一种无人驾驶车辆隧道内姿态检测方法
阅读说明：本技术 一种无人驾驶车辆隧道内姿态检测方法 (Method for detecting attitude of unmanned vehicle in tunnel ) 是由 田光兆 郑奎 夏丹青 朱双双 党安佳 于 2021-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及无人驾驶车辆技术领域,尤其是一种无人驾驶车辆隧道内姿态检测方法,通过机器视觉的方式检测水平激光线在地面的投影,间接计算车辆与左右隧道壁的距离以及车辆纵轴与道路中心线的夹角,本发明方法容易实施,不受外界环境干扰,且可靠性和精度较高。(The invention relates to the technical field of unmanned vehicles, in particular to a method for detecting the posture of an unmanned vehicle in a tunnel.)
技术领域
本发明涉及无人驾驶车辆技术领域，尤其是一种无人驾驶车辆隧道内姿态检测方法。
背景技术
无人驾驶车辆在空旷露天场所行驶时，可以通过卫星定位装置获取姿态信息。但是当车辆行驶到隧道内时，没有了卫星信号，无法准确获取车辆的位姿。在这种情况下，极易出现碰撞事故；目前常规的做法是通过激光雷达测量车辆距离隧道左右壁的距离来近似判断车辆的位置，但是车辆纵轴与道路中心线的相对夹角无法准确检测，缺少该参数，无法提前预估车辆的状态，同样有可能导致事故的发生。
为了能够在隧道内准确检测车辆的姿态（包括车辆纵轴与道路中心线夹角和车辆距离左右隧道壁的距离），本发明采用水平激光仪向隧道壁投射水平和垂直两道白色激光线作为标记，通过机器视觉的方式检测水平激光线在地面的投影，间接计算车辆与左右隧道壁的距离以及车辆纵轴与道路中心线的夹角，本发明方法容易实施，不受外界环境干扰，且可靠性和精度较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有车辆纵轴与道路中心线的相对夹角无法准确检测，缺少该参数，无法提前预估车辆的状态，同样有可能导致事故的发生问题，本发明提供了一种无人驾驶车辆隧道内姿态检测方法，通过机器视觉的方式检测水平激光线在地面的投影，间接计算车辆与左右隧道壁的距离以及车辆纵轴与道路中心线的夹角。本发明方法容易实施，不受外界环境干扰，且可靠性和精度较高，有效解决了上述问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种无人驾驶车辆隧道内姿态检测方法，包括如下步骤，
（1）将相机安装于车头正上方，拍摄方向为水平向前；
（2）将水平激光仪安装于车辆顶部几何中心，向左前方的隧道壁上投射出两条十字交叉的水平和垂直激光线；
（3）调整两条激光线的位置，使相机能够拍摄到两条激光线的交点；
（4）通过相机采集RGB图像，利用相机自带工具生成视差图；
（5）对RGB图像进行直线霍夫变换，在图像空间中检测水平激光线和垂直激光线，得到其直线方程，并计算出交点O的图像坐标；
（6）在图像空间中，在水平激光线上任取一点A，在垂直激光线上任取一点B；
（7）将O点、A点和B点的图像坐标代入视差图，通过视差图换算出O点的三维空间坐标PO、A点的三维空间坐标PA和B点的三维空间坐标PB，该空间坐标的原点在相机主镜头光心，水平向右为x轴正方向，水平向前为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向；
（8）连接PO和PB，得到直线POPB的三维空间方程；
（9）将直线POPB分别沿x、y、z轴旋转，使其完全垂直于xy平面，得到旋转矩阵T；
（10）为了消除误差，将PA和PO分别用旋转矩阵T进行校正，得到校正后的空间点为P’ A=T×PA，P’ O=T×PO；
（11）将空间两点P’ A和P’ O连接，得到直线P’ AP’ O三维空间方程，根据其三维空间方程，将该空间直线投影到xy平面，得到平面上的直线f1；
