CN109239729A - 一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统及方法，能够满足不同速度下无人驾驶设备的高分辨率高精度测距。本发明固态面阵激光雷达的视场角可以根据无人驾驶设备的速度进行调整，能同时满足远近距离高分辨率的探测，在远距离测试的情况下激光雷达成像分辨率保持比较高的状态，测距精度高；在近距离测试的情况下激光雷达视场角调整为大视场角，保持较大的测距范围。本发明是无人驾驶固态面阵激光雷达测距系统适用于不同速度运行的无人驾驶设备。
Description
技术领域
本发明属于无人驾驶测量技术领域，尤其涉及一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统及方法。
背景技术
无人机或无人车等无人驾驶智能设备在运作过程中需要不断对周围环境进行探测，避免与障碍物发生碰撞。
固态面阵激光雷达由于具有成本低、可靠性高、帧频高的优势而广泛应用于无人驾驶设备，其通常采用固定视场角和固态面阵激光发射接收的成像方式进行目标距离的测量，固态面阵激光雷达视场角固定，其成像分辨率也固定。无人驾驶设备以不同速度进行行驶时对测距距离要求不同，在速度快的情况下重点要求激光雷达远距离的探测，在速度慢的情况下重点要求激光雷达近距离大范围的探测，而现有的固态面阵激光雷达由于视场角固定而不能同时满足远近距离高分辨率的探测，具体是近距离高分辨率探测模式的激光雷达在远距离测试的情况下激光雷达成像分辨率较低，导致测距精度变低；远距离高分辨率探测模式的激光雷达在近距离测试的情况下激光雷达视场角较小，导致测距范围较小。可见现有的无人驾驶固态面阵激光雷达测距系统不能适用于不同速度运行的无人驾驶设备。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统及方法，能够满足不同速度下无人驾驶设备的高分辨率高精度测距。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，包括光源驱动模块、激光光源、发射透镜组、接收透镜组、光电处理器和控制模块，其特征在于，还包括测速模块；
所述发射透镜组和接收透镜组为可变焦透镜组；
所述测速模块用于对无人驾驶设备的速度进行测量；
所述控制模块根据测速模块测量到的速度值自适应调节发射透镜组和接收透镜组的视场角以及清晰度；其中速度值越大，相应的视场角越小。
其中，所述发射透镜组和接收透镜组在水平视场角15°-96°范围和垂直视场角11°-69°范围内变化，在速度为0km/h-100km/h的范围中，根据无人驾驶设备不同的速度设定不同的视场角：
当速度v为0km/h＜v≤10km/h时，设定视场角为96°×69°；
当速度为10km/h＜v≤20km/h时，设定视场角为87°×65°；
当速度为20km/h＜v≤30km/h时，设定视场角为78°×58.5°；
当速度为30km/h＜v≤40km/h时，设定视场角为69°×52°；
当速度为40km/h＜v≤50km/h时，设定视场角为60°×45°；
当速度为50km/h＜v≤60km/h时，设定视场角为51°×38°；
当速度为60km/h＜v≤70km/h时，设定视场角为42°×31.5°；
当速度为70km/h＜v≤80km/h时，设定视场角为33°×25°；
当速度为80km/h＜v≤90km/h时，设定视场角为24°×18°；
当速度为90km/h＜v≤100km/h时，设定视场角为15°×11°。
其中，所述激光光源包括2个波长为850nm的激光器，水平发散角大于96度，垂直发散角大于69度。
进一步地，还包括设在接收透镜组后的窄带滤光片，反射或散射的激光经接收透镜组聚焦后，经过窄带滤光片滤光后传输到光电处理器；所述窄带滤光片波长与激光光源发射波长一致；发射透镜组前端以及接收透镜组中的平凸透镜表面均镀有与激光光源发射波长一致的增透膜。
其中，所述调制光为正弦调制光或方波调制光，调制频率为0.75-24MHz。
其中，所述光电处理器为集成CMOS光电处理器，包括光电转换电路、控制电路、模拟信号处理单元以及A/D转换器，实现光电转换、信号放大以及模数转换功能。
其中，所述集成CMOS光电处理器对回波信号进行解调的方法为多相位窗电荷累积积分方法，相位窗数量设置为四或八。
本发明还提供了一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距方法，本发明的测距系统，包括以下步骤：
步骤1，系统初始化；
步骤2，测速模块实时测量无人驾驶设备的行进速度；
步骤3，控制模块每隔固定间隔时间读取测速模块测得的速度数据；控制模块根据读取到的速度值判断是否需要改变视场角，如无需改变，则重复步骤3；如需要改变，则执行步骤4；
步骤4，控制模块根据当前速度发送视场角指令给发射透镜组和接收透镜组，使得系统视场角改变至设定的视场角；
