CN105242256B - 一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置，包括：电机（5）、曲柄（4）和摇杆（3），还包括：二维激光雷达（1）、雷达支架（2）、底座（8）、车辆控制单片机（6）、角度检测传感器（9）、车速检测传感器（7）和车体（10）。电机（5）通过曲柄（4）和摇杆（3）驱动雷达支架（2）和二维激光雷达（1）作俯仰运动；角度检测传感器（9）检测二维激光雷达（1）的俯仰扫描角速度并输出给车辆控制单片机（6）；电机（5）接受车辆控制单片机（6）的控制信号驱动输出轴转动并反馈实际电机（5）转速给车辆控制单片机（6）。本发明的装置结构简单、体积较小，适应于在无人车等空间有限的应用场合。

Description

一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置
技术领域
本发明涉及一种俯仰扫描装置，特别是一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置。
背景技术
目前，俯仰装置广泛应用于扩展二维激光雷达在三维环境下对障碍物的检测。目前的俯仰装置包括：电机、曲柄、摇杆、安装支架和紧固螺钉；通过电机驱动曲柄摇杆机构，实现二维激光雷达的俯仰运动。但常见的俯仰装置仅能将曲柄的匀速旋转运动转化为摇杆的非匀速往复运动，无法实现二维激光雷达的匀速俯仰扫描，同时俯仰扫描的频率也无法跟车辆行驶速度关联，容易造成检测结果失真，不适用于车辆对环境障碍物的感知。
发明内容
本发明目的在于提供一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置，解决因非匀速扫描以及俯仰扫描频率无法关联车速造成检测结果失真的问题。
一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置，包括：电机、曲柄和摇杆，还包括：二维激光雷达、雷达支架、底座、车辆控制单片机、角度检测传感器、车速检测传感器和车体。
车体位于车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置的底部。底座置于车体上方并与车体通过螺钉固定。电机置于底座上方并与底座通过螺钉固定，电机的输出轴通过花键与曲柄的一端固定连接。曲柄的另一端通过销轴与摇杆的一端连接。雷达支架置于底座上方，雷达支架的一端与底座销轴连接，雷达支架的另一端与摇杆的另一端销轴连接。二维激光雷达位于雷达支架前部并通过螺钉固定连接。车速检测传感器固定在车轮外侧，角度检测传感器固定在底座轴销处，车辆控制单片机置于车体内。车速检测传感器的电路输出端与车辆控制单片机的电路输入端连接，角度检测传感器的电路输出端与车辆控制单片机的电路输入端连接，车辆控制单片机与电机双向连接。
电机通过曲柄和摇杆驱动雷达支架和二维激光雷达作俯仰运动。角度检测传感器检测二维激光雷达的俯仰扫描角速度 并输出给车辆控制单片机；车速检测传感器检测车辆行驶速度vs并输出给车辆控制单片机；电机接受车辆控制单片机的控制信号驱动输出轴转动并反馈实际电机转速给车辆控制单片机。
电机转速与二维激光雷达的俯仰扫描角速度的映射函数为：
（1）
其中， 为曲柄的长度；为摇杆的长度；为雷达支架长度；为底座长度。因此，为实现二维激光雷达的匀速俯仰扫描，车辆控制单片机输出PID算法控制信号驱动电机按逆函数规律转动：
（2）
其中，为扫描角速度匀速设定值。在二维激光雷达的匀速俯仰扫描过程中，车辆控制单片机通过车速检测传感器实时检测车辆行驶速度vs。设定参考车速为v，其对应的二维激光雷达俯仰扫描参考频率为。当车辆行驶车速vs相对参考车速v变化时，则二维激光雷达俯仰扫描频率变化规律为：
（3）
其中，为扫描频率比例系数。因此，车辆控制单片机输出PID算法控制信号驱动电机按扫描频率变化规律转动，通过提高或降低电机转速实现二维激光雷达的俯仰扫描频率与车速相适应。
本装置可实现二维激光雷达的匀速俯仰扫描，同时俯仰扫描频率与车速相适应，提高了车辆对环境障碍物的感知能力。本装置结构简单、体积较小，适应于在无人车等空间有限的应用场合。
附图说明
图1 一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置的主视图；
图2 一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置的俯视图；
图3 一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置的立体图；
图4 一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置的电路示意图。
1.二维激光雷达 2.雷达支架 3.摇杆 4.曲柄 5.电机 6.车辆控制单片机 7.车速检测传感器 8.底座 9.角度检测传感器 10.车体。
具体实施方式
一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置，包括：电机5、曲柄4和摇杆3，还包括：二维激光雷达1、雷达支架2、底座8、车辆控制单片机6、角度检测传感器9、车速检测传感器7和车体10。
车体10位于车速自适应的二维激光雷达1匀速俯仰扫描装置的底部。底座8置于车体10上方并与车体10通过螺钉固定。电机5置于底座8上方并与底座8通过螺钉固定，电机5的输出轴通过花键与曲柄4的一端固定连接。曲柄4的另一端通过销轴与摇杆3的一端连接。雷达支架2置于底座8上方，雷达支架2的一端与底座8销轴连接，雷达支架2的另一端与摇杆3的另一端销轴连接。二维激光雷达1位于雷达支架2前部并通过螺钉固定连接。车速检测传感器7固定在车轮外侧，角度检测传感器9固定在底座8
图4 一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置的电路示意图。
1.二维激光雷达 2.雷达支架 3.摇杆 4.曲柄 5.电机 6.车辆控制单片机 7.车速检测传感器 8.底座 9.角度检测传感器 10.车体。
具体实施方式
一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置，包括：电机5、曲柄4和摇杆3，还包括：二维激光雷达1、雷达支架2、底座8、车辆控制单片机6、角度检测传感器9、车速检测传感器7和车体10。
车体10位于车速自适应的二维激光雷达1匀速俯仰扫描装置的底部。底座8置于车体10上方并与车体10通过螺钉固定。电机5置于底座8上方并与底座8通过螺钉固定，电机5的输出轴通过花键与曲柄4的一端固定连接。曲柄4的另一端通过销轴与摇杆3的一端连接。雷达支架2置于底座8上方，雷达支架2的一端与底座8销轴连接，雷达支架2的另一端与摇杆3的另一端销轴连接。二维激光雷达1位于雷达支架2前部并通过螺钉固定连接。车速检测传感器7固定在车轮外侧，角度检测传感器9固定在底座8为雷达支架2长度；为底座8长度。因此，为实现二维激光雷达1的匀速俯仰扫描，车辆控制单片机6输出PID算法控制信号驱动电机5按逆函数规律转动：
（2）
其中，为扫描角速度匀速设定值。在二维激光雷达1的匀速俯仰扫描过程中，车辆控制单片机6通过车速检测传感器7实时检测车辆行驶速度vs。设定参考车速为v，其对应的二维激光雷达1俯仰扫描参考频率为。当车辆行驶车速vs相对参考车速v变化时，则二维激光雷达1俯仰扫描频率变化规律为：
（3）
其中，为扫描频率比例系数。因此，车辆控制单片机6输出PID算法控制信号驱动电机5按扫描频率变化规律转动，通过提高或降低电机5转速实现二维激光雷达1的俯仰扫描频率与车速相适应。