（12）在xy平面内，车辆几何中心的位置为已知,计算几何中心到直线f1的距离为d1,d1即为车辆距离左隧道壁的距离，计算直线f1与y轴的夹角为a1,a1即为车辆纵轴与左隧道壁的夹角；
（13）采用上述同样的方法，可以得到车辆距离右隧道壁的距离d2，得到车辆纵轴与右隧道壁的夹角a2；
（14）车辆纵轴与车道中心线的夹角a可近似为a=(a1+a2)/2。
具体的，所述相机采用双目视觉相机。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种无人驾驶车辆隧道内姿态检测方法，通过机器视觉的方式检测水平激光线在地面的投影，间接计算车辆与左右隧道壁的距离以及车辆纵轴与道路中心线的夹角，本发明方法容易实施，不受外界环境干扰，且可靠性和精度较高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的水平激光线和垂直激光线位置示意图。
图中：LA.水平激光线，LB.垂直激光线，E.图像边缘。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明实施的总体思路为：先在图像空间中检测两条激光线的位置，然后通过视觉计算，将其转换到三维空间；通过垂直激光线LB复位过程中的姿态调整，得到其旋转矩阵；用该旋转矩阵去校正水平激光线LA的空间坐标，校正完成后，再将水平激光线LA投影到xy平面上，最后在xy平面内计算车辆几何中心到隧道壁的距离以及车辆纵轴与车道中心线的夹角。
本发明的具体实施步骤为：
（1）将双目视觉相机安装于车头正上方，拍摄方向为水平向前，可以加装减震装置避免拍摄拖影；
（2）将水平激光仪安装于车辆顶部几何中心，向左前方的隧道壁上投射出两条十字交叉的水平和垂直白色激光线，水平激光仪由于重力原因，可以投射出水平和垂直相交的两条激光线；
（3）调整两条激光线的位置，使双目视觉相机的两个镜头都能够拍摄到两条激光线的交点，尽量使交点在图像中心；
（4）双目视觉相机采集RGB图像，利用双目视觉相机自带工具生成视差图；
（5）对RGB图像进行直线霍夫变换，在图像空间中检测水平激光线LA和垂直激光线LB，得到其直线方程，并计算出交点O的图像坐标；
（6）在图像空间中，在水平激光线LA上任取一点A，在垂直激光线LB上任取一点B，为了避免畸变的影响，AB两点的位置不宜太靠近图像边缘E；
（7）将O点、A点和B点的图像坐标代入视差图，通过视差图换算出O点的三维空间坐标PO、A点的三维空间坐标PA和B点的三维空间坐标PB，该空间坐标的原点在双目视觉相机主镜头光心，水平向右为x轴正方向，水平向前为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向；
（8）连接PO和PB，得到直线POPB的三维空间方程，该直线理论上应该完全垂直于xy平面，但是由于安装误差的影响，可能略有偏差，需要人工消除；
（9）将直线POPB分别沿x、y、z轴旋转，使其完全垂直于xy平面，得到旋转矩阵T，该矩阵用于校正水平激光线LA空间方程的误差；
（10）为了消除误差，将PA和PO分别用旋转矩阵T进行校正，得到校正后的空间点为P’ A=T×PA，P’ O=T×PO；
（11）将空间两点P’ A和P’ O连接，得到直线P’ AP’ O三维空间方程，根据其三维空间方程，将该空间直线投影到xy平面，得到平面上的直线f1；
（12）在xy平面内，车辆几何中心的位置可以通过测量得到，计算几何中心到直线f1的距离为d1，d1即为车辆距离左隧道壁的距离，计算直线f1与y轴的夹角为a1，a1即为车辆纵轴与左隧道壁的夹角；
（13）采用上述同样的方法，可以得到车辆距离右隧道壁的距离d2，得到车辆纵轴与右隧道壁的夹角a2，理论上左右隧道壁与车道中心线三者是平行的，a1=a2，但是由于误差影响，二者并不相等；
（14）因此，车辆纵轴与车道中心线的夹角a可近似为a=(a1+a2)/2。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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