CN112099052A - 一种激光雷达水平调节*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达水平调节***，包括:激光雷达，用于对目标平面进行扫描；两自由度调节平台，用于调节所述激光雷达保持水平；所述两自由度调剂平台上设有所述激光雷达；陀螺仪，用于测量目标机器人的三维旋转角速度；加速度计，用于测量目标机器人的加速度；所述陀螺仪和所述加速度计设于所述目标机器人上；主控计算单元，用于控制所述两自由度调节平台进行调节。通过利用目标机器人上的陀螺仪和加速度计，同时，通过互补滤波算法计算得到目标机器人的俯仰角和横滚角，进而控制由两个舵机构成的两自由度调节平台使激光雷达保持水平。

Description

一种激光雷达水平调节***
技术领域
本发明涉及目标机器人雷达水平调节技术领域，尤其涉及一种激光雷达水平调节***。
背景技术
近些年来，世界范围内的自然灾害、人为灾难频频发生，灾害过后，救援就成了最紧急、最重要的一项工作。然而灾难现场的环境大多复杂而危险，增加了救援的难度，阻碍救援工作快速有效的进行，给幸存者和救援人员都带来了巨大的安全威胁。随着机器人产业整体的迅猛发展，目标机器人在突发事件的救援任务中发挥越来越重要的作用，具有深远的影响和现实意义。
现有的目标机器人主要依靠激光雷达对周围环境进行扫描，根据雷达数据对受灾环境建立二维地图，并对自身位置进行定位。
但是，现有的小型激光雷达往往是对其本身所在的一个平面进行二维扫描。如果简单地将激光雷达固定在目标机器人上，由于目标机器人运行在崎岖不平的受灾环境，激光雷达会随着机器人摆动，导致扫描到不同角度的平面，造成目标机器人的地图建立和定位出现大量错误。
因此，急需有一个水平调节***使激光雷达保持水平，简化建图的数据处理和滤波过程，保证建图的精确性，使目标机器人的可在不平坦的地形中正常工作。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光雷达水平调节***，用于简化建图的数据处理和滤波过程，提高建图的精确性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种激光雷达水平调节***，包括:
激光雷达，用于对目标平面进行扫描；所述激光雷达安装在两自由度调节平台上；所述两自由度调节平台用于调节所述激光雷达保持水平；所述两自由度调解平台设于目标机器人上；所述目标机器人上还安装有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量所述目标机器人的三维旋转角速度；所述加速度计用于测量目标机器人的加速度；
主控计算单元，用于控制所述两自由度调节平台进行调节；所述主控单元和所述陀螺仪、所述加速度计通信连接；所述主控计算单元接收所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据之后，所述主控计算单元计算所述目标机器人的角度。
进一步的，所述角度为目标机器人的俯仰角和横滚角。
进一步的，所述主控计算单元在控制所述两自由度平台调节时，按照所述目标机器人的俯仰角和横滚角的旋转方向来控制所述两自由度平台的水平方向。
进一步的，所述两自由度调节平台包括两个舵机，两个所述舵机设于所述目标机器人上。
进一步的，所述主控计算单元通过滤波算法控制所述两自由度调节平台的主动调节。
进一步的，通过所述滤波算法得到目标机器人的欧拉角，所述欧拉角是物体绕坐标系三个坐标轴(x,y,z轴)的旋转角度，所述滤波算法的公式如下：
Figure BDA0002684664080000021
其中，ang l e为目标机器人的欧拉角，acc为加速度计的测量值转换得到的加速度角度，gyro为陀螺仪的测量值转换得到的欧拉角，wGyro为陀螺仪测量值所占的权重。
进一步的，所述目标机器人为救援机器人。
本发明的有益效果：本发明公开了一种激光雷达水平调节***，包括:
激光雷达，用于对目标平面进行扫描；所述激光雷达安装在两自由度调节平台上；所述两自由度调节平台用于调节所述激光雷达保持水平；所述两自由度调解平台设于目标机器人上；所述目标机器人上还安装有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量所述目标机器人的三维旋转角速度；所述加速度计用于测量目标机器人的加速度；主控计算单元，用于控制所述两自由度调节平台进行调节；所述主控单元和所述陀螺仪、所述加速度计通信连接；所述主控计算单元接收所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据之后，所述主控计算单元计算所述目标机器人的角度。通过利用目标机器人上的陀螺仪和加速度计，而不需要另外在激光雷达上安装陀螺仪和加速度计，减少了***冗余，同时，通过互补滤波算法计算得到目标机器人的俯仰角和横滚角，进而控制由两个舵机构成的两自由度调节平台使激光雷达保持水平。本发明实施例的激光雷达水平调节***针对目标机器人所面对的非结构化环境，设计了结构简单，实用性强。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种激光雷达水平调节***的框图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种激光雷达水平调节***及目标机器人，用于简化建图的数据处理和滤波过程，提高建图的精确性，进而控制两自由度调节平台使激光雷达保持水平。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。如图1所示，图1为本发明实施例的一种激光雷达水平调节***的框图，如图1所示，本发明实施例的一种激光雷达水平调节***，激光雷达，用于对目标平面进行扫描；所述激光雷达安装在两自由度调节平台上；所述两自由度调节平台用于调节所述激光雷达保持水平；所述两自由度调解平台设于目标机器人上；所述目标机器人上还安装有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量所述目标机器人的三维旋转角速度；所述加速度计用于测量目标机器人的加速度；
主控计算单元，用于控制所述两自由度调节平台进行调节；所述主控单元和所述陀螺仪、所述加速度计通信连接；所述主控计算单元接收所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据之后，所述主控计算单元计算所述目标机器人的角度。
具体的，如图1所示，通过目标机器人上的陀螺仪和加速度计实时测量目标机器人的三维旋转角速度及加速度，通过主控计算单元计算出目标机器人的俯仰角和横滚角，并通过互补滤波算法控制两自由度调节平台进行主动调节，使得其搭载的激光雷达保持水平。
自由度是根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目(亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目)。
加速度计，由于加速度计会测量所有作用于本身的力，当机器人静止时，加速度测量的力就可以近似为重力，所以可以通过重力的加速度方向计算得到目标机器人的欧拉角。但是当目标机器人在运动时，加速度计所测量的加速度会包含目标机器人本身运动的加速度，无法分离出重力加速度的方向。因此单单靠加速度计的测量数据无法计算得到目标机器人的欧拉角。
陀螺仪，通过测量目标机器人的角速度，对角速度进行积分得到其欧拉角。但是由于陀螺仪本身的误差和环境噪声，其积分所得到的欧拉角会不断积累误差，导致长时间运行后所测量的欧拉角与实际偏差过大。因此，需要将两种传感器的数据相融合，计算得到目标机器人准确的欧拉角。
具体的，所述陀螺仪、所述加速度计给所述主控计算单元发送信号，所述主控计算单元接收所述陀螺仪和所述加速度计发送的信号数据，并计算目标机器人的角度。
进一步的，所述角度为目标机器人的俯仰角和横滚角。
具体的，俯仰角是机体坐标系x轴与水平面的夹角。当机体坐标系的x轴在惯性坐标系XOY平面上方时，俯仰角为正，否则为负。即平行于机身轴线并指向飞行器前方的向量与地面的夹角。横滚角，是指运载体横轴与水平线之间的夹角叫横滚角。指导航***中用来标识目标的横向倾角，其值等于目标物体所在平面上与艏艉线垂直的线与其在水平面的投影间的夹角。横滚又叫横摇，代表运载体绕纵轴的转动，绕纵轴轴向顺时针转动为正。
进一步的，所述主控计算单元在控制所述两自由度平台调节时，按照所述目标机器人的俯仰角和横滚角的旋转方向来控制所述两自由度平台的水平方向。
具体的，所述目标机器人的所述俯仰角和所述横滚角的旋转方向分别对应所述两自由度调节平台的两个自由度调节方向。因此主控计算单元在计算得到目标机器人的俯仰角和横滚角后，直接控制两自由度调节平台的舵机反方向调节相应俯仰角和横滚角的度数，即可使激光雷达保持水平。
