CN109959937A - 长廊环境基于激光雷达的定位方法、存储介质及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长廊环境下基于激光雷达的定位方法、计算机存储介质及电子设备，所述方法包括以下步骤：S1、获取激光雷达初始位姿；S2、获取长廊内反射板的坐标；S3、获取激光雷达发射激光的朝向角，记为yaw；S4、根据激光雷达的朝向角yaw和反射板的坐标，求解激光雷达的坐标；S5、更新激光雷达的坐标并跳转至步骤S2。融合了扫描匹配法和反射板定位法的优点，解决了扫描匹配法在长廊环境中定位失效的问题，并且做到只需要检测到一个反射板即可进行定位，与传统的反射板定位方案相比，很大程度的减少了环境中反射板的布置数量，同时本方案反射板布置规则简单，易实现，定位效果不易受反射板布置结果的影响。

Description

长廊环境基于激光雷达的定位方法、存储介质及电子设备

技术领域

本发明涉及激光定位领域，更具体地，涉及一种长廊环境下基于激光雷达的定位方法、计算机存储介质及电子设备。

背景技术

目前，对长廊环境进行定位的方法通常有扫描匹配法和反射板定位法，扫描匹配法是通过激光雷达扫描的点云与环境轮廓进行匹配，从而实现定位；反射板定位法是在环境中按照一定规则布置反射板，采用三角定位技术实现定位。

上述两种方法存在以下缺陷：

扫描匹配法主要是根据环境的轮廓信息进行定位，因此在环境十分相似的长廊环境下无法准确定位。

反射板定位采用三角定位技术，因此需要至少同时检测到三个以上不共线的反射板方可定位，故需要在环境中密集的布置大量反射板；反射板布置规则复杂，且布置的结果将直接影响定位的效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种长廊环境下基于激光雷达的定位方法、计算机存储介质及电子设备，反射板布置规则简单，易实现，定位效果不易受反射板布置结果的影响。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种长廊环境下基于激光雷达的定位方法，所述方法包括以下步骤：S1、获取激光雷达初始位姿；S2、获取长廊内反射板的坐标；S3、获取激光雷达发射激光的朝向角，记为yaw；S4、根据激光雷达的朝向角yaw和反射板的坐标，求解激光雷达的坐标；S5、更新激光雷达的坐标并跳转至步骤S2。

根据本发明的一些实施例，在步骤S2中，所述激光雷达发射激光，根据一帧激光数据中的反射强度来获取反射板的坐标，采用极坐标记为(r_L,θ_L)。

根据本发明的一些实施例，在步骤S3中，采用扫描匹配法获得所述激光雷达发射激光的朝向角。

根据本发明的一些实施例，步骤S4包括：

S41、将所述反射板相对于激光雷达的极坐标(r_L,θ_L)在地图中的坐标记为(x_L,y_L)；

S42、将激光在地图中的坐标记为(x_r,y_r)，则有如下公式：

(x_r-x_L)²+(y_r-y_L)²＝r_L ² (1)

S43、记所述反射板相对于所述激光雷达的角度为θ_L，则所述激光雷达位于直线l上，直线l与坐标轴的x轴的夹角为β，β＝π-(yaw+θ_L)，则有如下公式：

S44、联立式(1)和(2)求得(x_r,y_r)的两个解，记为(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)；

S45、将(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)映射至地图中，点云匹配程度最高的坐标即为激光坐标。

根据本发明的一些实施例，在步骤S45中，将(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)映射至地图中，如果点云在连续两个位置之间的匹配程度相近，则选取离上一时刻激光坐标距离最近的点作为最终定位结果。