步骤5，计算基于Laplacian清晰度评价函数的值，控制模块根据计算值发送控制信号控制发射透镜组和接收透镜组，使得图像清晰。
其中，所述发射透镜组和接收透镜组中均设有执行模块、变焦马达和对焦马达；控制模块根据当前速度发送视场角指令给发射透镜组和接收透镜组内部的执行模块，执行模块分别控制各自的变焦马达旋，使得系统视场角改变至设定的视场角，于此同时，控制模块根据Laplacian清晰度评价函数的值发送调焦指令给发射透镜组和接收透镜组内部的执行模块，执行模块分别控制各自的对焦马达旋转，使得图像变清晰。
其中，所述步骤5中，基于Laplacian清晰度评价函数的调焦步骤为：
步骤5.1，初始化调节步长为l、步长变化分界点为β、调焦完成分界点为γ，Laplacian清晰度评价函数为F(t)：
其中，x,y为像素点的横纵坐标，t为评价函数自变量，f(x,y)代表图像(x,y)像素点上的像素值；
步骤5.2，设定其中，L为调焦位置任意值；
步骤5.3，以调节步长调节镜头焦距：
如果tanα<tanβ，其中，如果tanα>0，则将调节步长设为2l，进行正向调节，如果tanα<0，则将调节步长设为2l，进行反向调节；
如果tanα>tanβ，其中，如果tanα>0，则将调节步长设为l/2，进行正向调节，如果tanα<0，则将调节步长设为l/2，进行反向调节；
其中，在正向调节的过程中，如果tanα>tanγ，且前一次的tanα>后一次的tanα，则停止调节；在反向调节的过程中，如果|tanα|>tanγ，且前一次的tanα<后一次的tanα，则停止调节。
有益效果：
本发明固态面阵激光雷达的视场角可以根据无人驾驶设备的速度进行调整，能同时满足远近距离高分辨率的探测，在远距离测试的情况下激光雷达成像分辨率保持比较高的状态，测距精度高；在近距离测试的情况下激光雷达视场角调整为大视场角，保持较大的测距范围。本发明是无人驾驶固态面阵激光雷达测距系统适用于不同速度运行的无人驾驶设备。
附图说明
图1为本发明一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统的结构俯视图。
图2为本发明一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统的工作原理示意图。
图3为本发明一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距方法的工作原理流程图。
图4为本发明一种基于Laplacian清晰度评价函数的调焦算法示意图。
图5为本发明4个不同相位窗电荷累积示意图。
图6为本发明8个不同相位窗电荷累积示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
本发明提出了一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，如图1所示，包括光源驱动模块1、激光光源2、发射透镜组3、接收透镜组4、测速模块6、集成CMOS光电处理器7和控制模块8。
其中，所述光源驱动模块1用于驱动激光光源2发射调制激光；激光光源2处于发射端，接收到测量命令后，光源驱动模块1以电压调制方式驱动激光光源2发出850nm的调制光；调制光经发射透镜组3聚焦后发射到空气中，在空气中传播遇到障碍物即被反射和散射，接收透镜组4接收到反射或散射的光信号并且将光信号传输至集成CMOS光电处理器7；集成CMOS光电处理器7将所接收到的光信号进行解调并与发射光进行比相，获取发射光和接收光的相位差，结合光速计算得到激光雷达系统与目标的相对距离。其中测速模块6用于对无人驾驶设备的速度进行测量，控制模块8根据测速模块6测量到的速度值自适应调节发射透镜组3和接收透镜组4的视场角以及清晰度，其中速度值越大，相应的视场角越小，测距工作原理如图2所示。
所述发射透镜组3和接收透镜组4可以在水平视场角15°-96°范围和垂直视场角11°-69°范围内变化。在速度为0km/h-100km/h的范围中，根据不同的速度设定不同的视场角，不同速度下视场角的设定主要是根据感兴趣距离来设定。如在速度为10km/h时，对距离为100m的物体感兴趣，则设置相应的视场角，保证车、人在视场内有合适的大小(既不过大也不过小)，由此得到合理的视场角。本实施例中：
当速度v为0km/h＜v≤10km/h时，设定视场角为96°×69°；
当速度为10km/h＜v≤20km/h时，设定视场角为87°×65°；
当速度为20km/h＜v≤30km/h时，设定视场角为78°×58.5°；
当速度为30km/h＜v≤40km/h时，设定视场角为69°×52°；
当速度为40km/h＜v≤50km/h时，设定视场角为60°×45°；
当速度为50km/h＜v≤60km/h时，设定视场角为51°×38°；
当速度为60km/h＜v≤70km/h时，设定视场角为42°×31.5°；
当速度为70km/h＜v≤80km/h时，设定视场角为33°×25°；
当速度为80km/h＜v≤90km/h时，设定视场角为24°×18°；
