CN109669191A - 基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法 - Google Patents

Abstract

针对现有技术中采用多线激光雷达进行地形构建而造成的性价比低的问题，本发明提供一种基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法，在载有单线激光雷达的车辆沿X轴方向运动时，障碍物相对车辆的X轴反方向运动，将障碍物的运动方向分解为对激光雷达X、Z方向的运动，结合激光雷达自身Y方向的扫描，完成对障碍物或地形的3D扫描；单线激光雷达与水平面存在一定的夹角θ₁。本发明通过车辆沿X方向运动时，障碍物相对车辆的X方向的运动，分解为对倾斜安装的激光雷达X、Z方向的运动，通过激光雷达与地面的几何关系获得障碍物轮廓的高度或者深度以及障碍物的宽度。本发明具有的性价比高、数据量少、重量轻等优点。

Description

基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法

技术领域

本发明涉及汽车智能驾驶领域，尤其涉及单线激光雷达扫描的车辆前向地形构建方法。

背景技术

光雷达是一种常用的测距传感器，由于具有分辨率高、受环境因素干扰小等优点，被广泛运用在各种领域，激光雷达分为单线激光雷达、多线激光雷达和面阵雷达三种。

激光光束可以很好的通过光学***聚集，因此不仅是距离，目标相对于传感器的侧面和垂直位置也可以得到确定。采用这种测量原理能够很好的构建这个地形轮廓。

目前针对车辆前方障碍物轮廓的研究已经很多，但多采用多线激光雷达，这种结构采集到的信号较大，需要处理器运算速度快、算法复杂，并且这种结构成本高，考虑在农用车辆应用中所需的信号反馈处理速度和性价比问题，单线激光雷达具有其他雷达不具有的性价比高、数据量少、重量轻等优点。

发明内容

针对现有技术中采用多线激光雷达进行地形构建而造成的性价比低的问题，本发明提供一种基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法，其采用具有与水平面有夹角的单线激光雷达进行左右摆动扫描，而不进行上下扫描，数据量少，硬件配置要求不高，提升了激光雷达构建地图设备的性价比。

所述的基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法，其技术方案在于：在载有单线激光雷达的车辆沿X轴方向运动时，障碍物相对车辆的X轴反方向运动，将障碍物的运动方向分解为对激光雷达X、Z方向的运动，结合激光雷达自身Y方向的扫描，完成对障碍物或地形的3D扫描；单线激光雷达与水平面存在一定的夹角θ₁。

根据车辆车速确定需要识别的安全距离，由安全距离、激光雷达高度和车辆地形通过能力确定激光雷达的倾斜角度θ₁，其中，l代表车辆需要识别的最短距离,h₁代表激光雷达高度，h₂代表车辆需要避障时的障碍物高度。

将障碍物相对车辆的X轴反方向运动分解，Z方向的对应物体高度或者深度其中，t为激光脉冲从障碍物底部扫描到顶部的时间；v为车辆行驶速度；

则障碍物的X方向的长度为v*t₂；其中，V为车辆行驶速度，t₂为测量高度为h时汽车行驶的时间,即扫描为同一物体的时间；

单线激光雷达水平旋转角θ2，则由余弦公式可知障碍物的y方向的宽度为：其中，L₁、L₂分别为单线激光雷达前后两次信号发射时到障碍物的距离。

本发明的有益效果是：本发明通过车辆沿X方向运动时，障碍物相对车辆的X方向的运动，分解为对倾斜安装的激光雷达X、Z方向的运动，通过激光雷达与地面的几何关系获得障碍物轮廓的高度或者深度以及障碍物的宽度。本发明具有的性价比高、数据量少、重量轻等优点。

附图说明

图1为本发明的测量原理示意图。

图2为本发明对障碍物高度Z方向的测量原理示意图。

图3为本发明对障碍物宽度Y方向的测量原理示意图。

图4为本发明对障碍物厚度的X方向的测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

本发明主要应用于车辆速度不高的情况下，如农业自动化方面。基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法，将单线激光雷达装于拖拉机车辆顶部，可以从激光雷达位置测量开始地形探测，激光光束倾斜在投射在地形上，在使用时包括以下步骤；

步骤一、根据光线传播公式，由车辆车速可以确定需要识别的最短的安全距离，由安全距离、激光雷达高度和车辆地形通过能力确定激光雷达的倾斜角度。

其中，上述的安全距离是指在车辆需要避障时，由于车辆具有一定的行进速度，在进行拐弯操作时，需要一定的距离进行避障，这个避障用最短的距离为安全距离。这个距离随着车速的增加而增加。车辆地形通过能力是指通过本申请所述的方法获得障碍物m的高、宽以及厚度信息后，通过程序判断车辆是否能够通过的能力。如果车辆本身通过能力是高度30cm，障碍物m的高度为35cm，则超过车辆的通过能力，车辆停止。如果如果车辆本身通过能力是高度30cm，障碍物m的高度为25cm，则不超过车辆的通过能力，车辆通过。

