CN106125066B - 激光雷达的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种激光雷达的控制系统及控制方法，该控制系统包括激光雷达、相机、计算机以及驱动机构，驱动机构用于驱动激光雷达进行运动；相机设置在激光雷达上，相机的光轴和激光雷达的接收光学系统的光轴平行；计算机与相机和驱动机构连接，用于接收并显示相机拍摄的图像，以及对驱动机构进行驱动控制。本实施例的激光雷达的控制系统及控制方法，通过将相机拍摄的图像在远程的计算机系统上进行显示，操作人员可以方便的通过拍摄图像进行目标对象的定位，并通过计算机来控制驱动机构来驱动激光雷达进行运动，在整个运动的过程中，可以实时通过相机拍摄的图像进行监测和调整，从而实现精准定位。

Description

激光雷达的控制系统及控制方法

技术领域

本发明实施例涉及一种控制系统及控制方法，尤其涉及一种激光雷达的控制系统及控制方法。

背景技术

现有技术的激光雷达在进行检测时经常要进行方向角度的变换。举例来说，用于测量气溶胶颗粒的米散射偏振微脉冲激光雷达，这种激光雷达通过向大气中发射激光并接受返回信号来检测大气中气溶胶颗粒的状态，从而得出雾霾等环境指标。在对环境进行检测时，经常需要通过一定区域的环境进行扫描的方式来进行大气检测，或者需要定期进行方向角度的变换，以对不同方向的大气进行检测，从而获得污染源分布情况。

发明人的实现本发明的过程中，发现现有技术存在如下缺陷：

现有技术的激光雷达在进行方向角度变换时，通过手动的方式来进行方向角度的调整，例如，操作人员在激光雷达的附近，通过肉眼直接对目标对象所在方向进行大致判断，然后通过控制激光雷达的底座的转动来控制激光雷达的方向和角度来大致定位。由于人所处的位置与激光雷达的实际发射的激光束存在很大的差异，并且在激光雷达附近直接通过肉眼对目标对象进行判断也会存在很大的误差，并且也存在极大的操作不便。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种激光雷达的控制系统及控制方法，以使激光雷达在检测方向的调整过程中，能够对目标对象进行精准定位，并且提高操作的便利性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种激光雷达的控制系统，包括激光雷达、相机、计算机以及驱动机构，

所述驱动机构用于驱动所述激光雷达进行运动；

所述相机设置在所述激光雷达上，所述相机的光轴和所述激光雷达的接收光学系统的光轴平行；

所述计算机与所述相机和所述驱动机构连接，用于接收并显示所述相机拍摄的图像，以及对所述驱动机构进行驱动控制。

本发明实施例还提供了一种激光雷达的控制方法，该控制方法基于包括激光雷达、相机、计算机以及驱动机构的控制系统，其中，所述相机设置在所述激光雷达上，所述相机、驱动机构均与所述计算机连接，所述相机的光轴和所述激光雷达的接收光学系统的光轴平行，

所述控制方法包括：

所述相机拍摄图像并发送给所述计算机；

所述计算机接收所述相机拍摄的图像并显示；

所述计算机获取所述图像上的确定的扫描范围端点的像素坐标；

所述计算机根据所述相机的光学参数，将所述像素坐标转换为所述激光雷达的扫描角度信息；

所述计算机根据所述扫描角度信息，控制所述驱动机构驱动所述激光雷达进行扫描运动。

本发明实施例的激光雷达的控制系统及控制方法，通过将相机拍摄的图像在远程的计算机系统上进行显示，操作人员可以方便的通过拍摄图像进行目标对象的定位，并通过计算机来控制驱动机构来驱动激光雷达进行运动，在整个运动的过程中，可以实时通过相机拍摄的图像进行监测和调整，从而实现精准定位。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例一的激光雷达的控制系统的结构示意图。