进一步的，所述两自由度调节平台包括两个舵机，两个所述舵机设于所述目标机器人上。
具体的，由两个舵机构成了两自由度调节平台，调节两个舵机使激光雷达保持水平。
进一步的，所述主控计算单元通过滤波算法控制所述两自由度调节平台的主动调节。
具体的，利用目标机器人上的陀螺仪和加速度计，通过互补滤波算法计算得到目标机器人的俯仰角和横滚角，进而控制由两个舵机构成的两自由度调节平台使激光雷达保持水平。
进一步的，通过所述滤波算法得到目标机器人的欧拉角，所述欧拉角是物体绕坐标系三个坐标轴(x,y,z轴)的旋转角度，所述滤波算法的公式如下：
Figure BDA0002684664080000051
其中，ang l e为目标机器人的欧拉角，acc为加速度计的测量值转换得到的加速度角度，gyro为陀螺仪的测量值转换得到的欧拉角，wGyro为陀螺仪测量值所占的权重。
进一步的，所述目标机器人为救援机器人。
具体的，本发明面向救援机器人，针对救援机器人所面对的非结构化环境，设计了结构简单，可行性高，实用性强的激光雷达水平调节***。
综上所述，本发明实施例公开了一种激光雷达水平调节***，包括:激光雷达，用于对目标平面进行扫描；所述激光雷达安装在两自由度调节平台上；所述两自由度调节平台用于调节所述激光雷达保持水平；所述两自由度调解平台设于目标机器人上；所述目标机器人上还安装有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量所述目标机器人的三维旋转角速度；所述加速度计用于测量目标机器人的加速度；主控计算单元，用于控制所述两自由度调节平台进行调节；所述主控单元和所述陀螺仪、所述加速度计通信连接；所述主控计算单元接收所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据之后，所述主控计算单元计算所述目标机器人的角度。通过利用目标机器人上的陀螺仪和加速度计，而不需要另外在激光雷达上安装陀螺仪和加速度计，减少了***冗余，同时，通过互补滤波算法计算得到目标机器人的俯仰角和横滚角，进而控制由两个舵机构成的两自由度调节平台使激光雷达保持水平。本发明实施例的激光雷达水平调节***针对目标机器人所面对的非结构化环境，设计了结构简单，实用性强。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种激光雷达水平调节***，其特征在于，包括:
激光雷达，用于对目标平面进行扫描；所述激光雷达安装在两自由度调节平台上；所述两自由度调节平台用于调节所述激光雷达保持水平；所述两自由度调解平台设于目标机器人上；所述目标机器人上还安装有陀螺仪和加速度计，所述陀螺仪用于测量所述目标机器人的三维旋转角速度；所述加速度计用于测量目标机器人的加速度；
主控计算单元，用于控制所述两自由度调节平台进行调节；所述主控单元和所述陀螺仪、所述加速度计通信连接；所述主控计算单元接收所述陀螺仪和所述加速度计发送的数据之后，所述主控计算单元计算所述目标机器人的角度。
2.根据权利要求1所述的激光雷达水平调节***，其特征在于，所述角度为目标机器人的俯仰角和横滚角。
3.根据权利要求2所述的激光雷达水平调节***，其特征在于，所述主控计算单元在控制所述两自由度平台调节时，按照所述目标机器人的俯仰角和横滚角的旋转方向来控制所述两自由度平台的水平方向。
4.根据权利要求1所述的激光雷达水平调节***，其特征在于，所述两自由度调节平台包括两个舵机，两个所述舵机设于所述目标机器人上。
5.根据权利要求1所述的激光雷达水平调节***，其特征在于，所述主控计算单元通过滤波算法控制所述两自由度调节平台的主动调节。
6.根据权利要求5所述的激光雷达水平调节***，其特征在于，通过所述滤波算法得到目标机器人的欧拉角，所述欧拉角是物体绕坐标系三个坐标轴(x,y,z轴)的旋转角度，所述滤波算法的公式如下：
Figure FDA0002684664070000011
其中，angle为目标机器人的欧拉角，acc为加速度计的测量值转换得到的加速度角度，gyro为陀螺仪的测量值转换得到的欧拉角，wGyro为陀螺仪测量值所占的权重。
7.根据权利要求1所述的激光雷达水平调节***，其特征在于，所述目标机器人为救援机器人。
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