CN108776344A - 一种低成本可斜射激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可斜射激光雷达。包括激光发射单元，用于发射一定功率的扫描激光；激光接收单元，用于收集目标的回波信号，处理后获得目标信息并将目标信息输送给主控***；水平舵机，用于调整扫描激光方位向的扫描角度；纵向舵机，用于调整扫描激光俯仰向的扫描角度；扫描激光俯仰向的扫描角度大于零度；水平舵机携带底盘在水平方向进行360度自由旋转；纵向舵机携带激光发射单元和激光接收单元在俯仰方位0‑81度范围内任意调整。本发明室内定位灵活性和定位精度高，定位的通用性更强。

Description

一种低成本可斜射激光雷达
技术领域
本发明属于机器人导航技术领域，具体涉及一种低成本可斜射激光雷达。
背景技术
随着机器人、智能设备在生活、生产中的广泛应用，特别是智能移动的机器人的应用日益广泛，而实现自主定位和导航是移动机器人基本要求和核心技术。其中定位问题一直是机器人研究的重点和难点，尤其是在室内，由于无定位法使用GPS，同时存在非结构化环境特征，定位精度要求较高等特点和限制，给机器人定位提出了更高的要求。
传统的激光雷达只能在水平方向上旋转雷达进行扫描，而面对人员流动较大的动态环境，则不能很好处理运动人群对目标识别带来的干扰，稳定性和可靠性较低，存在误匹配的可能。因而，现有技术定位技术很难实现稳定、准确、高精度的定位。
发明内容
本发明提出一种低成本可斜射激光雷达，室内定位灵活性和定位精度高，定位的通用性更强。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可斜射激光雷达，包括：激光发射单元，用于发射一定功率的扫描激光；激光接收单元，用于收集目标的回波信号，处理后获得目标信息并将目标信息输送给主控***；水平舵机，用于调整扫描激光方位向的扫描角度；纵向舵机，用于调整扫描激光俯仰向的扫描角度；扫描激光俯仰向的扫描角度大于零度。
进一步，还包括底盘，底盘用于承载激光发射单元、激光接收单元、水平舵机、纵向舵机；水平舵机携带底盘在水平方向进行360度自由旋转。
进一步，纵向舵机携带激光发射单元和激光接收单元在俯仰方位0-81度范围内任意调整。
进一步，所述激光发射单元包括激光器、调制器、放大器、发射准直光学***和光学天线；所述激光器发射扫描激光光束，扫描激光光束经调制器进行调幅、调频和调Q，获得激光调制信号；放大器将激光调制信号放大至所需的功率，经过发射准直光学***将激光束变成所需直径和发散角的光束，最后经光学天线发射出去。
进一步，所述激光接收单元包括光电探测器和后置信息处理器；激光接收单元通过光学天线收集目标的回波信号，经过光电探测器转换成电信号，经后置信息处理器放大和信号处理，获得目标的距离、方位或者速度。
进一步，还包括工控机，所述工控机计算出扫描激光俯仰向的角度，主控***根据所述俯仰向的角度控制纵向舵机旋转至指定角度。
进一步，激光发射单元安装于底盘上，与纵向舵机相连，位于激光接收单元的右侧；激光接收单元安装于底盘上，与纵向舵机相连，位于激光发射单元的左侧；主控***安装在底盘上，位于激光发射单元及激光接收单元的正后方，通过USB接口连接至工控机；水平舵机安装于基座的中心，水平舵机的轴与底盘圆心处相连；纵向舵机安装于底盘上，纵向舵机的轴与激光发射单元和激光接收单元相连；底盘安装于基座上，圆心处与水平舵机的轴相连；外壳安装于底盘上；基座上放置水平舵机和承载底盘。
进一步，假设激光传感器发射的扫描激光在俯仰方位与地面的夹角为θ，则将激光传感器测得的机器人与墙壁之间的距离乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；根据机器人与墙壁之间的实际距离完成机器人室内定位。
进一步，假设避障距离为d、室内墙壁高度为h1，移动障碍物的最大高度为h2，激光传感器的测距距离为d2，则通过求解以下方程组来获得激光传感器的安装高度x，
避障距离d是指当激光传感器测得的移动物体与机器人之间的实际距离小于d时，则认为该物体为障碍物。
进一步，将大于d且小于d2的测距数据作为有效测距数据，剔除其他测距数据，将有效测距数据乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；将激光传感器测距数据转换为平面距离后，使用HectorSLAM方法进行机器人定位。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明所述不需要增加额外的昂贵硬件，只需增加舵机，因此成本较低，易于实现，通用性更强，灵活性更高；