图2为本发明实施例二的相机的成像传感器的坐标平面示意图。

图3为本发明实施例三的激光雷达的控制方法的流程示意图。

附图标号说明：

激光雷达-1、相机-2、计算机-3、驱动机构-4。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

如图1所示，其为本实施例涉及的激光雷达的控制系统的结构示意图，其包括激光雷达1、相机2、计算机3以及驱动机构4。其中，这里的激光雷达可以是用于测量气溶胶颗粒的米散射偏振微脉冲激光雷达。

驱动机构4用于驱动激光雷达1进行运动。这里所说的驱动机构可以是用于承载激光雷达的可转动的底座以及直接固定激光雷达的可以使激光雷达进行俯仰运动的支架等机构(支架上可以与激光雷达通过转轴连接)，底座以及支架等可以设置有步进电机以驱动底座转动或者通过支架上的机构驱动激光雷达转动。

相机2设置在激光雷达1上，相机2的光轴和激光雷达1的接收光学系统的光轴平行(图1中的点划线代表相机和激光雷达的光轴)。相机具体可以采用CCD相机。通过使相机的光轴与激光雷达的接收光学系统的光轴平行，使得相机的拍摄图像与激光雷达的实际检测方向一致，另外，由于相机直接设置于激光雷达之上，与激光雷达的接收光学系统距离很近，对于测量较远区域的目标对象而言，可以大致认为相机的光轴与激光雷达的接收光学系统的光轴接近重合，因此，可以利用相机拍摄的图像来实现精准的定位，即可以将相机作为一个瞄准机构来使用。

计算机3与相机2和驱动机构4连接，用于接收并显示相机拍摄的图像，以及对驱动机构进行驱动控制。本实施例中的计算机本身包括显示设备，显示设备可以实时显示相机拍摄的图像，操作人员可以通过观察显示设备上的图像(必要时可以对图像进行放大缩小以便于观察)，在远处远程控制激光雷达的运动，从而将激光雷达对准目标对象。

需要说明的是，该计算机3也可以与激光雷达1连接(图1中用虚线表示该连接关系)，来接收并处理激光雷达的显示数据，当然计算机3也可以不与激光雷达1连接，针对激光雷达1的数据处理可以由其他计算机完成。

本实施例的激光雷达的控制系统，通过将相机拍摄的图像在远程的计算机系统上进行显示，操作人员可以方便的通过拍摄图像进行目标对象的定位，并通过计算机来控制驱动机构来驱动激光雷达进行运动，在整个运动的过程中，可以实时通过相机拍摄的图像进行监测和调整，从而实现精准定位。

实施例二

在本实施例中，着重针对激光雷达的扫描运动方式的控制来进行详细说明。许多激光雷达需要对目标对象以扫描的方式进行检测，例如，使用米散射偏振微脉冲激光雷达对指定区域的大气进行扫描监测，以确定该环境区域的污染物分布情况。

基于这样的需求，在上述的计算机中，可以设置有扫描定位控制模块，其用于基于相机拍摄的图像对激光雷达的扫描范围进行定位，并根据定位信息控制驱动机构驱动激光雷达进行扫描运动。

具体地，扫描定位控制模块的具体操作可以包括如下操作：

a、获取图像上的确定的扫描范围端点的像素坐标。这里所说的确定的扫描范围端点即为相机拍摄的图像上的点，该点的确定可以通过人为选择的方式，例如，操作人员通过观察图像，然后通过鼠标在图像上确定扫描范围端点。

b、根据相机的光学参数，将像素坐标转换为激光雷达的扫描角度信息。在本步骤的操作中，主要是将图像上的扫描范围端点的像素坐标转换为激光雷达需要的扫描角度信息，扫描角度主要是指在水平方向上的转动运动和在垂直方向上的俯仰运动的角度。

