CN105572679A - 一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法及系统 - Google Patents
一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法及系统，该方法通过激光雷达扫描参数和扫描周期内第i线激光束的距离信息；来获取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度；结合传感器获取激光雷达当前速度和当前距离；从而计算出激光雷达第i线激光束的修正值和真实扫描值；本发明通过实时获取运动中的激光雷达姿态，在一个激光雷达扫描周期内对环境数据进行误差计算和补偿，从而达到对二维扫描型激光雷达扫描数据的误差修正，使机器人在与环境相对运动时，提高了环境检测的精度并提升了机器人导航的可靠性；克服了在检测周期内由于时间差上累积出空间位移所造成的误差；对激光雷达在运动状态下出现的数据扫描误差问题有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及传感器检测领域，特别是一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法及系统。
背景技术
二维扫描型激光雷达可准确实时的提供一定范围内(一般为0°～180°)位于单个扫描平面内的距离信息，近年来，二维扫描型激光雷达由于具有体积小、价格合理、精度高等优势而被广泛用于机器人领域，配合其他传感器进行环境检测，并完成任务。
通过集成在激光雷达激光发射器上的可旋转镜片，激光雷达可在正前方测量区域中建立一个二维的扇形测量面(一般是0°～180°)，激光雷达发出的激光束接触到扇形测量面内的目标表面后反射回来，即可以建立被扫描目标表面的二维轮廓图。
从上述扫描型激光雷达的原理可以看出，当激光雷达和环境处于相对静止的时，测量值精度较高。但是当激光雷达或环境处于相对运动状态时，由于激光雷达的激光发射线是依靠负载电机的转动从而覆盖出扇形的扫描区域，那么，在测量范围的上限(如0°)和下限(如180°)是在两个不同时刻的测量值，因此，一个扫描周期下的环境数据并不是同一时刻的数据。假设激光雷达扫描角度是150°，角度分辨率是30°，扫描周期为100ms，速度为1单位/100ms，如图1所示，图1为激光雷达运动状态下误差来源示意图；当第一线激光束发出时，激光雷达处于1#位置，当激光雷达到达6#位置时，一个扫描周期结束。此时，激光雷达记录的数据分别是：{1，2，3，4，5，⑥}，而从图中显然可以看到，当激光雷达处于6#位置的时候，其距离数据应该为：{①，②，③，④，⑤，⑥}，因此，测量数据产生了误差。不难看出，产生误差的来源主要由2个方面影响：环境(如墙体)相对激光雷达的角度和激光雷达相对环境(如墙体)的速度。
如果将二维扫描型激光雷达安放在对速度相对较快，且对环境检测实时性要求较高时，往往需要修正激光雷达的环境数据。目前，针对如何解决运动状态下二维扫描型激光雷达的扫描数据误差问题，国内外还没有相关文献及研究。随着该类型激光雷达的快速普及，对运动状态下出现的误差的修正有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是提供一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法；该方法针对二维扫描型激光雷达处于运动情况下，其扫描数据修正的方法。适用于二维扫描型激光雷达环境检测方面。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的：
本发明提供的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，包括以下步骤：
S1：获取激光雷达扫描参数，所示扫描参数包括扫描周期、角度分辨率、扫描范围、线数；
S2：获取扫描周期内第i线激光束的距离信息；
S3：根据第i线激光束的距离信息和上一周期的该线激光束的距离获取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度；
S4：通过传感器获取激光雷达当前速度；
S5：根据当前速度获取第i线激光束到扫描环境的当前距离；
S6：根据激光雷达第i线激光束的当前距离和激光雷达的当前速度得到第i线激光束的修正值；
S7：获取第i线激光束在t时刻的扫描距离；
S8：利用第i线激光束的修正值和扫描距离得到第i线激光束在t时刻扫描的真实扫描值；
S9：重复循环步骤S2-S8得到激光雷达所有线激光束的真实扫描值。
