CN112987593B - 一种视觉定位硬件在环仿真平台及仿真方法 - Google Patents

一种视觉定位硬件在环仿真平台及仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种视觉定位硬件在环仿真平台及仿真方法，包括自动驾驶仿真***、暗室场景***、视觉定位***，所述视觉定位***包括视觉定位计算平台及摄像头，视觉定位计算平台与自动驾驶仿真***通讯连接，视觉定位计算平台从自动驾驶仿真***中获取其虚拟传感器数据及虚拟场景高精地图；暗室场景***包括暗室，暗室中放置有高清显示屏幕和视觉定位***中的摄像头，高清显示屏幕通过视频线与自动驾驶仿真***连接，摄像头放置在高清显示屏幕前方，摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频。本发明将视觉定位计算平台和摄像头接入***，实现硬件在环仿真，最大限度模拟真实路测情况。

Description

一种视觉定位硬件在环仿真平台及仿真方法
技术领域
本发明具体涉及一种视觉定位硬件在环仿真平台及仿真方法，属于自动驾驶视觉定位技术领域。
背景技术
定位***是自动驾驶的基础模块，自动驾驶感知、规划、控制均需依赖定位信息，此前高精度惯导、RTK GNSS、高线束激光雷达广泛应用于高级别自动驾驶的定位***，但这些传感器成本高昂，在一定程度上阻碍了自动驾驶车辆的普及，由此将成本低廉的摄像头视觉信息用于自动驾驶定位成为一种趋势。
传统方法视觉定位验证一般有两种方法，一种是利用大量的数据采集车，采集大量不同场景下的视频和传感器数据，并构建真实场景的高精地图，然后利用真实的传感器数据做离线仿真，验证视觉定位算法性能，该方法需耗费大量的人力物力采集数据和构建高精地图；视觉定位对环境变化，尤其是光照变化敏感，为验证视觉定位算法的精度合鲁棒性，通常需要大量自动驾驶车辆在不同环境中路测实际验证视觉定位算法性能，例如路测场景需包括同一天中不同时段、不同季节、不同天气的组合，成本代价十分高昂。
另一种方法是纯粹的软件仿真，专利文献1公开了一种室内混合定位半物理仿真方法及平台，包括定位信号信息实测数据库、定位信号仿真模块及定位信号输出模块，其中，所述定位信号信息实测数据库存储栅格化真实定位信息；所述定位信号仿真模块用于在已有采集的信号信息基础上对输入仿真路径及自定义规则进行半物理仿真得到定位数据集；所述定位信号输出模块用于对存储的仿真数据整理固定格式后进行输出。将自动驾驶虚拟场景的传感器数据和视频流直接导入自动驾驶计算平台，没有将摄像头以硬件在环的形式接入仿真***，无法评估真实摄像头在各种场景下对视觉定位***的影响。
发明内容
本发明针对自动驾驶视觉定位***，利用现有成熟的自动驾驶仿真***，提供一种低成本、快速验证视觉定位***的性能的视觉定位硬件在环仿真平台及仿真方法，可大量减少道路测试。该方法利用上述自动驾驶仿真***，将视觉定位计算平台和摄像头接入***，实现硬件在环仿真，最大限度模拟真实路测情况，快速验证自动驾驶视觉定位***在不同工况下的算法性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种视觉定位硬件在环仿真平台，包括自动驾驶仿真***、暗室场景***、视觉定位***，所述视觉定位***包括视觉定位计算平台及摄像头，视觉定位计算平台与自动驾驶仿真***通讯连接，视觉定位计算平台从自动驾驶仿真***中获取其虚拟传感器数据及虚拟场景高精地图；暗室场景***包括暗室，暗室中放置有高清显示屏幕和视觉定位***中的摄像头，高清显示屏幕通过视频线与自动驾驶仿真***连接，摄像头放置在高清显示屏幕前方，摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频。
进一步地，所述自动驾驶仿真***包括传感器仿真模块、车辆动力学模块、高精地图模块、虚拟场景模块；传感器仿真模块用于提供视觉定位用的测量数据；车辆动力学模块中包含车辆的动力学模型，用于计算车辆在自动驾驶仿真***中的真实状态；高精地图模块用于提供虚拟场景的高精地图；虚拟场景模块用于提供车辆前方的场景视频流。
优选的，所述传感器仿真模块提供的测量数据包括车辆的三轴加速度、三轴角速度以及轮速数据。
优选的，所述高精地图模块提供的高精地图中含有视觉定位算法所提取的角点特征或视觉语义特征，以及这些特征的真实位置信息。
优选的，所述虚拟场景模块通过配置与真实摄像头参数一致的虚拟相机，从仿真环境中截取车辆前向视频流，并将该视频流传输显示在暗室中的高清显示屏幕上。
优选的，所述虚拟场景还可配置不同光照、不同季节、不同天气条件。
