[发明专利]基于车体坐标系的激光雷达坐标转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种坐标转换方法，尤其涉及一种基于车体坐标系的激光雷达坐标转换方法。

背景技术

数据显示，我国民用汽车保有量已经达到1.5亿辆，随之而来的是交通事故的不断增加，据统计，我国每年交通事故亡人数已经超过了10万人；因此，需要利用先进的技术来保证安全驾驶，减少交通事故的发生。

激光雷达作为智能交通系统的重要组成部分，在汽车安全与自动驾驶中发挥着重要的作用。它能够精确测量出扫描方向物体的三维坐标，具有测量精度高、采集频率高的特点。但是激光雷达采集的数据要经过复杂的坐标转换才能转换同一个坐标系WGS-84坐标系中，转化过程中需要实时的激光雷达数据、惯性导航INS数据、全球定位系统GPS数据，然而这些数据的获取频率有着很大的差距，激光雷达的频率为100KHZ甚至更高，INS频率大约为200HZ，GPS频率只有20HZ，因此需要插值，这种高频率的插值会带来误差，影响数据采集速度和精度。

测绘激光雷达和防撞激光雷达有着本质的区别，测绘激光雷达要求测量区域内数据尽可能精确，但是对数据处理时间没有要求；防撞激光雷达对数据的实时处理功能有着较高的要求，其总处理时间应该达到100毫秒级别，即其扫描、解算、识别、决策总时间为100毫秒左右。汽车载体相对于飞机载体有着高度的不确定性，飞机起飞后飞行姿态相对比较平稳，INS数据变化平稳，GPS没有遮挡能实施准确获取数据；但是在汽车行驶过程中路过城区、隧道等有遮挡的地方会导致GPS失效，出现连续的没有GPS数据的时间，此时进行插值或预测将会增大误差；汽车速度的变化，路面的高低起伏，甚至汽车的变道都会导致INS误差的积累。防撞激光雷达的重点是扫描道路上是否有障碍物，然而道路上的车辆和行人是随着时间的推移位置变化的，因此将不同扫描周期的数据同时处理变的困难且没有意义。由于导航信息是INS经过积分而产生，定位误差随时间推移而增大，长期精度差，且每次使用之前需要较长的初始对准时间。传统的激光雷达数据坐标转换要经过以下步骤：

1、瞬时激光束坐标系转化为激光扫描参考坐标系，根据瞬时激光与激光雷达坐标系的夹角和激光飞行的距离，解算出激光脚点相对于激光雷达坐标系的坐标：

其中(X_L Y_L Z_L)^T为激光脚点在激光扫描参考坐标系的坐标，a为瞬时激光束在XOZ平面内的投影与X轴的夹角；β为瞬时激光束在XOY平面的投影与X轴的夹角。

2、激光扫描参考坐标系转化惯性平台参考坐标系，测量激光雷达与惯性导航平台的安置夹角和位移，根据旋转平移公式，解算激光脚点相对于惯性平台参考坐标系的坐标；安置完之后该坐标转换矩阵不会变化，坐标转换公式为：

其中，(X_I Y_I Z_I)^T为激光脚点相对于惯性平台参考坐标系的坐标；R_I为由激光扫描参考坐标系和惯性平台参考坐标系的安置夹角(a、b、c)得到的旋转矩阵；安装后旋转矩阵固定；(ΔX_L ΔY_L ΔZ_L)^T为激光扫描参考坐标系原点和惯性平台参考坐标系原点之间的位移向量，安装后该位移向量固定。

3、惯性平台参考坐标系转化为当地水平参考坐标系(天线GPS)，根据惯性导航系统测量的三个姿态角，H(Heading方向角，绕Z轴旋转)、P(Pitch俯仰角，绕Y轴旋转)、R(Roll侧滚角，绕X轴旋转)和安置位移解算目标点相对于GPS坐标系的坐标；该坐标转换矩阵由于INS测量的姿态角的不同而实时变化，但是位移向量不会变化，此时坐标转换公式为：

其中(X_G Y_G Z_G)^T为激光脚点相对于当地水平参考坐标系的坐标；(ΔX_I ΔY_I ΔZ_I)^T为惯性平台参考坐标系和当地水平参考坐标系之间的位移向量；R_G为惯性导航系统测量的三个夹角(H、R、P)组成的旋转公式。