CN105068082A - 一种激光雷达扫描探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光雷达领域，提供了一种激光雷达扫描探测方法及装置，该方法包括：将激光器和图像传感单元固定于电机旋转平台上，控制电机旋转平台从初始方位开始水平匀速转动，同时控制激光器发射激光束扫描探测前方物体，并记录对应的方位信息；接收被探测物体反射的激光束，并确定反射的激光束在传感器感光片上的成像位置；根据成像位置通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离；根据电机旋转平台在旋转一周过程中生成的被探测物体的距离和对应的方位信息生成激光雷达扫描信息图。本发明基于三角测距的激光雷达能满足360度方位扫描探测且在短距离内的探测精度可达毫米级，对激光器功率要求较低，且系统体积小，成本较低。

Description

一种激光雷达扫描探测方法及装置

技术领域

本发明属于激光雷达领域，尤其涉及一种激光雷达扫描探测方法及装置。

背景技术

激光雷达由于其能精确的测量目标位置的距离和方位信息，越来越多的应用于国防工业及智能生活的方方面面。

激光雷达目前常用的探测方法有脉冲探测和相位探测，其中脉冲探测法是通过发射一束激光经目标反射后通过APD进行信号接收，根据发射和接收之间的时间差计算出目标的距离，此方法一般应用在作用距离较远的目标，对于激光器的功率要求较高且需要高成本的APD探测阵列。基于相位探测的方法是通过信号调制匹配，根据相位延迟计算被测目标的距离信息，此方法探测精度较高，但是面临着复杂的系统调试且成本较高，适合于对精密仪器的测量，同时无法满足对目标数据高速采集的要求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种激光雷达扫描探测方法，旨在解决现有激光雷达扫描对激光器的功率要求高，且采集速度慢、成本高的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种激光雷达扫描探测方法，所述方法包括下述步骤：

将激光器和图像传感单元固定于电机旋转平台上，使激光器与图像传感单元处于同一平面且保持固定距离(s)，并将所述激光器的发射方向调整至与所述平面具有固定夹角(β)，所述图像传感单元包括一传感器感光片，将所述传感器感光片调整至水平位置；

控制所述电机旋转平台从初始方位开始水平匀速转动，同时控制所述激光器发射激光束扫描探测前方物体，并记录对应的方位信息；

所述图像传感单元接收被探测物体反射的激光束，并确定反射的激光束在所述传感器感光片上的成像位置(X)；

信号处理单元根据所述成像位置(X)、固定距离(s)、固定夹角(β)和所述图像传感单元的焦距(f)通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)；

控制所述电机旋转平台旋转一周，并记录在旋转过程中生成的一个或多个被探测物体的距离(d)；

根据一个或多个被探测物体的距离(d)和对应的方位信息生成激光雷达扫描信息图。

本发明实施例的另一目的在于，提供一种激光雷达扫描探测装置，所述装置包括：

信号处理单元，用于记录每次发射激光束扫描探测对应的方位信息；

电机旋转平台，用于在所述信号处理单元控制下从初始方位开始水平匀速转动一周；

激光器，用于在所述信号处理单元控制下发射激光束扫描探测前方物体；

图像传感单元，用于接收被探测物体反射的激光束，并确定反射的激光束在所述传感器感光片上的成像位置(X)；

所述激光器和所述图像传感单元固定于所述电机旋转平台上，所述激光器与所述图像传感单元处于同一平面且保持固定距离(s)，所述激光器的发射方向与所述平面具有固定夹角(β)，所述图像传感单元包括一传感器感光片，所述传感器感光片水平放置，所述激光器、所述图像传感单元、所述电机旋转平台均与所述信号处理单元具有电连接关系；

所述信号处理单元提取所述成像位置(X)，并根据所述成像位置(X)、固定距离(s)、固定夹角(β)和所述图像传感单元的焦距(f)通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)，并根据在旋转过程中生成的一个或多个被探测物体的距离(d)和对应的方位信息生成激光雷达扫描信息图。