进一步地，所述暗室场景***中，摄像头放置在高清显示屏幕前方一定距离处，保证摄像头视场范围内为高清显示屏幕，摄像头拍摄内容即为自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的车辆前方虚拟场景。
进一步地，所述视觉定位计算平台包括处理器、数据接口、存储设备；数据接口用于接收自动驾驶仿真***中的传感器数据以及摄像头采集的视频流；存储设备用于存放从自动驾驶仿真***中获取的高精地图；处理器依靠摄像头采集的视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合传感器数据，解算出车辆位姿。
本发明同时提供一种视觉定位硬件在环仿真平台的仿真方法，包括以下步骤：
视觉定位计算平台从从自动驾驶仿真***中获取虚拟场景高精地图；
视觉定位计算平台通过数据接口从自动驾驶仿真***中获取IMU和轮速数据；
自动驾驶仿真***通过暗室场景***中的高清显示屏幕显示车辆前方虚拟场景；
摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频；
视觉定位计算平台依靠实时的摄像头视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合IMU和轮速数据，解算出车辆位姿；
将视觉定位计算平台解算出的车辆位姿与自动驾驶仿真***给出的车辆真实位姿做对比，评价视觉定位***性能。
本发明具有以下有益效果:
本发明利用现有的自动驾驶仿真***，将视觉定位硬件计算平台及摄像头接入自动驾驶仿真回路，实现视觉定位***硬件在环仿真。自动驾驶仿真***运行于上位机中，其虚拟场景在高清屏幕上显示，该高清屏幕放置于暗室中，在高清屏幕前方放置视觉定位***中使用的摄像头，摄像头根据其焦距、视场角等参数计算置于屏幕前的距离，确保摄像头视野内为屏幕上显示的虚拟场景，将摄像头视频流实时导入视觉定位计算平台中，并将自动驾驶仿真***给出的高精地图、虚拟IMU轮速计数据接入视觉定位计算平台，视觉定位计算平台可输出实时解算的车辆位置和姿态，通过对比视觉定位解算结果和自动驾驶仿真***给出的车辆真实位姿，可评价视觉定位***精度；可在自动驾驶仿真***中设置不同的天气、季节、光照变化，在真实摄像头采集的高清屏幕虚拟场景中体现，用于验证视觉定位算法的鲁棒性；摄像头以实物的形式接入仿真***，可验证摄像头硬件对整个视觉定位***性能的影响，最大程度还原真实的视觉定位***性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明视觉定位硬件在环仿真平台组成原理图；
图2为本发明所述自动驾驶仿真***功能框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
一种视觉定位硬件在环仿真平台，包括自动驾驶仿真***、暗室场景***、视觉定位***，所述视觉定位***包括视觉定位计算平台及摄像头，视觉定位计算平台与自动驾驶仿真***通讯连接，视觉定位计算平台从自动驾驶仿真***中获取其虚拟传感器数据及虚拟场景高精地图；暗室场景***包括暗室，暗室中放置有高清显示屏幕和视觉定位***中的摄像头，高清显示屏幕通过视频线与自动驾驶仿真***连接，摄像头放置在高清显示屏幕前方，摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频。
进一步地，所述自动驾驶仿真***包括传感器仿真模块、车辆动力学模块、高精地图模块、虚拟场景模块；传感器仿真模块用于提供视觉定位用的测量数据；车辆动力学模块中包含车辆的动力学模型，用于计算车辆在自动驾驶仿真***中的真实状态；高精地图模块用于提供虚拟场景的高精地图；虚拟场景模块用于提供车辆前方的场景视频流。
优选的，所述传感器仿真模块提供的测量数据包括车辆的三轴加速度、三轴角速度以及轮速数据。
优选的，所述高精地图模块提供的高精地图中含有视觉定位算法所提取的角点特征或视觉语义特征，以及这些特征的真实位置信息。
优选的，所述虚拟场景模块通过配置与真实摄像头参数一致的虚拟相机，从仿真环境中截取车辆前向视频流，并将该视频流传输显示在暗室中的高清显示屏幕上。
优选的，所述虚拟场景还可配置不同光照、不同季节、不同天气条件。
进一步地，所述暗室场景***中，摄像头放置在高清显示屏幕前方一定距离处，保证摄像头视场范围内为高清显示屏幕，摄像头拍摄内容即为自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的车辆前方虚拟场景。