进一步，所述第i线激光束相对于扫描环境的当前角度，具体通过以下步骤来实现：
获取上一周期第i线激光束的扫描距离；
获取当前周期第i线激光束的扫描距离；
根据以下公式计算第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
式中，
θi表示第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
S(t-T)表示上一周期第i线激光束的扫描距离；
St表示当前周期第i线激光束的扫描距离；
v表示激光雷达当前速度；
T表示扫描周期；
i表示第i线激光束；
表示扫描范围；
γ表示角度分辨率。
进一步，所述第i线激光束的修正值按照以下公式来实现：
式中，
ΔSt(i)表示第i线激光束的修正值；
t表示第i线激光束的扫描时间。
进一步，所述第i线激光束的真实扫描值按照以下公式来实现：
Sreal(i)＝St(i)-ΔSt(i)；
式中，Sreal(i)表示真实扫描值。
本发明提供的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，包括激光雷达、速度采集单元、修正值生成单元和真实扫描值生成单元；
所述激光雷达用于获取扫描环境的扫描数据并将扫描数据发送到修正值生成单元和真实扫描值生成单元；所述速度采集单元用于获取激光雷达的运动速度并将运动速度发送到修正值生成单元；所述修正值生成单元根据接收的扫描数据和运动速度生成激光雷达的修正值并将修正值发送到真实扫描值生成单元；所述真实扫描值生成单元根据修正值和扫描数据生成真实扫描值。
进一步，还包括与修正值生成单元连接的激光雷达参数预置单元，所述激光雷达参数预置单元用于存储激光雷达扫描参数，所示扫描参数包括扫描周期、角度分辨率、扫描范围和线数。
进一步，所述修正值生成单元按照以下步骤生成修正值：
S61：获取扫描周期内第i线激光束的距离信息；
S62：根据第i线激光束的距离信息获取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度；
S63：通过传感器获取激光雷达当前速度；
S64：根据当前速度获取第i线激光束到扫描环境的当前距离；
S65：根据激光雷达第i线激光束的当前距离和激光雷达的当前速度得到第i线激光束的修正值。
进一步，所述真实扫描值生成单元按照以下步骤生成真实扫描值值：
S81：获取第i线激光束在t时刻的扫描距离；
S82：利用第i线激光束的修正值和扫描距离得到第i线激光束在t时刻扫描的真实扫描值。
进一步，所述第i线激光束相对于扫描环境的当前角度，具体通过以下步骤来实现：
获取上一周期第i线激光束的扫描距离；
获取当前周期第i线激光束的扫描距离；
根据以下公式计算第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
式中，
θi表示第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
S(t-T)表示上一周期第i线激光束的扫描距离；
St表示当前周期第i线激光束的扫描距离；
v表示激光雷达当前速度；
T表示扫描周期；
i表示第i线激光束；
表示扫描范围；
γ表示角度分辨率。
进一步，所述第i线激光束的修正值按照以下公式来实现：
式中，
ΔSt(i)表示第i线激光束的修正值；
t表示第i线激光束的扫描时间；
所述第i线激光束的真实扫描值按照以下公式来实现：
Sreal(i)＝St(i))-ΔSt(i)；
式中，Sreal(i)表示真实扫描值。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明提供的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，通过实时获取运动中的激光雷达姿态，在一个激光雷达扫描周期内对环境数据进行误差计算和补偿，从而达到对二维扫描型激光雷达扫描数据的误差修正，使机器人在与环境相对运动时，提高了环境检测的精度并提升了机器人导航的可靠性；克服了在检测周期内由于扫描时间差上累积出空间位移所造成的误差；对激光雷达在运动状态下出现的数据扫描误差问题有着重要的意义。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为激光雷达运动状态下误差来源示意图。
图2为本实施例提供的二维激光雷达参数示意图。
图3为本实施例提供的第i线激光束在t时刻和(t-T)时刻扫描数据示意图。
图4为本实施例提供的当前周期第i线激光雷达扫描数据修正示意图。
图5为本实施例提供的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统原理框图。