本发明实施例基于三角测距的激光雷达能满足360度方位扫描探测且在短距离内的探测精度可达毫米级，同时满足在高扫描频率下的目标数据高速密集探测，利用三角测量原理及线阵CMOS传感器接受信号，对激光器功率要求较低，且系统体积小，成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光雷达扫描探测方法的实现流程图；

图2为本发明实施例提供图像传感单元的信号时序图；

图3为本发明实施例提供的激光雷达扫描探测方法的三角测距原理示意图；

图4a为本发明实施例提供的激光雷达扫描探测装置的外部结构图；

图4b为本发明实施例提供的激光雷达扫描探测装置的内部结构图；

图5为本发明实施例提供的激光雷达扫描探测装置中图像传感单元的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例基于三角测距的激光雷达能满足360度方位扫描探测且在短距离内的探测精度可达毫米级，同时满足在高扫描频率下的目标数据高速密集探测，利用三角测量原理及线阵CMOS传感器接受信号，对激光器功率要求较低，且系统体积小，成本较低。

图1示出了本发明第一实施例提供的激光雷达扫描探测方法的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，将激光器和图像传感单元固定于电机旋转平台上，使激光器与图像传感单元处于同一平面且保持固定距离(s)，并将激光器的发射方向调整至与平面具有固定夹角(β)，图像传感单元包括一传感器感光片，将传感器感光片调整至水平位置；

作为本发明一实施例，该激光器1可以采用红光激光器发射红光激光束，并且该图像传感单元可以采用高速线阵CCD图像传感器。

在步骤S102中，控制电机旋转平台从初始方位开始水平匀速转动，同时控制激光器发射激光束扫描探测前方物体，并记录对应方位信息；

该方位信息指在旋转过程中，每发送一个探测光束时，记录此时激光器对应的方位。发送第一个探测光束对应记录的是初始方位，发送第二个探测光束对应记录第二个方位，系统是旋转均匀扫描的，旋转一周大概会有400个探测点，那么需要记录n个探测点对应的方位信息。

作为本发明又一实施例，可以在初始方位上设置一光电开关，使信号处理单元通过光电开关记录初始方位信息以及之后每次发射激光束扫描探测对应的方位信息。

在本发明实施例中，系统上电启动，信号处理单元4控制电机旋转平台3开始平稳转动，电机旋转平台3从设置光电开关的初始方位开始，信号处理单元4记录该初始方位θ＝0的位置，同时，红光激光器1发射红光激光束，探测该方位前方物体。

在步骤S103中，图像传感单元接收被探测物体反射的激光束，并确定反射的激光束在传感器感光片上的成像位置(X)；

在本发明实施例中，红光激光束经被探测物体反射回来后被灵敏的高速线阵CMOS图像传感器2捕捉到，高速线阵CMOS图像传感器2感知激光束反射到传感器感光片上的像素点，并根据像素点对应的电压信号占整个时钟输入信号的位置确定被探测物体在传感器感光片上的成像位置(X)，如图2所示，并将该成像位置(X)传递给信号处理单元4。

作为本发明的一个实现示例，该图像传感单元还可以包括红光窄带滤光片和滤波电路，在接收被探测物体反射的激光束时，通过红光窄带滤光片滤除外界光源及自然光的干扰，并通过滤波电路进一步滤除传感器感光片上接收的杂波信号。

在本发明实施例中，该高速线阵CCD图像传感器与信号处理单元4配合使用能够实现系统整体旋转扫描需求，其扫描频率可以达到10Hz，扫描一周可以采集500个像素点，即每秒进行5000次测量。

在步骤S104中，信号处理单元根据成像位置(X)、固定距离(s)、固定夹角(β)和图像传感单元的焦距(f)通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)；

在本发明实施例中，可以通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离，结合其原理示意图3，其中，d为被探测物体c与激光器1之间的距离，f为图像传感单元2的焦距，s为激光器1与图像传感单元2之间的固定距离，X为被探测物体c在传感器感光片上的成像位置，β为激光器1的发射方向与上述平面具有固定夹角；