其中，相机的光学参数可以包括实时焦距为fd、基础焦距为f₀(相机镜头变倍为1时的焦距)、光学放大倍率为M(这里是指在进行像素坐标转换为激光雷达的扫描角度信息时相机所采用的光学放大倍率)，其中，相机的实时焦距fd＝M×f₀。相机的成像传感器的尺寸为H×W，其中，H为成像传感器的高度，W为成像传感器的宽度，单位可以为毫米，成像传感器的分辨率为像素分辨率为N_H×N_w，其中，N_H为垂直像素个数，N_w为水平像素个数，设像素坐标为(P_x，P_y)，其中，P_x和P_y的单位为像素的个数。

相对应地，扫描角度信息可以包括水平扫描角度范围端点和/或俯仰扫描角度范围端点激光雷达的当前水平方位角为当前垂直方位角为

基于相机的光学参数将像素坐标转换为实际方位角的具体原理如下，如图2所示，其为相机的成像传感器(以CCD传感器为例)的平面示意图，如图所示，中心点用O表示，图中P点标识上述确定的扫描范围端点，其坐标为(P_x，P_y)。

以O点作为原始的方位角，该P点相对于O点的水平方位角为：

该P点相对于O点的垂直方位角为：

其中，57.296＝180/3.14，其为弧度转换角度系数。

基于上述参数和变换原理，上述的b部分的操作可以通过如下公式来进行计算：

通过如下公式确定水平扫描角度范围端点

通过如下公式确定俯仰扫描角度范围端点

其中，需要说明的是，上述涉及的各种角度，在水平方向和垂直方向分别使用各自统一的角度坐标基准。例如，在实际使用中，水平方向的转动通过可旋转底座来驱动激光雷达转动，可以以其中某一个角度作为基准的0度，在规定好正负方向后，其他位置均以该0度位置为基准。同理，垂直方向的俯仰角度也可以以激光雷达处于水平状态时作为0度，在规定好正负方向后，其他位置均以该0度位置为基准。

在实际的驱动控制中，垂直方向的俯仰运动和水平方向的水平转动运动的驱动机构可以采用步进电机，通过计算机向步进电机发送指令来控制步进电机的运动，因此，计算机能够实时记录该激光雷达当前在水平方向和垂直方向所处的角度位置，即上述的当前水平方位角为当前垂直方位角为这个角度就是图2中的O点所对应的方位角度(即前面提到的原始的方位角)。之后，当扫描范围端点被确定后，可以根据上述公式(1)和公式(2)计算出图2中的P点对应的方位角相对于O点对应的方位角的角度差异，即水平方向上角度差异为θ_w，垂直方向上的角度差异为θ_h，该当前方位角可以作为扫描运动的起点，然后，在获取计算机记录的当前的方位角度后，根据公式(3)和公式(4)，最终计算出水平扫描角度范围端点和俯仰扫描角度范围端点该扫描角度范围端点可以作为扫描运动的终点。其中，和可以根据上述预先规定的正负方向来确定。

c、根据扫描角度信息，控制驱动机构驱动激光雷达进行扫描运动。在上面的操作b中，计算出最终的水平扫描角度范围端点和俯仰扫描角度范围端点后，计算机就可以控制驱动机构驱动激光雷达进行运动，例如可以最终转换为针对步进电机的控制质指令来进行驱动控制。

具体地，可以以当前水平方位角为或者当前垂直方位角为扫描起始方位角，以水平扫描角度范围端点或者俯仰扫描角度范围端点为扫描终止方位角，操作c可以进一步包括：

c1、获取扫描角度分辨率，其中，其中，该角度分辨率可以是预先设定好的，也可以是根据当前情况用户自行设定的。该角度分辨率具体可以是激光雷达进行扫描检测时，采集数据角度间隔，例如，每隔1度采集一次数据，相应地，在对激光雷达进行扫描运动的控制时，也可以以此为单位控制步进电机每转动1度就停顿预定时间然后再进行转动等操作。

c2、根据扫描角度分辨率、扫描起始方位角以及扫描终止方位角在扫描范围内进行线性插值，获得每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角。插值的目的是确定最终的扫描点的角度，以便对激光雷达的扫描运动进行控制。

c3、根据每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角，驱动激光雷达进行水平转动或者俯仰运动。

此外，需要指出的是，上面说明了水平方向和垂直方向的角度计算和驱动控制，不过本领域技术人员应当理解，上述的扫描运动可以只在水平方向或者只在垂直方向，相应地，上述扫描角度计算也可以只计算水平方向的方位角或者垂直方向的方位角。