图6为本实施例提供的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图6所示，本实施例提供的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，包括以下步骤：
S1：获取激光雷达扫描参数，所示扫描参数包括扫描周期、角度分辨率、扫描范围、线数；
S2：获取扫描周期内第i线激光束的距离信息；
S3：根据第i线激光束的距离信息和上一周期的该线激光束的距离获取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度；
S4：通过传感器获取激光雷达当前速度；
S5：根据当前速度获取第i线激光束到扫描环境的当前距离；
S6：根据激光雷达第i线激光束的当前距离和激光雷达的当前速度得到第i线激光束的修正值；
S7：获取第i线激光束在t时刻的扫描距离；
S8：利用第i线激光束的修正值和扫描距离得到第i线激光束在t时刻扫描的真实扫描值；
S9：重复循环步骤S2-S8得到激光雷达所有线激光束的真实扫描值。
所述取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度，具体通过以下步骤来实现：
获取上一周期第i线激光束的扫描距离；
获取当前周期第i线激光束的扫描距离；
根据以下公式计算第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
式中，
θi表示第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
S(t-T)表示上一周期第i线激光束的扫描距离；
St表示当前周期第i线激光束的扫描距离；
v表示激光雷达当前速度；
T表示扫描周期；
i表示第i线激光束；
表示扫描范围；
γ表示角度分辨率。
所述第i线激光束的修正值按照以下公式来实现：
式中，
ΔSt(i)表示第i线激光束的修正值；
t表示第i线激光束的扫描时间。
所述第i线激光束的真实扫描值按照以下公式来实现：
Sreal(i)＝St(i)-ΔSt(i)；
式中，Sreal(i)表示真实扫描值。
如图5所示，本实施例还提供了一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，包括激光雷达、速度采集单元、修正值生成单元和真实扫描值生成单元；
所述激光雷达用于获取扫描环境的扫描数据并将扫描数据发送到修正值生成单元和真实扫描值生成单元；所述速度采集单元用于获取激光雷达的运动速度并将运动速度发送到修正值生成单元；所述修正值生成单元根据接收的扫描数据和运动速度生成激光雷达的修正值并将修正值发送到真实扫描值生成单元；所述真实扫描值生成单元根据修正值和扫描数据生成真实扫描值。
还包括与修正值生成单元连接的激光雷达参数预置单元，所述激光雷达参数预置单元用于存储激光雷达扫描参数，所示扫描参数包括扫描周期、角度分辨率、扫描范围和线数。
所述修正值生成单元按照以下步骤生成修正值：
S61：获取扫描周期内第i线激光束的距离信息；
S62：根据第i线激光束的距离信息获取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度；
S63：通过传感器获取激光雷达当前速度；
S64：根据当前速度获取第i线激光束到扫描环境的当前距离；
S65：根据激光雷达第i线激光束的当前距离和激光雷达的当前速度得到第i线激光束的修正值。
所述真实扫描值生成单元按照以下步骤生成真实扫描值值：
S81：获取第i线激光束在t时刻的扫描距离；
S82：利用第i线激光束的修正值和扫描距离得到第i线激光束在t时刻扫描的真实扫描值。
所述取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度，具体通过以下步骤来实现：
获取上一周期第i线激光束的扫描距离；
获取当前周期第i线激光束的扫描距离；
根据以下公式计算第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
式中，
θi表示第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
S(t-T)表示上一周期第i线激光束的扫描距离；
St表示当前周期第i线激光束的扫描距离；
v表示激光雷达当前速度；
T表示扫描周期；
i表示第i线激光束；
表示扫描范围；
γ表示角度分辨率。
所述第i线激光束的修正值按照以下公式来实现：
式中，
ΔSt(i)表示第i线激光束的修正值；
t表示第i线激光束的扫描时间；