那么，三角形abc与三角形egb为相似三角形，根据相似三角形对应边或高成比例的原理可知，q＝fs/X，d＝q/sin(β)，因此，三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)公式推导为：

$d=\frac{f\·s}{x\·sin\left(\mathrm{\β}\right)};$

而在上述公式中X是唯一待测量的变，即求距离d转换为求被测物体被激光照射后在传感器感光片上的成像红光点值X，而该值可以由高速线阵CCD图像传感器在扫描探测时所拍摄的像素点位置计算得出。

在步骤S105中，控制电机旋转平台旋转一周，并记录在旋转过程中生成的一个或多个被探测物体的距离(d)；

在本发明实施例中，系统工作过程中，电机旋转平台能够以最高10Hz的频率平稳运行旋转360度，并且，初始方位上设置的光电开关使能够记录旋转扫描的初始方位，信号处理单元可以通过光电开关记录每次扫描到被探测物体所处的方位信息，结合一圈扫描的点数目，则在扫描过程中，可以准确的记录下每个经过扫描点所处的方位信息，即实现探测扫描整个被测空间一周的位置信息。

在步骤S106中，根据一个或多个被探测物体的距离(d)和初始方位生成激光雷达扫描信息图。

在本发明实施例中，信号处理单元4可以根据探测旋转一周内所有周围的被测物体的距离(d)以及对应的方位信息θ＝0传递给PC端系统，通过PC端系统生成并绘制激光雷达扫描信息图，也可以通过信号处理单元4生成激光雷达扫描信息，再发送给显示设备显示出激光雷达扫描信息图。

本发明实施例基于三角测距的激光雷达能满足360度方位扫描探测且在短距离内的探测精度可达毫米级，同时满足在高扫描频率下的目标数据高速密集探测，利用三角测量原理及线阵CMOS传感器接受信号，对激光器功率要求较低，且系统体积小，成本较低。

图4a和图4b分别示出了本发明实施例提供的激光雷达扫描探测装置的外部结构和内部结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

该激光雷达扫描探测装置可以用于智能机器人的即时定位及地图构建系统中，包括：

激光器1，用于在信号处理单元4的控制下发射激光束扫描探测前方物体；

图像传感单元2，包括一传感器感光片21，用于接收被探测物体反射的激光束，并确定反射的激光束在传感器感光片21上的成像位置(X)；

电机旋转平台3，用于在信号处理单元4的控制下从初始方位开始水平匀速转动一周；

激光器1和图像传感单元2固定于电机旋转平台3上，激光器1与图像传感单元2处于同一平面且保持固定距离(s)，激光器1的发射方向与上述平面具有固定夹角(β)，传感器感光片21水平放置；

信号处理单元4，用于记录每次发射激光束扫描探测对应的方位信息，提取成像位置(X)，并根据成像位置(X)、固定距离(s)、固定夹角(β)和图像传感单元的焦距(f)通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)，以及根据在旋转过程中生成的一个或多个被探测物体的距离(d)和对应的方位信息生成激光雷达扫描信息图；

激光器1、图像传感单元2、电机旋转平台3均与信号处理单元4具有电连接关系。

作为本发明一实施例，激光器1可以采用红光激光器发射红光激光束，图像传感单元2可以采用高速线阵CCD图像传感器实现。

作为本发明一实施例，参见图5，图像传感单元2包括：

传感器感光片21，用于接收被探测物体反射的激光束；

红光窄带滤光片22，用于在接收被探测物体反射的激光束时，滤除外界光源及自然光的干扰，红光窄带滤光片22位于传感器感光片21的前方。

滤波电路23，用于进一步滤除传感器感光片上接收的杂波信号；

成像位置确定模块24，用于通过感知激光束反射到传感器感光片上的像素点，并根据像素点对应的电压信号占整个时钟输入信号的位置确定被探测物体在传感器感光片上的成像位置(X)；

