施例中，反光柱的数量大于等于两个。待对位设备根据实际场景确定，可以为港口内岸桥、堆桥以及吊桥等。在一个吊桥的场景中，反光柱设置于吊桥主体离地面高度1～6米的位置，吊桥两边都设置有反光柱，总的数量大于等于两个。有利于港口环境下对车辆，特别是集卡无人驾驶的作用。
在车辆上利用激光装置实时检测反光柱，即根据反光柱的反射强度检测反光柱相对激光装置的当前位置信息。通过预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，结合实时检测得到的当前位置信息，即可实时确定车辆的实时位置如图4所示。而每个反光柱的实际位置信息可以在反光柱设置完之后实际测量来获得，对此并不进行限制。
本发明提供的基于激光装置的车辆定位方法和系统，利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个反光柱相对激光装置的当前位置信息，利用激光的特性提高当前位置信息获取的抗干扰性；再根据当前位置信息结合预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，直接计算出车辆相对待对位设备的车辆位置；本发明能够实时快速根据当前位置信息确定车辆相对待对位设备的车辆位置，满足车辆在不断行进过程中对车辆自身进行精确的定位。
于一实施例中，反光柱簇的对位坐标系的预设包括以下步骤；
在车辆的不同姿态的运动过程中，实时获取每个反光柱相对激光装置的位置信息和车辆的运动状态，基于位置信息和运动状态建立对位坐标系。预先设置对位坐标系能够加快定位效率；且基于位置信息和运动状态建立的对位坐标系，能够满足各种车辆运动和位置下来精确定位当前的车辆。
于一实施例中，车辆的不同姿态的运动过程为车辆进行匀速直线的运动过程。
下面对对位坐标系的建立进行详细说明：基于位置信息和运动状态建立对位坐标系的，包括以下步骤；
在首次获取到至少两个反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第一对位坐标系；并将每个反光柱在当前对位坐标系下的x轴坐标进行排序编号；换句话说，在激光装置首次同时两个或两个以上的反光柱被检测到时，初始化反光柱簇的对位坐标系。编号是以x轴坐标的大小的顺序来，由x轴坐标小的往x轴坐标大的编号。编号可以由id＝0至id＝n。
在再次获取到至少两个反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第二对位坐标系；并利用近邻算法根据当前车辆的运动状态将第二对位坐标系和第一对位坐标系进行关联，得到第三对位坐标系；车辆的运动状态可以为运动方向、速度等。可以利用最近邻的方式完成第二对位坐标系和第一对位坐标系的关联。
在车辆的不同姿态的运动过程中，不断进行坐标系的建立和关联，直到满足预设要求以建立对位坐标系。从而使得对位坐标系能够覆盖每个车辆位置和反光柱之间的对位关系。
于一实施例中，对于车辆的运动过程，可以利用kalman跟踪模型进行跟踪。在车辆运动过程中，如果一直没有同时获取到至少两个反光柱相对激光装置的位置信息时，则反光柱无法被检测获取，仅利用车辆的运动模型进行状态更新；持续m个周期后，认为反光柱无法被检测获取到，删除当前反光柱。
对于反光柱的实际设置位置和半径是有要求的，其半径和高度根据选用的激光装置的参数和最大适用距离决定。于本实施例中，在基于位置信息和运动状态建立对位坐标系之前，还包括以下步骤；
获取激光装置的参数信息，并根据参数信息按照设置要求将反光柱设置在待对位设备上。设置要求有四点。第一点为稳定，固定后不会晃动。第二点为水平向上。第三点为中心平面在激光装置的中心平面位置附近。第四点为反光柱的数量为两个或两个以上。也就是说要求最大适用距离处，激光装置在检测是，能够获得一个待对位设备上至少三个反光柱的当前位置信息，且每个反光柱包含3个当前位置信息；能够提高后续对位坐标系的计算车辆相对待对位设备的车辆位置的精度。于一实施例中，可以对反光柱进行标定。具体为测量n个反光柱的半径r1，r2，……，rn，反光柱中心点之间的距离dij。
那么在反光柱设置完成之后，即需要对其进行检测，看是否满足要求。于一实施例中，具体包括，获取每个反光柱的反射率特征和距离特征，根据预设阈值对反射率特征进行粗过滤；粗过滤满足以下公式：
{Pi|intensityi≥Thr}；
式中，Pi表示第i个点云点；intensityi表示第i个点云点的反射率；Thr表示预设的阈值；预设阈值可以为k，大于等于k的认为是反光柱疑似区域，小于k的直接滤除。