(2)传统的激光雷达通常只能实现静态环境下的定位。，而本发明低成本可斜射激光雷达通过结构设计，可进行激光斜射，避免了人等低矮移动物体对雷达的动态干扰，进一步对激光测距数据进行滤波处理，将室内智能服务机器人的定位问题转换为静态环境下的定位问题，从而使得在人机共融的动态环境下，也能实现自主定位。
附图说明
图1为本发明实施例所述的低成本可斜射激光雷达组成框图；
图2为本发明实施例所述的低成本可斜射激光雷达整体示意图；
图3为本发明中激光雷达斜射照射模型图。
附图标记说明：
1-激光雷达发射单元，2-激光雷达接收单元，3-主控***，4-水平舵机，5-纵向舵机，6-底盘，7-外壳，8-基座，9-工控机；11-激光器；12-调制器；13-放大器；14-发射准直光学***；15-光学天线；21-光电探测器；22-后置信息处理器。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明可斜射激光雷达的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
如图1所示，本发明低成本可斜射激光雷达，包括：
激光发射单元1，用于发射一定功率的扫描激光；
激光接收单元2，用于收集目标的回波信号，经过处理获得距离、方位和速度等信息，完成一定的判断功能，输送到控制***3；
主控***3，用于对激光发射雷达的除主控***3外的所有部分供电，并对激光发射单元1、激光接收单元2、水平舵机4以及纵向舵机5实施控制；
水平舵机4，用于调整扫描角度，携带底盘6在水平方向进行360度自由旋转；
纵向舵机5，用于调整扫描激光斜射角度，携带激光发射单元1和激光接收单元2在俯仰方位0-81度范围内任意调整；
底盘6，用于承载激光发射单元1、激光接收单元2、水平舵机3、纵向舵机4和外壳7；
外壳7，用于保护激光发射单元1、激光接收单元2、水平舵机3、纵向舵机4等内部单元，同时，起到一定的美观作用；
基座8用于放置水平舵机4和承载底盘6；
所述激光发射单元1包括激光器11、调制器12、放大器13、发射准直光学***14和光学天线15。
所述激光器11发射激光雷达所需波长、功率、束宽和模式的扫描激光光束，扫描激光光束可经过调制器12进行调幅、调频和调Q，获得激光调制信号。根据需要，可使用放大器13将激光调制信号放大至较高的功率，经过发射准直光学***14将激光束变成直径和发散角都符合要求的光束，最后经光学天线15发射。
所述激光接收单元2包括光电探测器21和后置信息处理器22。激光接收单元2通过光学天线15收集目标的回波信号，经过光电探测器21转换成电信号，在经过后置信息处理器22经过放大和信号处理，获得距离、方位、速度等信息。
所述工控机9根据实际需要，在满足避开最小避障距离时最高的障碍物的条件下，计算出最小斜射角度，在此范围内选取某一斜射角度并发送给主控***3，主控***3将控制纵向舵机5旋转指定角度。
如图2所示，激光发射单元1安装于底盘6上，与纵向舵机5相连，位于激光接收单元2的右侧；激光接收单元2安装于底盘6上，与纵向舵机5相连，位于激光发射单元1的左侧；主控***3安装在底盘6上，位于激光发射单元1及激光接收单元2的正后方，通过USB接口连接至工控机9；水平舵机4安装于基座8的中心，轴与底盘6圆心处相连；纵向舵机5安装于底盘6上，轴与激光发射单元1和激光接收单元2相连；底盘6安装于基座8上，圆心处与水平舵机4的轴相连；外壳7安装于底盘6上；基座8上放置水平舵机4和承载底盘6。
在本发明中，在使用激光传感器测量机器人与墙壁距离的时候，结合室内的半结构化环境，使激光向上斜射而不是平射，使得扫描激光掠过移动的人等移动障碍物而受移动障碍物的遮挡，激光扫描点可以直达墙面并获得达较高的扫描点位置，从而减少行人等具有动态特征的障碍物的干扰；此时，激光传感器发射的扫描激光与地面的夹角即为激光斜射角度θ，由于扫描激光与地面存在夹角θ而不是水平，故本发明称之为激光斜射。
激光器传感器安装在机器人上，在激光测距时，考虑到室内的墙壁在不同高度上的特征是相同的，即激光扫描点在不同高度获得的测距数据的投影距离是相同的，所以可以投影到一个二维平面上。假设机器人避障距离为d、室内墙壁高度为h1，行人或其他移动物体的最大高度为h2，激光传感器的最大测距距离为d2，则可以获得以下联立方程组：
需要说明的是，避障距离d是指当室内物体与机器人之间的水平向距离小于d时，则认为该物体为障碍物。
根据上述联立方程组，在知道避障距离d、室内墙壁高度h1、行人或其他移动物体的最大高度h2、激光传感器有效的测距距离为d2(即最大测距距离)的前提下，可以获得激光传感器的安装高度x以及激光斜射角度θ。