所述第i线激光束的真实扫描值按照以下公式来实现：
Sreal(i)＝St(i)-ΔSt(i)；
式中，Sreal(i)表示真实扫描值。
实施例2
二维扫描型激光雷达产生误差主要是由于其扫描原理决定的：电机带动旋转镜面发出激光束，一个检测周期内，检测开始时刻和检测结束时刻存在时间差，如果激光雷达处于运动状态，那么在此时间差上就会累积出空间位移，从而造成误差；针对此问题，本实施例提供的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，通过实时获取运动中的激光雷达姿态，在一个激光雷达扫描周期内对环境数据进行误差计算和补偿，从而达到对二维扫描型激光雷达扫描数据的误差修正，使机器人在与环境相对运动时，提高了环境检测的精度并提升了机器人的可靠性。
本实施例包含两大部分：在激光雷达的扫描区域内利用多帧激光雷达数据描述环境的姿态特征和对一个激光雷达扫描周期的扫描数据进行误差计算及补偿。完成这两个部分，可以通过以下技术方案实现：检测环境特征和计算误差并补偿；
检测环境特征：针对每一线激光束数据进行修正，如某激光雷达一共有1024线环境数据，那么就需要对前1023线的数据进行修正，第1024线一般认为是准确数据如上图描述。而每一线激光束的扫描数据都需要通过当前周期和上一个周期的扫描数据推算出环境(如墙体)在此激光束扫描下的角度信息。从而对当前周期第i线扫描数据进行修正。
一般，二维扫描型激光雷达重要的参数有：扫描周期(T)、角度分辨率(γ)、扫描范围()、线数(N)。如图2所示；
图2为二维激光雷达参数示意图
内部的相关关系为：
通过这些参数，利用至少2个扫描周期的某一线激光束的距离信息，就可以计算出该线激光束所扫描环境相对于激光雷达的角度。如图3所示；
图3为第i线激光束在t时刻和(t-T)时刻扫描数据示意图；
激光雷达处于运动状态，在(t-T)时刻激光雷达经过B点，此时第i线激光束测量左前方的墙体距离为S(t-T)，当经过一个扫描周期后，在t时刻经过A点，此时，激光雷达的第i线激光束测量的距离是St，由于激光雷达具有速度因此，St和S(t-T)不相等。根据几何知识得出环境(如墙体)的角度θi，公式推导如下：
因此：
而得到：
上式即反映了第i线激光束所扫描处环境的角度信息。
计算误差并补偿；如图3所示，假设在0时刻激光雷达发出第1线激光束，在t时刻发出第2个周期的第i线激光束，在2T时刻，激光雷达的第二个扫描周期结束，此时可以通过第一个周期的第i线的扫描数据和第二个周期第i线原始的扫描数据进行修正该线数据。如图4所示；
图4为当前周期第i线激光雷达扫描数据修正示意图；
在t时刻扫描的扫描值为St(i)，此时激光雷达处于位置C处，当第二个扫描周期结束，激光雷达到达了位置A处。此时根据几何知识，可以得出真实值Sreal(i)。
推导如下：
有上面方程组得到：
代入θi后得：
上式得到第i线的真实值，i的取值范围是1到N。
实施例3
本实施例将详细介绍具体步骤：
步骤一：将陀螺仪或惯导系统与激光雷达进行刚性连接，通过传感器实时监测激光雷达当前的速度从激光雷达获取信息，并将不同线的数据进行存储。
步骤二：计算第i线激光束扫描范围下的环境(如墙体)的角度信息。
(1)读取存储的上一周期第i线激光束的扫描距离设为S(t-T)，读取当前周期第i线激光束的扫描距离，设为St。
(2)通过图2的几何信息，公式推导如下：
因此：
而得到：
由此计算出第i线激光束所扫描处环境的角度θi。
步骤三：修正当前周期第i线激光雷达扫描数据。
根据图3的几何图示，计算当前周期第i线激光雷达扫描数据真实值，公式如下：
有上面方程组得到：
代入θi后得：
步骤四：循环步骤二，直到循环次数为N次。(N为二维扫描型激光雷达线数，常用的N取值为1024)。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：获取激光雷达扫描参数，所示扫描参数包括扫描周期、角度分辨率、扫描范围、线数；
S2：获取扫描周期内第i线激光束的距离信息；
S3：根据第i线激光束的距离信息和上一周期的该线激光束的距离获取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度；
S4：通过传感器获取激光雷达当前速度；
S5：根据当前速度获取第i线激光束到扫描环境的当前距离；
S6：根据激光雷达第i线激光束的当前距离和激光雷达的当前速度得到第i线激光束的修正值；
S7：获取第i线激光束在t时刻的扫描距离；
S8：利用第i线激光束的修正值和扫描距离得到第i线激光束在t时刻扫描的真实扫描值；
S9：重复循环步骤S2-S8得到激光雷达所有线激光束的真实扫描值。