进一步地，所述视觉定位计算平台包括处理器、数据接口、存储设备；数据接口用于接收自动驾驶仿真***中的传感器数据以及摄像头采集的视频流；存储设备用于存放从自动驾驶仿真***中获取的高精地图；处理器依靠摄像头采集的视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合传感器数据，解算出车辆位姿。
实施例1
如图1所示，一种视觉定位硬件在环仿真平台，主要包含三个部分，分别为自动驾驶仿真***、暗室场景***、视觉定位***。其中，视觉定位***包括视觉定位计算平台及摄像头，视觉定位计算平台中设置有视觉定位算法软件，视觉定位计算平台和摄像头作为视觉定位***硬件加入仿真***，视觉定位计算平台通过串口或者以太网与自动驾驶仿真***连接进行数据交互；暗室场景***包括暗室，暗室中放置有高清显示屏幕和视觉定位***中真实使用的摄像头，高清显示屏幕通过视频线与自动驾驶仿真***连接，摄像头放置在高清显示屏幕前方，摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频；视觉定位计算平台依靠实时的摄像头视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合IMU和轮速数据，解算出车辆位姿。将视觉定位计算平台解算出的车辆位姿与自动驾驶仿真***给出的车辆真实位姿做对比，便可用于评测视觉定位***性能。
视觉定位计算平台使用的IMU、轮速数据，不使用真实的传感器数据，而是直接从自动驾驶仿真***中获取其虚拟传感器数据。
此外，通过自动驾驶仿真***可以容易的获取车辆真实位置，以及提取虚拟场景中的特征信息，自动驾驶仿真***中一般均可提供自动生成的虚拟场景高精地图。
如图2所示，自动驾驶仿真***运行于上位机中，自动驾驶仿真***主要包含传感器仿真模块、车辆动力学模块、高精地图模块、虚拟场景模块。传感器仿真模块主要提供视觉定位用的惯性测量单元数据，包括车辆的三轴加速度和三轴角速度，此外还可以提供轮速数据，该数据反应当前车辆速度。车辆动力学模块中包含车辆的动力学模型，该模块可以计算出车辆在自动驾驶仿真***中的真实状态，如车辆位置、姿态等，可用作视觉定位***性能评价的真值。高精地图模块提供虚拟场景的高精地图，一般视觉定位算法均是基于预先建立高精地图的匹配定位，该高精地图中含有视觉定位算法所提取的相同的特征，如角点特征或视觉语义特征，高精地图中还包含这些特征的真实位置信息。虚拟场景主要为车辆前方的场景视频流，在自动驾驶仿真***中可通过配置与真实摄像头参数一致的虚拟相机从仿真环境中截取车辆前向视频流，并将该视频流传输显示在暗室中的高清屏幕上，此外虚拟场景还可配置不同光照、不同季节、不同天气条件，可以提供丰富的场景数据。
暗室场景***包括暗室，暗室中放置有高清显示屏幕和视觉定位***中真实使用的摄像头，高清显示屏幕通过视频线与自动驾驶仿真***连接，摄像头放置在高清显示屏幕前方，除了高清显示屏幕外，暗室中没有其它的光源。高清显示屏幕播放自动驾驶仿真***中实时传输过来的车辆前向虚拟场景视频流，摄像头放置在高清显示屏幕前方一定距离处，该距离与摄像头焦距及视场角等参数有关，保证摄像头视场范围内为高清显示屏幕，摄像头拍摄内容即为自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的车辆前方虚拟场景。自动驾驶仿真***可将不同光照、不同季节、不同天气条件引起的场景变化显示在高清显示屏幕上，即可通过真实的摄像头视频流传输给视觉定位计算平台，用于视觉定位计算平台进行视觉特征提取和虚拟场景高精地图特征匹配定位。
视觉定位***包括视觉定位计算平台、摄像头、运行于视觉定位计算平台中的视觉定位算法软件。视觉定位计算平台包括处理器、数据接口、存储设备；处理器运行视觉定位算法软件，依靠实时的摄像头视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合IMU和轮速数据，解算出车辆位姿；数据接口主要用于接收自动驾驶仿真***中的传感器数据，包括IMU数据、轮速计数据、摄像头视频流；存储设备用来存放从自动驾驶仿真***中获取的高精地图。视定位觉计算平台以实物形式接入硬件在环仿真平台，其IMU数据和轮速计数据是自动驾驶仿真平台提供的虚拟数据，存储设备中存放虚拟场景高精地图，输入视频流为暗室中摄像头实时拍摄的高清显示屏幕视频数据。视觉计算平台通过视觉定位算法解算出定位信息，计算平台输出硬件在环仿真解算出的视觉定位信息，通过与自动驾驶仿真平台提供的车辆在虚拟场景中的真实位置对比，评价视觉定位算法性能。视觉定位算法属于上面提到的视觉定位***，运行于视觉定位计算平台中。