将激光斜射下测量获得的机器人与墙壁之间的测距数据投影到水平面上，即可以获得机器人至墙面的真实水平距离，即实际距离，从而可以用于完成室内机器人的定位。也即将激光斜射下测量获得的机器人与墙壁之间的测距数据乘以cosθ即可获得机器人与墙壁之间的实际距离。
为了提高准确度，需要对激光斜射下的测距数据进行滤波，剔除无效数据。具体为，将大于dsinθ且小于激光传感器测距距离d2的测距数据作为有效测距数据，其他测距数据剔除。通过滤波处理，激光斜射时，将激光扫描点将比一般行人高度高的、但不超过房顶(墙壁)高度的测距数据作为有效测距数据。本发明中，将激光斜射数据进行滤波与处理，将斜射测距数据转换为平面激光测距数据，即将室内智能服务机器人的定位问题转换为静态环境下的定位问题。
将斜射测距距离转换为平面距离后，利用现有的二维平面激光定位方法，如HectorSLAM方法即可实现室内机器人定位。此时，在仅依靠激光数据的情况下，得到较高的定位和构图精度，然后通过与里程计数据的融合，可以减少误匹配和动态特征干扰，增强定位的鲁棒性。

Claims (10)

1.可斜射激光雷达，其特征在于，包括：
激光发射单元(1)，用于发射一定功率的扫描激光；
激光接收单元(2)，用于收集目标的回波信号，处理后获得目标信息并将目标信息输送给主控***(3)；
水平舵机(4)，用于调整扫描激光方位向的扫描角度；
纵向舵机(5)，用于调整扫描激光俯仰向的扫描角度；
扫描激光俯仰向的扫描角度大于零度。
2.如权利要求1所述可斜射激光雷达，其特征在于，还包括底盘(6)，底盘(6)用于承载激光发射单元(1)、激光接收单元(2)、水平舵机(3)、纵向舵机(4)；水平舵机(4)携带底盘(6)在水平方向进行360度自由旋转。
3.如权利要求2所述可斜射激光雷达，其特征在于，纵向舵机(5)携带激光发射单元(1)和激光接收单元(2)在俯仰方位0-81度范围内任意调整。
4.如权利要求1所述可斜射激光雷达，其特征在于，所述激光发射单元(1)包括激光器(11)、调制器(12)、放大器(13)、发射准直光学***(14)和光学天线(15)；
所述激光器(11)发射扫描激光光束，扫描激光光束经调制器(12)进行调幅、调频和调Q，获得激光调制信号；放大器(13)将激光调制信号放大至所需的功率，经过发射准直光学***(14)将激光束变成所需直径和发散角的光束，最后经光学天线(15)发射出去。
5.如权利要求1所述可斜射激光雷达，其特征在于，所述激光接收单元(2)包括光电探测器(21)和后置信息处理器(22)；激光接收单元(2)通过光学天线(15)收集目标的回波信号，经过光电探测器(21)转换成电信号，经后置信息处理器(22)放大和信号处理，获得目标的距离、方位或者速度。
6.如权利要求1所述可斜射激光雷达，其特征在于，还包括工控机(9)，所述工控机(9)计算出扫描激光俯仰向的角度，主控***(3)根据所述俯仰向的角度控制纵向舵机(5)旋转至指定角度。
7.如权利要求6所述可斜射激光雷达，其特征在于，激光发射单元(1)安装于底盘(6)上，与纵向舵机(5)相连，位于激光接收单元(2)的右侧；激光接收单元(2)安装于底盘(6)上，与纵向舵机(5)相连，位于激光发射单元(1)的左侧；主控***(3)安装在底盘(6)上，位于激光发射单元(1)及激光接收单元(2)的正后方，通过USB接口连接至工控机(9)；水平舵机(4)安装于基座(8)的中心，水平舵机(4)的轴与底盘(6)圆心处相连；纵向舵机(5)安装于底盘(6)上，纵向舵机(5)的轴与激光发射单元(1)和激光接收单元(2)相连；底盘(6)安装于基座(8)上，圆心处与水平舵机(4)的轴相连；外壳(7)安装于底盘(6)上；基座(8)上放置水平舵机(4)和承载底盘(6)。
8.如权利要求6所述可斜射激光雷达，其特征在于，假设激光传感器发射的扫描激光在俯仰方位与地面的夹角为θ，则将激光传感器测得的机器人与墙壁之间的距离乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；根据机器人与墙壁之间的实际距离完成机器人室内定位。
9.如权利要求8所述可斜射激光雷达，其特征在于，假设避障距离为d、室内墙壁高度为h1，移动障碍物的最大高度为h2，激光传感器的测距距离为d2，则通过求解以下方程组来获得激光传感器的安装高度x，
避障距离d是指当激光传感器测得的移动物体与机器人之间的实际距离小于d时，则认为该物体为障碍物。
10.如权利要求8所述可斜射激光雷达，其特征在于，将大于d且小于d2的测距数据作为有效测距数据，剔除其他测距数据，将有效测距数据乘以cosθ获得机器人与墙壁之间的实际距离；将激光传感器测距数据转换为平面距离后，使用HectorSLAM方法进行机器人定位。
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