根据本发明的一些实施例，所述激光雷达为2D激光雷达。

第二方面，本发明实施例提供一种计算机存储介质，包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现如上述实施例所述的方法。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令；所述处理器用于调用并执行所述一条或多条计算机指令，从而实现如上述实施例所述的方法。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法、计算机存储介质及电子设备，融合了扫描匹配法和反射板定位法的优点，解决了扫描匹配法在长廊环境中定位失效的问题，并且做到只需要检测到一个反射板即可进行定位，与传统的反射板定位方案相比，很大程度的减少了环境中反射板的布置数量，同时本方案反射板布置规则简单，易实现，定位效果不易受反射板布置结果的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法的流程图；

图2为本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中一帧激光数据中的反射强度示意图；

图3为本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中长廊环境的示意图；

图4为本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中激光雷达某一时刻在长廊环境中测得的点云数据图；

图5为本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中激光在一个位姿处扫描匹配的结果图；

图6为本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中激光在另一个位姿处扫描匹配的结果图

图7为本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中激光雷达的位姿图；

图8为本发明实施例的电子设备的示意图；

图9为点云在地图中与障碍点最近的距离的函数曲线图。

附图标记：

长廊环境下基于激光雷达的定位方法100；

电子设备300；

存储器310；操作系统311；应用程序312；

处理器320；网络接口330；输入设备340；硬盘350；显示设备360。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法100。

如图1至图7所示，根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法100包括：所述方法包括以下步骤：

S1、获取激光雷达初始位姿。

S2、获取长廊内反射板的坐标。

S3、获取激光雷达发射激光的朝向角，记为yaw。

S4、根据激光雷达的朝向角yaw和反射板的坐标，求解激光雷达的坐标。

S5、更新激光雷达的坐标并跳转至步骤S2。

其中需要说明的是，根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中的激光雷达可以为2D激光雷达。

由此，根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法，融合了扫描匹配法和反射板定位法的优点，解决了扫描匹配法在长廊环境中定位失效的问题，并且做到只需要检测到一个反射板即可进行定位，与传统的反射板定位方案相比，很大程度的减少了环境中反射板的布置数量，同时本方案反射板布置规则简单，易实现，定位效果不易受反射板布置结果的影响。

具体地，根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，所述激光雷达发射激光，根据一帧激光数据中的反射强度来获取反射板的坐标，采用极坐标记为(r_L,θ_L)。

也就是说，反射板的提取是根据激光数据中物体的反射强度进行提取的，由于反射板是强反射材料制成，故其反射强度是明显有别于周围环境，图2所示为一帧激光数据中的反射强度，可以得到检测范围内有一个反射板，是这一帧激光数据的第588个数据点，这样即可获得反射板相对于激光的坐标。这里采用极坐标表示，记为(r_L,θ_L)。

由此，根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法，在长廊环境中同一时刻能够检测到一个反射板即可实现定位，因此只需在环境中稀疏的布置少量反射板，很大程度的减少了环境中反射板的布置数量。

根据本发明的一个实施例，在步骤S3中，采用扫描匹配法获得所述激光雷达发射激光的朝向角。

具体地，如图3至图6所示，其中，图3至图6中两条平行的虚线表示长廊环境。图3所示为长廊环境的轮廓地图，图4为激光雷达某一时刻在长廊环境中测得的点云数据。图5和图6为激光在不同位姿处扫描匹配的结果。由图可见，由于长廊环境的相似性，在位姿1(如图5所示)和位姿2(如图6所示)处均有较好的匹配，因此在长廊环境下扫描匹配定位结果具有不可靠性。虽然在长廊环境下扫描匹配的定位坐标不可靠，但其朝向角却是十分可靠的，因此，本步骤则是采用扫面匹配的方法获得激光的朝向角，记为yaw。

在本发明的一些具体实施方式中，步骤S4包括：

S41、将所述反射板相对于激光雷达的极坐标(r_L,θ_L)在地图中的坐标记为(x_L,y_L)。

S42、将激光在地图中的坐标记为(x_r,y_r)，则有如下公式：

(x_r-x_L)²+(y_r-y_L)²＝r_L ² (1)