Claims (1)

1.一种车速自适应的二维激光雷达匀速俯仰扫描装置，包括：电机(5)、曲柄(4)和摇杆(3)，其特征在于还包括：二维激光雷达(1)、雷达支架(2)、底座(8)、车辆控制单片机(6)、角度检测传感器(9)、车速检测传感器(7)和车体(10)；
车体(10)位于车速自适应的二维激光雷达(1)匀速俯仰扫描装置的底部；底座(8)置于车体(10)上方并与车体(10)通过螺钉固定；电机(5)置于底座(8)上方并与底座(8)通过螺钉固定，电机(5)的输出轴通过花键与曲柄(4)的一端固定连接；曲柄(4)的另一端通过销轴与摇杆(3)的一端连接；雷达支架(2)置于底座(8)上方，雷达支架(2)的一端与底座(8)销轴连接，雷达支架(2)的另一端与摇杆(3)的另一端销轴连接；二维激光雷达(1)位于雷达支架(2)前部并通过螺钉固定连接；车速检测传感器(7)固定在车轮外侧，角度检测传感器(9)固定在底座(8)销轴处，车辆控制单片机(6)置于车体(10)内；车速检测传感器(7)的电路输出端与车辆控制单片机(6)的电路输入端连接，角度检测传感器(9)的电路输出端与车辆控制单片机(6)的电路输入端连接，车辆控制单片机(6)与电机(5)双向连接；
电机(5)通过曲柄(4)和摇杆(3)驱动雷达支架(2)和二维激光雷达(1)作俯仰运动；角度检测传感器(9)检测二维激光雷达(1)的俯仰扫描角速度并输出给车辆控制单片机(6)；车速检测传感器(7)检测车辆行驶速度vs并输出给车辆控制单片机(6)；电机(5)接收车辆控制单片机(6)的控制信号驱动输出轴转动并反馈实际电机(5)转速ω给车辆控制单片机(6)；
电机(5)转速ω与二维激光雷达(1)的俯仰扫描角速度的映射函数为：
其中，l1为曲柄(4)的长度；l2为摇杆(3)的长度；l3为雷达支架(2)长度；l4为底座(8)长度；因此，为实现二维激光雷达(1)的匀速俯仰扫描，车辆控制单片机(6)输出PID算法控制信号驱动电机(5)按逆函数规律转动：
其中，C为扫描角速度匀速设定值；在二维激光雷达(1)的匀速俯仰扫描过程中，车辆控制单片机(6)通过车速检测传感器(7)实时检测车辆行驶速度vs；设定参考车速为v，其对应的二维激光雷达(1)俯仰扫描参考频率为ε；当车辆行驶车速vs相对参考车速v变化时，则二维激光雷达(1)俯仰扫描频率变化规律为：
f(ε)＝(k+1)ε (3)
其中，为扫描频率比例系数；因此，车辆控制单片机(6)输出PID算法控制信号驱动电机(5)按扫描频率变化规律f(ε)转动，通过提高或降低电机(5)转速ω实现二维激光雷达(1)的俯仰扫描频率与车速相适应。
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