在本实施例中，通过获取图像上的确定的扫描范围端点的像素坐标，并基于该像素坐标进行激光雷达的扫描驱动控制，能够更加精准地进行激光雷达的扫描定位，实现提高激光雷达的扫描控制的便捷性，并且还可以充分利用计算机的图像处理技术，对拍摄的图像进行进一步地识别，从而能够更加合理地确定扫描范围端点。

实施例三

本实施例涉及的激光雷达的控制方法，该控制方法基于实施例一的控制系统，其具体包括激光雷达、相机、计算机以及驱动机构的控制系统，其中，相机设置在激光雷达上，相机、驱动机构均与计算机连接，相机的光轴和激光雷达的接收光学系统的光轴平行，如图3所示，本实施例的控制方法包括：

步骤101：相机拍摄图像并发送给计算机。

步骤102：计算机接收相机拍摄的图像并显示。

步骤103：计算机获取图像上的确定的扫描范围端点的像素坐标。这里所说的确定的扫描范围端点即为相机拍摄的图像上的点，该点的确定可以通过人为选择的方式，例如，操作人员通过观察图像，然后通过鼠标在图像上确定扫描范围端点。

步骤104：计算机根据相机的光学参数，将像素坐标转换为激光雷达的扫描角度信息。

在步骤的操作中，主要是将图像上的扫描范围端点的像素坐标转换为激光雷达需要的扫描角度信息，扫描角度主要是在水平方向上的转动运动和在垂直方向上的俯仰运动。

其中，相机的光学参数可以包括实时焦距为fd、基础焦距为f₀(相机镜头变倍为1时的焦距)、光学放大倍率为M(这里是指在进行像素坐标转换为激光雷达的扫描角度信息时相机所采用的光学放大倍率)，其中，相机的实时焦距fd＝M×f₀。相机的成像传感器的尺寸为H×W，其中，H为成像传感器的高度，W为成像传感器的宽度，单位可以为毫米，成像传感器的分辨率为像素分辨率为N_H×N_w，其中，N_H为垂直像素个数，N_w为水平像素个数，设像素坐标为(P_x，P_y)，其中，P_x和P_y的单位为像素的个数。

相对应地，扫描角度信息可以包括水平扫描角度范围端点和/或俯仰扫描角度范围端点激光雷达的当前水平方位角为当前垂直方位角为

基于相机的光学参数将像素坐标转换为实际方位角的具体原理在实施例二中已经进行了充分说明，在此不再赘述。

基于上述参数和实施例二中所说明的变换原理，在步骤104中，可以通过上述公式(3)和公式(4)计算出扫描角度信息，即计算出水平扫描角度范围端点和/或俯仰扫描角度范围端点

其中，需要说明的是，上述涉及的各种角度，在水平方向和垂直方向分别使用各自统一的角度坐标基准。例如，在实际使用中，水平方向的转动通过可旋转底座来驱动激光雷达转动，可以以其中某一个角度作为基准的0度，在规定好正负方向后，其他位置均以该0度位置为基准。同理，垂直方向的俯仰角度也可以以激光雷达处于水平状态时作为0度，在规定好正负方向后，其他位置均以该0度位置为基准。

