GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法及装置

摘要

本发明公开了一种GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法及装置，方法包括：获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。本发明可以在GNSS信号缺失环境下进行毫米波雷达目标定位，提高目标定位的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及毫米波雷达点云处理技术领域，尤其涉及GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法及装置。

背景技术

准确的目标定位首先需要传感器的自己的绝对位置信息。实现传感器自主定位是移动机器人领域研究最广泛也是最核心的问题之一。在自动驾驶、增强现实、无人机等领域都有着重要地应用。目前已经有多种流行的定位技术，比如全球导航卫星系统（GlobalNavigation Satellite System，GNSS），最常见的是GPS，其中RTK-GPS可以达到厘米级的定位精度；移动机器人可通过轮式里程计、惯性导航装置(Inertial Measurement Unit，IMU)等本体传感器进行定位；另一种在封闭空间中常用的定位方法是基于合作目标定位系统，这种系统多数由合作目标与通信基站组成，采用的通信技术包括射频识别（RadioFrequency Identification，RFID）、ZigBee、WiFi和超宽带（Ultra Wide Band，UWB）等。这类定位系统需要目标随身携带通讯装置。

然而，上述这些方法在实际中存在很大局限性。比如GNSS信号无法在封闭空间和有严重遮挡的环境中使用；由于高精度的IMU成本过高、轮式里程计的打滑漂移引起累积误差等问题，单独依靠这些本体传感器并不能稳定的提供定位结果；合作目标方法定位的成败与否，取决于通信技术手段能否有效支撑，价格高昂且缺乏稳定性。

还有一种不依赖于其他辅助手段的传感器自定位技术，即同时定位与构图（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）。这种方法可以通过重复观测到的环境特征定位传感器自身的位置和姿态。常用的SLAM系统包括激光SLAM和视觉SLAM，即使用激光雷达或者视觉相机作为数据采集的传感器。但是在烟雾、雨雪等极端气候条件下，它们无法正常工作。

毫米波雷达是指发射毫米波波段的电磁波进行探测的雷达，它穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的优点。使用毫米波雷达作为SLAM传感器可以解决以上问题。但是由于其较小的数据量和较低的测量精度，这将严重降低SLAM定位的准确性，进而降低目标定位的准确性。

因此，亟需一种可以克服上述问题的用于GNSS信号缺失环境下的毫米波雷达目标定位方案。

发明内容

本发明实施例提供一种GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法，用以在GNSS信号缺失环境下进行毫米波雷达目标定位，提高目标定位的准确性，该方法包括：

获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；

根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；

根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；

根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；

将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；

根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。

本发明实施例提供一种GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位装置，用以在GNSS信号缺失环境下进行毫米波雷达目标定位，提高目标定位的准确性，该装置包括：

数据获得模块，用于获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；

地图建立模块，用于根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；

子图确定模块，用于根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；

查找表建立模块，用于根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；

匹配模块，用于将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；

目标定位模块，用于根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法的计算机程序。

本发明实施例通过获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。本发明实施例不依赖于GNSS信号的辅助定位手段，根据RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表并将当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配得到当前帧位姿数据，解决了因毫米波雷达数据量小、测量精度低导致的定位不准确的问题，从而实现在GNSS信号缺失环境下进行毫米波雷达目标定位，提高目标定位的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法示意图；

图2为本发明实施例中雷达扫描示意图；

图3为本发明实施例中GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位装置结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如前所述，目前虽然已经有多种流行的定位技术，但多数方法在实际中存在很大局限性。比如GNSS信号无法在封闭空间和有严重遮挡的环境中使用；由于高精度的IMU成本过高、轮式里程计的打滑漂移引起累积误差等问题，单独依靠这些本体传感器并不能稳定的提供定位结果；合作目标方法定位的成败与否，取决于通信技术手段能否有效支撑，价格高昂且缺乏稳定性。在使用SLAM方法进行定位和构图时，激光SLAM与视觉SLAM虽然具有各自的优点，但是他们在面对诸如雾、烟、灰尘等特殊条件的环境时，无法高效工作。毫米波雷达虽然可以全天时全天候地工作，但是由于其较小的数据量和较低的测量精度，这将严重降低SLAM定位的准确性，进而降低目标定位的准确性。