根据距离特征对粗过滤后的反射率特征进行细过滤，并聚类得到每个反光柱的簇点；因为环境复杂，存在光照、高反射物体的干扰，因此需要进行细过滤。且细过滤满足以下公式：
Figure BDA0002070621450000051
式中，Thrl表示最小阈值；Thrh表示最大阈值；xi表示第i点云点x轴坐标；yi表示第i点云点y轴坐标；zi表示第i点云点z轴坐标。
于本实施例中，可以忽略z轴数据进行xy平面点云的聚类，只保留距离小于dmin，簇内点云数目介于cmin～cmax之间的簇。细过滤聚类之前如图2所示，细过滤聚类之后如图3所示，可以很稳定的检测出反光柱。
对每个反光柱的簇点分别进行圆柱体拟合，并保留圆柱体的参数。圆柱体的参数可以包括：中心点(cxi，cyi，czi)、圆柱中心线向量(cvxi，cvyi，cvzi)以及圆柱底面半径cri。考虑到存在激光点云噪声，还可以使用随机一致性采样算法进行拟合。
于一实施例中，在计算出车辆相对待对位设备的位置之后，还包括以下步骤；
根据车辆预设的kalman跟踪模型对车辆位置进行滤波，得到滤波后的车辆位置。为了避免噪声的影响，以匀速直线运动作为状态更新，以反光柱簇的检测作为观测更新，向外输出实时位置的滤波结果。有效地提高了车辆的定位精度，增强了港口环境下自动驾驶的安全性与稳定性。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于激光装置的车辆定位系统，该系统的实施可参照上述方法的过程实现，重复之处不再冗述。
如图5所示，是本发明实施例二提供的基于激光装置的车辆定位系统的结构示意图，包括获取模块100和计算模块200；获取模块100用于利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个反光柱相对激光装置的当前位置信息；计算模块200用于根据当前位置信息、预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息，计算出车辆相对待对位设备的车辆位置。
本发明能够实时快速根据当前位置信息确定车辆相对待对位设备的车辆位置，满足车辆在不断行进过程中对车辆自身进行精确的定位。
进一步的，于一实施例中提供一种基于激光装置的车辆定位系统，还包括建立模块300；
建立模块300用于在车辆的不同姿态的运动过程中，实时获取每个反光柱相对激光装置的位置信息和车辆的运动状态，基于位置信息和运动状态建立对位坐标系。
进一步的，建立模块300还用于：在首次获取到至少两个反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第一对位坐标系；并将每个反光柱在当前对位坐标系下的x轴坐标进行排序编号；
在再次获取到至少两个反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第二对位坐标系；并利用近邻算法根据当前车辆的运动状态将第二对位坐标系和第一对位坐标系进行关联，得到第三对位坐标系；
在车辆的不同姿态的运动过程中，不断进行坐标系的建立和关联，直到满足预设要求以建立对位坐标系。
进一步的，于一实施例中提供一种基于激光装置的车辆定位系统，还包括设置模块400；设置模块400用于在基于位置信息和运动状态建立对位坐标系之前，获取激光装置的参数信息，并根据参数信息按照设置要求将反光柱设置在待对位设备上。
进一步的，于一实施例中提供一种基于激光装置的车辆定位系统，还包括检测模块500；
检测模块500用于对设置后的反光柱进行检测；具体用于，获取每个反光柱的反射率特征和距离特征，根据预设阈值对反射率特征进行粗过滤；根据距离特征对粗过滤后的反射率特征进行细过滤，并聚类得到每个反光柱的簇点；对每个反光柱的簇点分别进行圆柱体拟合，并保留圆柱体的参数。
为了降低噪声干扰，于一实施例中提供一种基于激光装置的车辆定位系统，还包括滤波模块；滤波模块用于在计算出车辆相对待对位设备的位置之后，根据车辆预设的kalman跟踪模型对车辆位置进行滤波，得到滤波后的车辆位置。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于激光装置的车辆定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个所述反光柱相对激光装置的当前位置信息；
根据所述当前位置信息、预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息,计算出车辆相对待对位设备的车辆位置；