当速度为90km/h＜v≤100km/h时，设定视场角为15°×11°。
为了增加发光强度和发光均匀性，本实施例的激光光源2包括2个可发出波长为850nm的激光器，水平发散角大于96度，垂直发散角大于69度，850nm激光器在光源驱动模块1的驱动下，发射调制光。为了增加850nm激光的透过率，反射或散射的激光经接收透镜组4聚焦和850nm窄带滤光片5滤光后传输到集成CMOS光电处理器6，发射透镜组3前端以及接收透镜组4中的平凸透镜表面均镀有850nm的增透膜。
本发明中集成CMOS光电处理器，由光电转换电路、控制电路、模拟信号处理单元以及A/D转换器等组成，实现光电转换、信号放大以及模数转换等功能。经障碍物反射回来的激光信号聚焦在集成CMOS光电处理器上，使光信号转换成电信号，每个像元对应的电信号经过对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出，同时为了提高系统稳定性，采用相应的控制电路实现积分时间控制以及自动增益控制。集成CMOS光电处理器对回波信号进行解调的方法为多相位窗电荷累积积分方法，相位窗数量可设置为四或八，图5为本发明4个不同相位窗电荷累积示意图，图6为本发明8个不同相位窗电荷累积示意图。
为了便于后续数据处理，所述调制光为850nm正弦调制光或方波调制光，调制频率为0.75-24MHz。
经过实验验证，本发明系统在0.2-100m内可实现15°×11°-96°×69°视场、分辨率320×240、精度小于1％的距离测量。
实施例二
基于上述实施例一，本申请实施例提供了一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距方法。参见图3，包括以下步骤：
步骤1，系统初始化；
步骤2，测速模块6实时测量无人驾驶设备的行进速度；
步骤3，控制模块8每隔固定间隔时间读取测速模块6测得的速度数据；控制模块8根据读取到的速度值判断是否需要改变视场角，如无需改变，则重复步骤3；如需要改变，则执行步骤4；
步骤4，控制模块8根据当前速度发送视场角指令给发射透镜组3和接收透镜组4，使得系统视场角改变至设定的视场角；
步骤5，计算基于Laplacian清晰度评价函数的值，控制模块8根据计算值发送控制信号控制发射透镜组3和接收透镜组4，使得图像清晰。
具体底，所述发射透镜组3和接收透镜组4中均设有执行模块、变焦马达和对焦马达；控制模块8根据当前速度发送视场角指令给发射透镜组3和接收透镜组4内部的执行模块，执行模块分别控制各自的变焦马达旋，使得系统视场角改变至设定的视场角，于此同时，控制模块8根据Laplacian清晰度评价函数的值发送调焦指令给发射透镜组3和接收透镜组4内部的执行模块，执行模块分别控制各自的对焦马达旋转，使得图像变清晰。
其中，基于Laplacian清晰度评价函数的调焦算法示意图如图4所示，调焦步骤为：
步骤5.1，初始化调节步长为l、步长变化分界点为β、调焦完成分界点为γ，Laplacian清晰度评价函数为F(t)：
其中，x,y为像素点的横纵坐标，t为评价函数自变量，f(x,y)代表图像(x,y)像素点上的像素值；
步骤5.2，设定其中，L为调焦位置任意值；
步骤5.3，以调节步长调节镜头焦距：
如果tanα<tanβ，其中，如果tanα>0，则将调节步长设为2l，进行正向调节，如果tanα<0，则将调节步长设为2l，进行反向调节；
如果tanα>tanβ，其中，如果tanα>0，则将调节步长设为l/2，进行正向调节，如果tanα<0，则将调节步长设为l/2，进行反向调节；
其中，在正向调节的过程中，如果tanα>tanγ，且前一次的tanα>后一次的tanα，则停止调节；在反向调节的过程中，如果|tanα|>tanγ，且前一次的tanα<后一次的tanα，则停止调节。
本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，包括光源驱动模块(1)、激光光源(2)、发射透镜组(3)、接收透镜组(4)、光电处理器(7)和控制模块(8)，其特征在于，还包括测速模块(6)；
所述发射透镜组(3)和接收透镜组(4)为可变焦透镜组；
所述测速模块(6)用于对无人驾驶设备的速度进行测量；
所述控制模块(8)根据测速模块(6)测量到的速度值自适应调节发射透镜组(3)和接收透镜组(4)的视场角以及清晰度；其中速度值越大，相应的视场角越小。
2.如权利要求1所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，其特征在于，所述发射透镜组(3)和接收透镜组(4)在水平视场角15°-96°范围和垂直视场角11°-69°范围内变化，在速度为0km/h-100km/h的范围中，根据无人驾驶设备不同的速度设定不同的视场角：
当速度v为0km/h＜v≤10km/h时，设定视场角为96°×69°；
当速度为10km/h＜v≤20km/h时，设定视场角为87°×65°；