步骤二、激光器发射出的激光脉冲入射到物体表面引起散射，其中一部分光波会经过反射返回到到激光雷达的接收器中，它将光信号转变为电信号记录下来，同时，由所配备的计时器记录同一个激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔。由于光速是已知的，传播时间间隔即可被转换为对距离的测量。

步骤三、如图1，通过车辆沿X方向运动时，障碍物m相对车辆的X方向的运动，分解为对倾斜安装的激光雷达X、Z方向的运动，通过激光雷达与地面的几何关系可求出障碍物m轮廓的高度或深度和宽度。

步骤四、在车辆行驶之前有一段距离的盲区，需要在车辆前端安装一个超声波雷达。

步骤五、微处理器进行地形构建，控制***判定车辆对此地形是否具有通过能力。

所述步骤一包括以下过程：激光雷达发出的脉冲光束相对于竖直方向的倾角θ₁的表达式为:

其中,l代表车辆需要识别的最短距离初定为5m,h₁代表激光雷达高度初定为3m，h₂代表车辆需要避障时的障碍物m高度初定为0.2m可得θ₁为61°。

所述步骤二激光雷达道障碍物m直线距离测量包括以下过程：激光雷达道障碍物m直线距离L表达式为：其中，L为激光发射器到反射点之间的几何距离，c为光速，t为激光脉冲由发射到被接收的时间间隔，一束激光脉冲的一次回波信号只能获得一个激光反射点的距离信息，为连续获得具有一定带宽的一系列激光反射点的距离信息，需借助一定的机械装置，通过扫描的方式使激光发射器进行作业。因为激光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。

如图2，所述步骤三障碍物m高度或深度和宽度测量包括以下过程：通过三角函数变换，利用激光雷达的安装高度、激光光数的倾斜角、激光雷达摆动角度和激光雷达到障碍物m距离可以计算出障碍物m轮廓高度和宽度，计算公式如下：

障碍物m的高度或深度h的表达式为：其中，t为激光脉冲从障碍物m底部扫描到顶部的时间；v为车辆行驶速度；

如图3，障碍物m的宽度d的表达式为式中，L₁、L₂分别为雷达前后两次信号发射时到障碍物m的距离，θ₂为雷达摆动角度。

如图4，障碍物m的X方向厚度的长度为v*t₂；其中，V为车辆行驶速度，t₂为测量高度为h时汽车行驶的时间，即扫描同一物体时的耗时。

在使用中，可以设置微处理器，该微处理器中建立一段距离内的雷达扫描线缓冲区(FIFO)，利用迭代最近点算法构建完整地形或障碍物m。该微处理器根据测得地形或障碍物m轮廓判定对此地形是否具有通过能力，如果能够通过障碍则继续行进，否则控制***将发出指令信号给执行***采取适当避障措施。

因为本发明所述的方法需要车辆行进一段距离后才能形成地图构建，所以，为了保证安全，可以在车辆前方安装几个超声波雷达探测是否存在物体，超声波雷达与微处理器通信，如果超声波雷达发回的数据表示存在物体，且物体与车辆的距离位于本方法能够检测的最近距离点与车辆之间，微处理器控制车辆避开障碍物m。

具体的，单线激光雷达的转动可以通过旋转机架实现，所述的旋转机架包括机座、和机座下方设置的步进电机；机座上设置单线激光雷达，机座与水平面夹角为θ₁；所述的夹角θ₁可以通过上述的方式预设。单线激光雷达射出的光线与水平面的夹角也是夹角θ₁；机座与步进电机的输出轴固定连接，随步进电机的输出轴转动而转动。步进电机的与微处理器电连接，微处理器可以采集步进电机的主动角度。同时通过预设，可以确定步进电机的最大转角。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法，其特征在于：在载有单线激光雷达的车辆沿X轴方向运动时，障碍物相对车辆的X轴反方向运动，将障碍物的运动方向分解为对激光雷达X、Z方向的运动，结合激光雷达自身Y方向的扫描，完成对障碍物或地形的3D扫描；单线激光雷达与水平面存在一定的夹角θ₁。

2.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法，其特征在于：车辆车速确定需要识别的安全距离，由安全距离、激光雷达高度和车辆地形通过能力确定激光雷达的倾斜角度θ₁，其中，其中,l代表车辆需要识别的最短距离,h₁代表激光雷达高度，h₂代表车辆需要避障时的障碍物高度。

3.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达的车辆前向地形构建方法，其特征在于：将障碍物相对车辆的X轴反方向运动分解，Z方向的对应物体高度或者深度其中，t为激光脉冲从障碍物底部扫描到顶部的时间；v为车辆行驶速度；

则障碍物的X方向的长度为v*t₂；其中，V为车辆行驶速度，t₂为测量高度为h时汽车行驶的时间,即扫描为同一物体的时间；

单线激光雷达水平旋转角θ2，则由余弦公式可知障碍物的y方向的宽度为：其中，L₁、L₂分别为单线激光雷达前后两次信号发射时到障碍物的距离。