为了在GNSS信号缺失环境下进行毫米波雷达目标定位，提高目标定位的准确性，本发明实施例提供一种GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法，如图1所示，该方法可以包括：

步骤101、获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；

步骤102、根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；

步骤103、根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；

步骤104、根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；

步骤105、将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；

步骤106、根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。

由图1所示可以得知，本发明实施例通过获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。本发明实施例不依赖于GNSS信号的辅助定位手段，根据RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表并将当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配得到当前帧位姿数据，解决了因毫米波雷达数据量小、测量精度低导致的定位不准确的问题，从而实现在GNSS信号缺失环境下进行毫米波雷达目标定位，提高目标定位的准确性。

实施例中，获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据。

本实施例中，所述当前帧毫米波雷达采集数据包括：目标相对于雷达在笛卡尔坐标系中的当前横坐标和当前纵坐标，以及目标的当前雷达散射横截面积数据；所述历史帧毫米波雷达采集数据包括：目标相对于雷达在笛卡尔坐标系中的历史横坐标和历史纵坐标，以及目标的历史雷达散射横截面积数据。

具体实施时，首先将毫米波雷达固定在稳定的移动载体平台上，如：无人机、移动轨道、机器人或汽车，控制载体在空间中移动，对周围环境进行数据采集，雷达扫描示意图如图2所示。雷达开始工作后，开始对环境进行感知扫描。由于毫米波雷达的空间特性是二维的，它在高程上不具备分辨能力。定义雷达每帧检测到

其中，

实施例中，根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图。根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图。根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表。将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据。

本实施例中，根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图，包括：根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，分别建立高分辨率的第一RCS占据栅格地图和低分辨率的第二RCS占据栅格地图；根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图，包括：根据预先设置的边界阈值，确定高分辨率的第一RCS占据栅格地图的第一局部子图和低分辨率的第二RCS占据栅格地图的第二局部子图；根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表，包括：根据第一局部子图，建立第一椭圆栅格化查找表，根据第二局部子图，建立第二椭圆栅格化查找表；将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据，包括：将所述当前帧毫米波雷达采集数据与第一椭圆栅格化查找表和第二椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据。

本实施例中，根据第一局部子图，建立第一椭圆栅格化查找表，根据第二局部子图，建立第二椭圆栅格化查找表，包括：利用二维高斯分布对第一局部子图和第二局部子图进行模糊拓展；根据第一局部子图模糊拓展后的结果，建立第一椭圆栅格化查找表，根据第二局部子图模糊拓展后的结果，建立第二椭圆栅格化查找表。

本实施例中，将所述当前帧毫米波雷达采集数据与第一椭圆栅格化查找表和第二椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据，包括：将所述当前帧毫米波雷达采集数据投影到第二椭圆栅格化查找表中；建立三维搜索窗口，将投影后的当前帧毫米波雷达采集数据进行平移处理和旋转处理；在第二椭圆栅格化查找表中遍历查找当前帧毫米波雷达采集数据击中栅格的总分的第一最大值；将所述当前帧毫米波雷达采集数据投影到第一椭圆栅格化查找表中；建立三维搜索窗口，将投影后的当前帧毫米波雷达采集数据进行平移处理和旋转处理；在第一椭圆栅格化查找表中遍历查找当前帧毫米波雷达采集数据击中栅格的总分的第二最大值；根据所述第一最大值和第二最大值，得到当前帧位姿数据。

具体实施时，首先构造两个RCS占据栅格地图，即高分辨率的第一RCS占据栅格地图和低分辨率的第二RCS占据栅格地图，构造的步骤相同，区别在于分辨率大小不同。首先RCS占据栅格地图可以表示为

