基于MATLAB&SIMULINK開發(fā)自動駕駛系統(tǒng)第一講之傳感器配置和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

1．1 自動駕駛工具箱中的坐標(biāo)系統(tǒng)

自動駕駛工具箱使用這些坐標(biāo)系：

－ 世界坐標(biāo)系：一個固定的通用坐標(biāo)系，所有的車輛及其傳感器都被放置在這個坐標(biāo)系中

－ 車輛坐標(biāo)系：錨定在被控車輛上。通常情況下，車輛坐標(biāo)系放在后軸中點正下方的地面上。

－ 傳感器坐標(biāo)系：具體到一個特定的傳感器，如相機或雷達。

－ 空間：指的是空間。攝像機拍攝的圖像空間坐標(biāo)中的位置以像素為單位表示。

－ 圖案。棋盤模式坐標(biāo)系統(tǒng)，通常用于校準攝像機傳感器。

這些坐標(biāo)系適用于整個自動駕駛工具箱功能，從感知到控制再到駕駛場景仿真。

1．1．1世界坐標(biāo)系

所有的車輛、傳感器及其相關(guān)的坐標(biāo)系都放在世界坐標(biāo)系中。 世界坐標(biāo)系在全局路徑規(guī)劃、定位、制圖和駕駛場景仿真中非常重要。自動駕駛工具箱使用ISO 8855中定義的右手笛卡爾世界坐標(biāo)系，其中Z軸從地面向上指向。單位為米。

1．1．2 車輛坐標(biāo)系

自動駕駛工具箱所使用的車輛坐標(biāo)系（XV、YV、ZV）錨定在被控車輛上。被控車輛指的是包含感知車輛周圍環(huán)境的傳感器的車輛。

－ XV軸指向車輛的前方。

－ YV軸指向左邊，如朝前看。

－ ZV軸從地面指向上方，以保持右側(cè)坐標(biāo)系。

車輛坐標(biāo)系遵循ISO 8855慣例進行旋轉(zhuǎn)。每個軸在順時針方向上都是正值，當(dāng)看該軸的正方向時。

在大多數(shù)自動駕駛工具箱功能中，如三維駕駛場景仿真和視覺感知算法中，車輛坐標(biāo)系的原點在后橋中點下方的地面上。在三維駕駛場景仿真中，原點在車輛縱向和橫向中心的下方的地面上。

車輛坐標(biāo)系中的位置用世界單位表示，通常是米。

由單個傳感器返回的值被轉(zhuǎn)換到車輛坐標(biāo)系中，這樣它們就可以被放置在一個統(tǒng)一的參考框架中。

在進行全局路徑規(guī)劃、定位、測繪和駕駛場景仿真時，可以用車輛的姿勢來描述車輛的狀態(tài)。車輛的轉(zhuǎn)向角在逆時針方向為正值。

1．1．3 傳感器坐標(biāo)系

一個自動駕駛系統(tǒng)可以包含位于車輛上或車輛中任何地方的傳感器。每個傳感器的位置都包含其坐標(biāo)系的原點。攝像頭是自動駕駛系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種傳感器。在攝像機坐標(biāo)系中表示的點以位于攝像機光學(xué)中心的原點來描述。

傳感器的橫擺、俯仰和側(cè)傾角度遵循ISO慣例。當(dāng)分別從Z軸、Y軸和X軸的正方向看時，這些角度具有正的順時針方向。

1．1．4 空間坐標(biāo)系

空間坐標(biāo)使能夠以比像素坐標(biāo)更大的粒度來指定圖像中的位置。在像素坐標(biāo)系中，一個像素被視為一個離散的單位，由一個整數(shù)行和列對唯一標(biāo)識。在空間坐標(biāo)系中，圖像中的位置用部分像素來表示。

1．1．5 模式坐標(biāo)系

為了估計單目相機傳感器的參數(shù)，常用的技術(shù)是使用校準圖案的多幅圖像來校準相機，如棋盤。在圖案坐標(biāo)系中，（XP，YP），XP軸指向右側(cè)，YP軸指向下方。棋盤原點是棋盤左上角方塊的右下角。