在实际的驱动控制中，垂直方向的俯仰运动和水平方向的水平转动运动的驱动机构可以采用步进电机，通过计算机向步进电机发送指令来控制步进电机的运动，因此，计算机能够实时记录该激光雷达当前在水平方向和垂直方向所处的角度位置，即上述的当前水平方位角为当前垂直方位角为这个角度就是图2中的O点所对应的方位角度(即前面提到的原始的方位角)。之后，当扫描范围端点被确定后，可以根据上述公式(1)和公式(2)计算出图2中的P点对应的方位角相对于O点对应的方位角的角度差异，即水平方向上角度差异为θ_w，垂直方向上的角度差异为θ_h，该当前方位角可以作为扫描运动的起点，然后，在获取计算机记录的当前的方位角度后，根据公式(3)和公式(4)，最终计算出水平扫描角度范围端点和俯仰扫描角度范围端点该扫描角度范围端点可以作为扫描运动的终点。其中，和可以根据上述预先规定的正负方向来确定。

步骤105：计算机根据扫描角度信息，控制驱动机构驱动激光雷达进行扫描运动。在上面的步骤104中，计算出最终的水平扫描角度范围端点和俯仰扫描角度范围端点后，计算机就可以控制驱动机构驱动激光雷达进行运动，例如可以最终转换为针对步进电机的控制质指令来进行驱动控制。

具体地，可以以当前水平方位角为或者当前垂直方位角为扫描起始方位角，以水平扫描角度范围端点或者俯仰扫描角度范围端点为扫描终止方位角，该步骤105可以进一步包括：

1051、获取扫描角度分辨率，其中，该角度分辨率可以是预先设定好的，也可以是根据当前情况用户自行设定的。该角度分辨率具体可以是激光雷达进行扫描检测时，采集数据角度间隔，例如，每隔1度采集一次数据，相应地，在对激光雷达进行扫描运动的控制时，也可以以此为单位控制步进电机每转动1度就停顿预定时间然后再进行转动等操作。

1052、根据扫描角度分辨率、扫描起始方位角以及扫描终止方位角在扫描范围内进行线性插值，获得每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角。插值的目的是确定最终的扫描点的角度，以便对激光雷达的扫描运动进行控制。

1053、根据每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角，驱动激光雷达进行水平转动或者俯仰运动。

此外，需要指出的是，上面说明了水平方向和垂直方向的角度计算和驱动控制，不过本领域技术人员应当理解，上述的扫描运动可以只在水平方向或者只在垂直方向，相应地，上述扫描角度计算也可以只计算水平方向的方位角或者垂直方向的方位角。

本实施例的激光雷达的控制方法，通过将相机拍摄的图像在远程的计算机系统上进行显示，操作人员可以方便的通过拍摄图像进行目标对象的定位，并通过计算机来控制驱动机构来驱动激光雷达进行运动，在整个运动的过程中，可以实时通过相机拍摄的图像进行监测和调整，从而实现精准定位。进一步地，在本实施例中，通过获取图像上的确定的扫描范围端点的像素坐标，并基于该像素坐标进行激光雷达的扫描驱动控制，能够更加精准地进行激光雷达的扫描定位，实现提高激光雷达的扫描控制的便捷性，并且还可以充分利用计算机的图像处理技术，对拍摄的图像进行进一步地识别，从而能够更加合理地确定扫描范围端点。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (4)