将地图

为所有栅格建立后验概率

为了避免概率接近0或1时引起的截断问题，使用概率比值的对数形式表示每个栅格被占用的概率，表示为：

通过公式变换，把栅格状态的更新变成了简单的加法，利于二元贝叶斯滤波的迭代更新，如下公式：

使用该公式来实时更新每个栅格的状态，进而可以得到全局RCS占据栅格地图的状态。其中

每个栅格的先验概率是0.5，即：

由于毫米波雷达每帧扫描的数据量较小，不利于帧间的数据匹配。所以在进行数据匹配前，先根据历史帧数据（两个RCS占据栅格地图）分别建立两个栅格化查找表，两个栅格化查找表建立步骤相同。首先建立全局RCS占据栅格地图的局部子图。当新一帧的雷达数据来临，使用雷达上一时刻的位姿

接下来建立栅格化查找表。雷达对目标的检测实质上是测量目标相对雷达的角度

其中，

接下来估计雷达的位姿，雷达位姿

再将当前帧的雷达扫描数据，利用位姿

对于在低分辨率椭圆栅格化查找表中得到的总分高于

实施例中，根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。

具体实施时，根据最佳估计的当前帧位姿数据

本发明实施例提供的GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方案具备以下优势：

1、不依赖于其他辅助定位手段，使用SLAM方法实现毫米波雷达自定位，进而实现了目标的绝对定位。

2、相比于激光雷达与光学相机，使用毫米波雷达实现了全天时全天候的定位。

3、针对毫米波雷达数据量小、测量精度低，进而降低SLAM系统定位准确性的问题，提出了改进的数据匹配方法予以解决。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图3为本发明实施例中GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位装置的结构图，如图3所示，该装置包括：

数据获得模块301，用于获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；

地图建立模块302，用于根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；

子图确定模块303，用于根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；

查找表建立模块304，用于根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；

匹配模块305，用于将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；

目标定位模块306，用于根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。

一个实施例中，所述地图建立模块302进一步用于：

根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，分别建立高分辨率的第一RCS占据栅格地图和低分辨率的第二RCS占据栅格地图；

所述子图确定模块进一步用于：根据预先设置的边界阈值，确定高分辨率的第一RCS占据栅格地图的第一局部子图和低分辨率的第二RCS占据栅格地图的第二局部子图；

所述查找表建立模块进一步用于：根据第一局部子图，建立第一椭圆栅格化查找表，根据第二局部子图，建立第二椭圆栅格化查找表；

所述匹配模块进一步用于：将所述当前帧毫米波雷达采集数据与第一椭圆栅格化查找表和第二椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据。

一个实施例中，所述查找表建立模块304进一步用于：

利用二维高斯分布对第一局部子图和第二局部子图进行模糊拓展；

根据第一局部子图模糊拓展后的结果，建立第一椭圆栅格化查找表，根据第二局部子图模糊拓展后的结果，建立第二椭圆栅格化查找表。

综上所述，本发明实施例通过获得当前帧毫米波雷达采集数据，历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据；根据所述历史帧毫米波雷达采集数据和历史帧位姿数据，建立RCS占据栅格地图；根据预先设置的边界阈值，确定所述RCS占据栅格地图的局部子图；根据所述RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表；将所述当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配，得到当前帧位姿数据；根据所述当前帧位姿数据，进行GNSS信号缺失环境下毫米波雷达目标定位。本发明实施例不依赖于GNSS信号的辅助定位手段，根据RCS占据栅格地图的局部子图，建立椭圆栅格化查找表并将当前帧毫米波雷达采集数据与椭圆栅格化查找表进行匹配得到当前帧位姿数据，解决了因毫米波雷达数据量小、测量精度低导致的定位不准确的问题，从而实现在GNSS信号缺失环境下进行毫米波雷达目标定位，提高目标定位的准确性。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。