实施例2
一种视觉定位硬件在环仿真平台的仿真方法，包括以下步骤：
视觉定位计算平台从从自动驾驶仿真***中获取虚拟场景高精地图；
视觉定位计算平台通过数据接口从自动驾驶仿真***中获取IMU和轮速数据；
自动驾驶仿真***通过暗室场景***中的高清显示屏幕显示车辆前方虚拟场景；
摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频；
视觉定位计算平台依靠实时的摄像头视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合IMU和轮速数据，解算出车辆位姿；
将视觉定位计算平台解算出的车辆位姿与自动驾驶仿真***给出的车辆真实位姿做对比，评价视觉定位***性能。
其中，视觉定位计算平台使用的IMU、轮速数据，不使用真实的传感器数据，而是直接从自动驾驶仿真***中获取其虚拟传感器数据。
该方法中使用的自动驾驶仿真环境，目前已有相关产品，可提供车辆在虚拟仿真环境的中的位置，仿真场景的高精地图，虚拟的IMU和轮速传感器数据、虚拟的车辆运行场景视频流。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种视觉定位硬件在环仿真平台，其特征在于，包括自动驾驶仿真***、暗室场景***、视觉定位***，所述视觉定位***包括视觉定位计算平台及摄像头，视觉定位计算平台与自动驾驶仿真***通讯连接，视觉定位计算平台从自动驾驶仿真***中获取其虚拟传感器数据及虚拟场景高精地图；暗室场景***包括暗室，暗室中放置有高清显示屏幕和视觉定位***中的摄像头，高清显示屏幕通过视频线与自动驾驶仿真***连接，摄像头放置在高清显示屏幕前方，摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频；
所述视觉定位计算平台包括处理器、数据接口、存储设备；数据接口用于接收自动驾驶仿真***中的传感器数据以及摄像头采集的视频流；存储设备用于存放从自动驾驶仿真***中获取的高精地图；处理器依靠摄像头采集的视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合传感器数据，解算出车辆位姿。
2.如权利要求1所述的一种视觉定位硬件在环仿真平台，其特征在于，所述自动驾驶仿真***包括传感器仿真模块、车辆动力学模块、高精地图模块、虚拟场景模块；传感器仿真模块用于提供视觉定位用的测量数据；车辆动力学模块中包含车辆的动力学模型，用于计算车辆在自动驾驶仿真***中的真实状态；高精地图模块用于提供虚拟场景的高精地图；虚拟场景模块用于提供车辆前方的场景视频流。
3.如权利要求2所述的一种视觉定位硬件在环仿真平台，其特征在于，所述传感器仿真模块提供的测量数据包括车辆的三轴加速度、三轴角速度以及轮速数据。
4.如权利要求2所述的一种视觉定位硬件在环仿真平台，其特征在于，所述高精地图模块提供的高精地图中含有视觉定位算法所提取的角点特征或视觉语义特征，以及这些特征的真实位置信息。
5.如权利要求2所述的一种视觉定位硬件在环仿真平台，其特征在于，所述虚拟场景模块通过配置与真实摄像头参数一致的虚拟相机，从仿真环境中截取车辆前向视频流，并将该视频流传输显示在暗室中的高清显示屏幕上。
6.如权利要求5所述的一种视觉定位硬件在环仿真平台，其特征在于，所述虚拟场景还可配置不同光照、不同季节、不同天气条件。
7.如权利要求1所述的一种视觉定位硬件在环仿真平台，其特征在于，所述暗室场景***中，摄像头放置在高清显示屏幕前方一定距离处，保证摄像头视场范围内为高清显示屏幕，摄像头拍摄内容即为自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的车辆前方虚拟场景。
8.一种如权利要求1所述的视觉定位硬件在环仿真平台的仿真方法，其特征在于，所述仿真方法包括以下步骤：
视觉定位计算平台从自动驾驶仿真***中获取虚拟场景高精地图；
视觉定位计算平台通过数据接口从自动驾驶仿真***中获取IMU和轮速数据；
自动驾驶仿真***通过暗室场景***中的高清显示屏幕显示车辆前方虚拟场景；
摄像头实时采集自动驾驶仿真***显示在高清显示屏幕上的视频；
视觉定位计算平台依靠实时的摄像头视频流提取特征，与自动驾驶仿真***中的高精地图对比，并融合IMU和轮速数据，解算出车辆位姿；
将视觉定位计算平台解算出的车辆位姿与自动驾驶仿真***给出的车辆真实位姿做对比，评价视觉定位***性能。
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