传感器感光片21、红光窄带滤光片22、滤波电路23均与成像位置确定模块24具有电连接关系。

作为本发明又一实施例，可以在初始方位上设置一光电开关，使信号处理单元通过光电开关记录初始方位信息以及之后每次发射激光束扫描探测对应的方位信息。

该方位信息指在旋转过程中，每发送一个探测光束时，记录此时激光器对应的方位。发送第一个探测光束对应记录的是初始方位，发送第二个探测光束对应记录第二个方位，系统是旋转均匀扫描的，旋转一周大概会有400个探测点，那么需要记录n个探测点对应的方位信息。

在本发明实施例中，将激光器1和图像传感单元2固定于电机旋转平台上，并将传感器感光片21调整至水平位置，系统上电启动，信号处理单元4控制电机旋转平台3开始平稳转动，电机旋转平台3从设置光电开关的初始方位开始，信号处理单元4记录该初始方位θ＝0的位置，同时，红光激光器1发射红光激光束，探测该方位前方物体。

红光激光束经被探测物体反射回来后被灵敏的高速线阵CCD图像传感器2捕捉到，高速线阵CCD图像传感器2感知激光束反射到传感器感光片上的像素点，并根据像素点对应的电压信号占整个时钟输入信号的位置确定被探测物体在传感器感光片上的成像位置(X)，如图2所示，并将该成像位置(X)传递给信号处理单元4。

在本发明实施例中，该高速线阵CCD图像传感器与信号处理单元4配合使用能够实现系统整体旋转扫描需求，其扫描频率可以达到10Hz，扫描一周可以采集500个像素点，即每秒进行5000次测量。

然后，通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离，结合其原理示意图3，其中，d为被探测物体c与激光器1之间的距离，f为图像传感单元2的焦距，s为激光器1与图像传感单元2之间的固定距离，X为被探测物体c在传感器感光片上的成像位置，β为激光器1的发射方向与上述平面具有固定夹角；

那么，三角形abc与三角形egb为相似三角形，根据相似三角形对应边或高成比例的原理可知，q＝fs/X，d＝q/sin(β)，因此，三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)公式推导为：

$d=\frac{f\·s}{x\·sin\left(\mathrm{\β}\right)};$

而在上述公式中X是唯一待测量的变，即求距离d转换为求被测物体被激光照射后在传感器感光片上的成像红光点值X，而该值可以由高速线阵CCD图像传感器在扫描探测时所拍摄的像素点位置计算得出。

系统工作过程中，电机旋转平台能够以最高10Hz的频率平稳运行旋转360度，并且，初始方位上设置的光电开关使能够记录旋转扫描的初始方位，信号处理单元可以通过光电开关记录每次扫描到被探测物体所处的方位信息，结合一圈扫描的点数目，则在扫描过程中，可以准确的记录下每个经过扫描点所处的方位信息，即实现探测扫描整个被测空间一周的位置信息。

信号处理单元4再根据探测旋转一周内所有周围的被测物体的距离(d)以及对应的方位信息θ＝0传递给PC端系统，通过PC端系统生成并绘制激光雷达扫描信息图，或者通过信号处理单元4生成激光雷达扫描信息，再发送给显示设备显示出激光雷达扫描信息图。

本发明实施例基于三角测距的激光雷达能满足360度方位扫描探测且在短距离内的探测精度可达毫米级，同时满足在高扫描频率下的目标数据高速密集探测，利用三角测量原理及线阵CMOS传感器接受信号，对激光器功率要求较低，且系统体积小，成本较低。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)

1.一种激光雷达扫描探测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

将激光器和图像传感单元固定于电机旋转平台上，使激光器与图像传感单元处于同一平面且保持固定距离(s)，并将所述激光器的发射方向调整至与所述平面具有固定夹角(β)，所述图像传感单元包括一传感器感光片，将所述传感器感光片调整至水平位置；