2.如权利要求1所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，其特征在于：所述第i线激光束相对于扫描环境的当前角度，具体通过以下步骤来实现：
获取上一周期第i线激光束的扫描距离；
获取当前周期第i线激光束的扫描距离；
根据以下公式计算第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
式中，
θi表示第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
S(t-T)表示上一周期第i线激光束的扫描距离；
St表示当前周期第i线激光束的扫描距离；
v表示激光雷达当前速度；
T表示扫描周期；
i表示第i线激光束；
表示扫描范围；
γ表示角度分辨率。
3.如权利要求1所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，其特征在于：所述第i线激光束的修正值按照以下公式来实现：
式中，
ΔSt(i)表示第i线激光束的修正值；
t表示第i线激光束的扫描时间。
4.如权利要求1所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正方法，其特征在于：所述第i线激光束的真实扫描值按照以下公式来实现：
Sreal(i)＝St(i)-ΔSt(i)；
式中，Sreal(i)表示真实扫描值。
5.一种二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，其特征在于：包括激光雷达、速度采集单元、修正值生成单元和真实扫描值生成单元；
所述激光雷达用于获取扫描环境的扫描数据并将扫描数据发送到修正值生成单元和真实扫描值生成单元；所述速度采集单元用于获取激光雷达的运动速度并将运动速度发送到修正值生成单元；所述修正值生成单元根据接收的扫描数据和运动速度生成激光雷达的修正值并将修正值发送到真实扫描值生成单元；所述真实扫描值生成单元根据修正值和扫描数据生成真实扫描值。
6.如权利要求5所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，其特征在于：还包括与修正值生成单元连接的激光雷达参数预置单元，所述激光雷达参数预置单元用于存储激光雷达扫描参数，所示扫描参数包括扫描周期、角度分辨率、扫描范围和线数。
7.如权利要求5所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，其特征在于：所述修正值生成单元按照以下步骤生成修正值：
S61：获取扫描周期内第i线激光束的距离信息；
S62：根据第i线激光束的距离信息获取第i线激光束相对于扫描环境的当前角度；
S63：通过传感器获取激光雷达当前速度；
S64：根据当前速度获取第i线激光束到扫描环境的当前距离；
S65：根据激光雷达第i线激光束的当前距离和激光雷达的当前速度得到第i线激光束的修正值。
8.如权利要求5所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，其特征在于：所述真实扫描值生成单元按照以下步骤生成真实扫描值值：
S81：获取第i线激光束在t时刻的扫描距离；
S82：利用第i线激光束的修正值和扫描距离得到第i线激光束在t时刻扫描的真实扫描值。
9.如权利要求5所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，其特征在于：所述第i线激光束相对于扫描环境的当前角度，具体通过以下步骤来实现：
获取上一周期第i线激光束的扫描距离；
获取当前周期第i线激光束的扫描距离；
根据以下公式计算第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
式中，
θi表示第i线激光束所扫描处环境的当前角度：
S(t-T)表示上一周期第i线激光束的扫描距离；
St表示当前周期第i线激光束的扫描距离；
v表示激光雷达当前速度；
T表示扫描周期；
i表示第i线激光束；
表示扫描范围；
γ表示角度分辨率。
10.如权利要求5所述的二维扫描型激光雷达的扫描数据修正系统，其特征在于：所述第i线激光束的修正值按照以下公式来实现：
式中，
ΔSt(i)表示第i线激光束的修正值；
t表示第i线激光束的扫描时间；
所述第i线激光束的真实扫描值按照以下公式来实现：
Sreal(i)＝St(i)-ΔSt(i)；
式中，Sreal(i)表示真实扫描值。
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