1.一种激光雷达的控制系统，其特征在于，包括激光雷达、相机、计算机以及驱动机构，

所述驱动机构用于驱动所述激光雷达进行运动；

所述相机设置在所述激光雷达上，所述相机的光轴和所述激光雷达的接收光学系统的光轴平行；

所述计算机与所述相机和所述驱动机构连接，用于接收并显示所述相机拍摄的图像，以及对所述驱动机构进行驱动控制，

在所述计算机中设置有扫描定位控制模块，

所述扫描定位控制模块，用于基于所述相机拍摄的图像对所述激光雷达的扫描范围进行定位，并根据所述定位信息控制所述驱动机构驱动所述激光雷达进行扫描运动，

所述基于所述相机拍摄的图像对所述激光雷达的扫描范围进行定位，并根据所述定位信息控制所述驱动机构驱动所述激光雷达进行扫描运动包括：

获取所述图像上的确定的扫描范围端点的像素坐标；

根据所述相机的光学参数，将所述像素坐标转换为所述激光雷达的扫描角度信息；

根据所述扫描角度信息，控制所述驱动机构驱动所述激光雷达进行扫描运动，

所述相机的镜头的基础焦距为f₀、光学放大倍率为M，所述相机的成像传感器的尺寸为H×W，其中，H为所述成像传感器的高度，所述W为所述成像传感器的宽度，所述成像传感器的分辨率为像素分辨率为N_H×N_w，其中，N_H为垂直像素个数，N_w为水平像素个数，设所述像素坐标为(P_x，P_y)，其中，P_x和P_y的单位为像素的个数，

所述扫描角度信息包括水平扫描角度范围端点和/或俯仰扫描角度范围端点所述激光雷达的当前水平方位角为当前垂直方位角为

所述根据所述相机的光学参数，将所述像素坐标转换为所述激光雷达的扫描角度信息包括：

通过如下公式确定所述水平扫描角度范围端点

和/或

通过如下公式确定所述俯仰扫描角度范围端点

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，以所述当前水平方位角为或者当前垂直方位角为所述扫描起始方位角，以所述水平扫描角度范围端点或者所述俯仰扫描角度范围端点为扫描终止方位角，

所述根据所述扫描角度信息，控制所述驱动机构驱动所述激光雷达进行扫描运动包括：

获取扫描角度分辨率；

根据所述扫描角度分辨率、所述扫描起始方位角以及扫描终止方位角在所述扫描范围内进行线性插值，获得每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角；

根据每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角，驱动所述激光雷达进行水平转动或者俯仰运动。

3.一种激光雷达的控制方法，其特征在于，该控制方法基于包括激光雷达、相机、计算机以及驱动机构的控制系统，其中，所述相机设置在所述激光雷达上，所述相机、驱动机构均与所述计算机连接，所述相机的光轴和所述激光雷达的接收光学系统的光轴平行，

所述控制方法包括：

所述相机拍摄图像并发送给所述计算机；

所述计算机接收所述相机拍摄的图像并显示；

所述计算机获取所述图像上的确定的扫描范围端点的像素坐标；

所述计算机根据所述相机的光学参数，将所述像素坐标转换为所述激光雷达的扫描角度信息；

所述计算机根据所述扫描角度信息，控制所述驱动机构驱动所述激光雷达进行扫描运动，

所述相机的镜头的基础焦距为f₀、光学放大倍率为M，所述相机的成像传感器的尺寸为H×W，其中，H为所述成像传感器的高度，所述W为所述成像传感器的宽度，所述成像传感器的分辨率为像素分辨率为N_H×N_w，其中，N_H为垂直像素个数，N_w为水平像素个数，设所述像素坐标为(P_x，P_y)，其中，P_x和P_y的单位为像素的个数，

所述扫描角度信息包括水平扫描角度范围端点和/或俯仰扫描角度范围端点所述激光雷达的当前水平方位角为当前垂直方位角为

所述根据所述相机的光学参数，将所述像素坐标转换为所述激光雷达的扫描角度信息包括：

通过如下公式确定所述水平扫描角度范围端点

和/或

通过如下公式确定所述俯仰扫描角度范围端点

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，以所述当前水平方位角为或者当前垂直方位角为所述扫描起始方位角，以所述水平扫描角度范围端点或者所述俯仰扫描角度范围端点为扫描终止方位角，

所述根据所述扫描角度信息，控制所述驱动机构驱动所述激光雷达进行扫描运动包括：

获取扫描角度分辨率；

根据所述扫描角度分辨率、所述扫描起始方位角以及扫描终止方位角在所述扫描范围内进行线性插值，获得每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角；

根据每个扫描点对应的水平方位角或者垂直方位角，驱动所述激光雷达进行水平转动或者俯仰运动。