控制所述电机旋转平台从初始方位开始水平匀速转动，同时控制所述激光器发射激光束扫描探测前方物体，并记录对应的方位信息；

所述图像传感单元接收被探测物体反射的激光束，并确定反射的激光束在所述传感器感光片上的成像位置(X)；

信号处理单元根据所述成像位置(X)、固定距离(s)、固定夹角(β)和所述图像传感单元的焦距(f)通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)；

控制所述电机旋转平台旋转一周，并记录在旋转过程中生成的一个或多个被探测物体的距离(d)；

根据一个或多个被探测物体的距离(d)和对应的方位信息生成激光雷达扫描信息图。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器为发射红光激光束的红光激光器，所述图像传感单元为高速线阵CMOS图像传感器，所述图像传感单元还包括红光窄带滤光片和滤波电路，在接收被探测物体反射的激光束时，通过所述红光窄带滤光片滤除外界光源及自然光的干扰，并通过所述滤波电路进一步滤除传感器感光片上接收的杂波信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像传感单元通过感知激光束反射到所述传感器感光片上的像素点，并根据所述像素点对应的电压信号占整个时钟输入信号的位置确定被探测物体在所述传感器感光片上的成像位置(X)。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)公式为：

$d=\frac{f\·s}{x\·sin\left(\mathrm{\β}\right)};$

其中，d为被探测物体与所述激光器之间的距离，f为所述图像传感单元的焦距，s为所述激光器与所述图像传感单元之间的固定距离，X为被探测物体在所述传感器感光片上的成像位置，β为所述激光器的发射方向与所述平面具有固定夹角。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始方位上设置一光电开关，所述信号处理单元通过所述光电开关记录初始方位信息以及之后每次发射激光束扫描探测对应的方位信息。

6.一种激光雷达扫描探测装置，其特征在于，所述装置包括：

信号处理单元，用于记录每次发射激光束扫描探测对应的方位信息；

电机旋转平台，用于在所述信号处理单元控制下从初始方位开始水平匀速转动一周；

激光器，用于在所述信号处理单元控制下发射激光束扫描探测前方物体；

图像传感单元，用于接收被探测物体反射的激光束，并确定反射的激光束在所述传感器感光片上的成像位置(X)；

所述激光器和所述图像传感单元固定于所述电机旋转平台上，所述激光器与所述图像传感单元处于同一平面且保持固定距离(s)，所述激光器的发射方向与所述平面具有固定夹角(β)，所述图像传感单元包括一传感器感光片，所述传感器感光片水平放置，所述激光器、所述图像传感单元、所述电机旋转平台均与所述信号处理单元具有电连接关系；

所述信号处理单元提取所述成像位置(X)，并根据所述成像位置(X)、固定距离(s)、固定夹角(β)和所述图像传感单元的焦距(f)通过三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)，并根据在旋转过程中生成的一个或多个被探测物体的距离(d)和对应的方位信息生成激光雷达扫描信息图。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述激光器为发射红光激光束的红光激光器，所述图像传感单元为高速线阵CMOS图像传感器；

所述图像传感单元还包括：

红光窄带滤光片，用于在接收被探测物体反射的激光束时，滤除外界光源及自然光的干扰；

滤波电路，用于进一步滤除传感器感光片上接收的杂波信号。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述图像传感单元还包括一成像位置确定模块，用于通过感知激光束反射到所述传感器感光片上的像素点，并根据所述像素点对应的电压信号占整个时钟输入信号的位置确定被探测物体在所述传感器感光片上的成像位置(X)。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述三角测距原理计算对应探测方位上被探测物体的距离(d)公式为：

$d=\frac{f\·s}{x\·sin\left(\mathrm{\β}\right)};$

其中，d为被探测物体与所述激光器之间的距离，f为所述图像传感单元的焦距，s为所述激光器与所述图像传感单元之间的固定距离，X为被探测物体在所述传感器感光片上的成像位置，β为所述激光器的发射方向与所述平面具有固定夹角。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述初始方位上设置一光电开关，所述信号处理单元通过所述光电开关记录初始方位信息以及之后每次发射激光束扫描探测对应的方位信息。