当速度为20km/h＜v≤30km/h时，设定视场角为78°×58.5°；
当速度为30km/h＜v≤40km/h时，设定视场角为69°×52°；
当速度为40km/h＜v≤50km/h时，设定视场角为60°×45°；
当速度为50km/h＜v≤60km/h时，设定视场角为51°×38°；
当速度为60km/h＜v≤70km/h时，设定视场角为42°×31.5°；
当速度为70km/h＜v≤80km/h时，设定视场角为33°×25°；
当速度为80km/h＜v≤90km/h时，设定视场角为24°×18°；
当速度为90km/h＜v≤100km/h时，设定视场角为15°×11°。
3.如权利要求1或2所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，其特征在于，所述激光光源(2)包括2个波长为850nm的激光器，水平发散角大于96度，垂直发散角大于69度。
4.如权利要求1或2所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，其特征在于，还包括设在接收透镜组(4)后的窄带滤光片(5)，反射或散射的激光经接收透镜组(4)聚焦后，经过窄带滤光片(5)滤光后传输到光电处理器(7)；所述窄带滤光片(5)波长与激光光源(2)发射波长一致；发射透镜组(3)前端以及接收透镜组(4)中的平凸透镜表面均镀有与激光光源(2)发射波长一致的增透膜。
5.如权利要求1或2所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，其特征在于，所述调制光为正弦调制光或方波调制光，调制频率为0.75-24MHz。
6.如权利要求1或2所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，其特征在于，所述光电处理器为集成CMOS光电处理器，包括光电转换电路、控制电路、模拟信号处理单元以及A/D转换器，实现光电转换、信号放大以及模数转换功能。
7.如权利要求6所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距系统，其特征在于，所述集成CMOS光电处理器对回波信号进行解调的方法为多相位窗电荷累积积分方法，相位窗数量设置为四或八。
8.一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的测距系统，包括以下步骤：
步骤1，系统初始化；
步骤2，测速模块(6)实时测量无人驾驶设备的行进速度；
步骤3，控制模块(8)每隔固定间隔时间读取测速模块(6)测得的速度数据；控制模块(8)根据读取到的速度值判断是否需要改变视场角，如无需改变，则重复步骤3；如需要改变，则执行步骤4；
步骤4，控制模块(8)根据当前速度发送视场角指令给发射透镜组(3)和接收透镜组(4)，使得系统视场角改变至设定的视场角；
步骤5，计算基于Laplacian清晰度评价函数的值，控制模块(8)根据计算值发送控制信号控制发射透镜组(3)和接收透镜组(4)，使得图像清晰。
9.如权利要求8所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距方法，其特征在于，所述发射透镜组(3)和接收透镜组(4)中均设有执行模块、变焦马达和对焦马达；控制模块(8)根据当前速度发送视场角指令给发射透镜组(3)和接收透镜组(4)内部的执行模块，执行模块分别控制各自的变焦马达旋，使得系统视场角改变至设定的视场角，于此同时，控制模块(8)根据Laplacian清晰度评价函数的值发送调焦指令给发射透镜组(3)和接收透镜组(4)内部的执行模块，执行模块分别控制各自的对焦马达旋转，使得图像变清晰。
10.如权利要求8所述的一种无人驾驶变视场固态面阵激光雷达测距方法，其特征在于，所述步骤5中，基于Laplacian清晰度评价函数的调焦步骤为：
步骤5.1，初始化调节步长为l、步长变化分界点为β、调焦完成分界点为γ，Laplacian清晰度评价函数为F(t)：
其中，x,y为像素点的横纵坐标，t为评价函数自变量，f(x,y)代表图像(x,y)像素点上的像素值；
步骤5.2，设定其中，L为调焦位置任意值；
步骤5.3，以调节步长调节镜头焦距：
如果tanα<tanβ，其中，如果tanα>0，则将调节步长设为2l，进行正向调节，如果tanα<0，则将调节步长设为2l，进行反向调节；
如果tanα>tanβ，其中，如果tanα>0，则将调节步长设为l/2，进行正向调节，如果tanα<0，则将调节步长设为l/2，进行反向调节；
其中，在正向调节的过程中，如果tanα>tanγ，且前一次的tanα>后一次的tanα，则停止调节；在反向调节的过程中，如果|tanα|>tanγ，且前一次的tanα<后一次的tanα，则停止调节。
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