其中，预设反光柱簇的对位坐标系，具体为：在车辆的不同姿态的运动过程中，实时获取每个所述反光柱相对激光装置的位置信息和车辆的运动状态,基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系；
其中，基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系，包括：
在首次获取到至少两个所述反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第一对位坐标系；并将每个反光柱在当前对位坐标系下的x轴坐标进行排序编号；
在再次获取至少两个所述反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，将其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第二对位坐标系；利用近邻算法将第二对位坐标系中的反光柱对与第一对位坐标系中的反光柱对进行关联匹配，当满足阈值时表示检测稳定，选取当前反光柱对坐标系为最终对位坐标系，并反算本车在对位坐标系中的相对位置；
在车辆的不同姿态的运动过程中，不断进行坐标系的建立和关联匹配，直到满足预设要求以建立对位坐标系。
2.如权利要求1所述的基于激光装置的车辆定位方法，其特征在于，所述车辆的不同姿态的运动过程为车辆进行匀速直线的运动过程。
3.如权利要求1所述的基于激光装置的车辆定位方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系之前，获取激光装置的参数信息，并根据所述参数信息按照设置要求将反光柱设置在待对位设备上。
4.如权利要求1所述的基于激光装置的车辆定位方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对设置后的反光柱进行检测；
具体包括,获取每个反光柱的反射率特征和距离特征，根据预设阈值对所述反射率特征进行粗过滤；
根据距离特征对粗过滤后的反射率特征进行细过滤，并聚类得到每个反光柱的簇点；
对每个反光柱的簇点分别进行圆柱体拟合，并保留圆柱体的参数。
5.如权利要求4所述的基于激光装置的车辆定位方法，其特征在于，所述圆柱体的参数包括中心点、圆柱中心线向量以及圆柱底面半径。
6.如权利要求1所述的基于激光装置的车辆定位方法，其特征在于，在计算出车辆相对待对位设备的位置之后，还包括以下步骤：
根据车辆预设的kalman跟踪模型对车辆位置进行滤波，得到滤波后的车辆位置。
7.一种基于激光装置的车辆定位系统，其特征在于，包括获取模块和计算模块；
所述获取模块，用于利用设置在车辆上的激光装置实时检测预设在待对位设备上的若干反光柱，以获取每个所述反光柱相对激光装置的当前位置信息；
所述计算模块，用于根据所述当前位置信息、预设的反光柱簇的对位坐标系以及每个反光柱的实际位置信息,计算出车辆相对待对位设备的车辆位置；其中，预设反光柱簇的对位坐标系，具体为：在车辆的不同姿态的运动过程中，实时获取每个所述反光柱相对激光装置的位置信息和车辆的运动状态,基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系；
其中，基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系，包括：
在首次获取到至少两个所述反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第一对位坐标系；并将每个反光柱在当前对位坐标系下的x轴坐标进行排序编号；
在再次获取至少两个所述反光柱相对激光装置的位置信息时，以距离激光装置最近的反光柱为坐标系原点，将其他反光柱作为x轴上的交点，建立当前车辆运行位置的第二对位坐标系；利用近邻算法将第二对位坐标系中的反光柱对与第一对位坐标系中的反光柱对进行关联匹配，当满足阈值时表示检测稳定，选取当前反光柱对坐标系为最终对位坐标系，并反算本车在对位坐标系中的相对位置；
在车辆的不同姿态的运动过程中，不断进行坐标系的建立和关联匹配，直到满足预设要求以建立对位坐标系。
8.如权利要求7所述的基于激光装置的车辆定位系统，其特征在于，还包括建立模块；
所述建立模块，用于在车辆的不同姿态的运动过程中，实时获取每个所述反光柱相对激光装置的位置信息和车辆的运动状态,基于所述位置信息和运动状态建立对位坐标系。
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