每個棋盤角都代表坐標(biāo)系中的另一個點。例如，原點右邊的角是（1，0），原點下方的角是（0，1）。

1．2 校準單目相機

單目攝像頭是自動駕駛應(yīng)用中常用的一種視覺傳感器。當(dāng)安裝在被控車輛上時，這種攝像頭可以探測物體，探測車道邊界，并在場景中跟蹤物體。

在使用攝像頭之前，必須對其進行校準。攝像機校準是利用校準圖案（如棋盤）的圖像來估計攝像機的內(nèi)在和外在參數(shù)的過程。估算出內(nèi)在參數(shù)和外在參數(shù)后，就可以用它們來配置單眼相機的模型。

1．2．1 估算內(nèi)在參數(shù)

相機的固有參數(shù)是相機的屬性，如其焦距和光學(xué)中心。要估計單目相機的這些參數(shù)，請使用ComputerVision Toolbox函數(shù)和棋盤圖案的圖像。

－ 如果相機有一個標(biāo)準鏡頭，請使用估計CameraParameters函數(shù)。

－ 如果相機具有魚眼鏡頭，則使用估計FisheyeParameters函數(shù)。

另外，為了更好地將結(jié)果可視化，請使用Camera Calibrator應(yīng)用程序。

1．2．2 放置外在參數(shù)估計的棋盤。

對于安裝在車輛上的單目攝像機，外在參數(shù)定義了該攝像機的安裝位置。這些參數(shù)包括攝像機相對于車輛坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度，以及攝像機離地面的高度。

在估算外在參數(shù)之前， 必須從攝像機上捕捉到一個棋盤圖案的圖像。使用用來估計內(nèi)在參數(shù)的相同棋盤圖案。

棋盤使用以圖案為中心的坐標(biāo)系（XP，YP），其中XP軸指向右側(cè)，YP軸指向下方。棋盤原點是棋盤左上角方格的右下角。

當(dāng)將棋盤圖案與車輛相對放置時，XP軸和YP軸必須與車輛的XV軸和YV軸對齊。在車輛坐標(biāo)系中，XV軸指向車輛的正前方，YV軸指向左側(cè)，如朝前看。原點在路面上，攝像機中心的正下方（攝像機的焦點）。

圖案的方向可以是水平或垂直

水平方向

在水平方向上，棋盤圖案在地面上，與地面平行。可以將圖案放置在車輛前方、車輛后方或車輛的左側(cè)或右側(cè)。

垂直方向

在垂直方向，棋盤圖案與地面垂直?？梢詫D案放置在車輛前方、車輛后方或車輛右側(cè)的左側(cè)。

1．2．3 估計外在參數(shù)

在將棋盤放置在想要的位置后，用單目相機捕捉它的圖像。然后，使用估計MonoCameraParameters函數(shù)來估計外在參數(shù)。要使用該函數(shù)，必須指定以下內(nèi)容：

－ 攝像機的固有參數(shù)

－ 在圖像中探測到的關(guān)鍵點，在這種情況下，棋盤方塊的角。

－ 棋牌的世界積分

－ 棋盤圖案的原點離地面的高度。

例如，對于圖像I和固有參數(shù)intrinsics，以下代碼估計了外在參數(shù)。默認情況下，估計MonoCameraParameters假設(shè)相機朝向前方，并且棋盤圖案具有水平方向。

［imagePoints，boardSize］ ＝ detectCheckerboardPoints（I）；

squareSize ＝ 0．029； ％ Square size in meters

worldPoints ＝generateCheckerboardPoints（boardSize，squareSize）；

patternOriginHeight ＝ 0； ％ Pattern is on ground

［pitch，yaw，roll，height］ ＝estimateMonoCameraParameters（intrinsics，．．．

imagePoints，worldPoints，patternOriginHeight）；

為了提高這些參數(shù)的估計精度，要采集多幅圖像，并對圖像點的值進行平均。

1．2．4 使用內(nèi)在和外在參數(shù)配置攝像機

一旦獲得了估計的內(nèi)在和外在參數(shù)，就可以使用 monoCamera 對象來配置攝像機的模型。下面的示例代碼顯示了如何使用參數(shù) intrinsics、高度、俯仰、橫擺和側(cè)傾來配置攝像機。

monoCam＝ monoCamera（intrinsics，height，＇Pitch＇，pitch，＇Yaw＇，yaw，＇Roll＇，roll）；

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