S43、记所述反射板相对于所述激光雷达的角度为θ_L，则所述激光雷达位于直线l上，直线l与坐标轴的x轴的夹角为β，β＝π-(yaw+θ_L)，则有如下公式：

S44、联立式(1)和(2)求得(x_r,y_r)的两个解，记为(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)。

S45、将(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)映射至地图中，点云匹配程度最高的坐标即为激光坐标。

进一步地，在步骤S45中，将(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)映射至地图中，如果点云在连续两个位置之间的匹配程度相近，则选取离上一时刻激光坐标距离最近的点作为最终定位结果。

换句话说，在求解激光雷达的坐标的步骤中，根据步骤S2获得的反射板相对于激光雷达的极坐标(r_L,θ_L)，记该反射板在地图中坐标为(x_L,y_L)，如图7所示，则有激光必然位于以(x_L,y_L)为圆心，半径为r_L的圆上。将激光在地图中的坐标记为(x_r,y_r)，则有公式(1)成立。

步骤S3中获得了激光雷达的朝向角yaw，而反射板相对于激光雷达的角度为θ_L，则有激光雷达必然位于直线l上，如图7所示，图中β＝π-(yaw+θ_L)，将β换算至(-π,π)范围内，则公式(2)成立。

然后联立式(1)和(2)求得(x_r,y_r)的两个解，记为(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)。将(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)映射至地图中，点云匹配程度高的坐标即为激光坐标。如果点云匹配程度相近，则选取离上一时刻激光坐标距离最近的点作为最终定位结果。

其中需要说明的是，在上述实施例中，在对点云匹配程度进行比较时，可以对(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)在地图中映射的点与地图的匹配程度进行评分。其具体评分规则可以是：将点云数据映射到地图并计算点云与地图的匹配值，点云匹配评价函数为：

式中σ＝0.1，d为点云在地图中与障碍点最近的距离，函数曲线如图9所示。记点云数据为m个，在地图中第j个点云离障碍点最近距离记为d_j，则点云匹配值为

如果，所有的d_j＝0，则有s＝1.0。

根据上述评分规则，认定评分最高的点即是点云匹配程度最高的坐标，即可作为激光坐标；点云匹配程度相近可以是指点云在两个位置之间评分的差值小于某一阈值，例如0.02，当点云在两个位置之间的评分的差值小于0.02时，即可认为点云匹配程度相近，则选取离上一时刻激光坐标距离最近的点作为最终定位结果。

由此，根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法中反射板布置规则简单，定位效果不易受反射板布置结果影响，定位效果更准确。

总而言之，根据本发明实施例的长廊环境下基于激光雷达的定位方法，融合了扫描匹配法和反射板定位法的优点，解决了扫描匹配法在长廊环境中定位失效的问题，并且做到只需要检测到一个反射板即可进行定位，与传统的反射板定位方案相比，很大程度的减少了环境中反射板的布置数量，同时本方案反射板布置规则简单，易实现，定位效果不易受反射板布置结果的影响。

此外，本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现上述任一所述的长廊环境下基于激光雷达的定位方法100。

也就是说，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时，使得所述处理器执行上述任一所述的长廊环境下基于激光雷达的定位方法100。

如图8所示，本发明实施例提供了一种电子设备300，包括存储器310和处理器320，所述存储器310用于存储一条或多条计算机指令，所述处理器320用于调用并执行所述一条或多条计算机指令，从而实现上述任一所述的方法。

也就是说，电子设备300包括：处理器320和存储器310，在所述存储器310中存储有计算机程序指令，其中，在所述计算机程序指令被所述处理器运行时，使得所述处理器320执行上述任一所述的方法100。

进一步地，如图8所示，电子设备300还包括网络接口330、输入设备340、硬盘350、和显示设备360。

上述各个接口和设备之间可以通过总线架构互连。总线架构可以是可以包括任意数量的互联的总线和桥。具体由处理器320代表的一个或者多个中央处理器(CPU)，以及由存储器310代表的一个或者多个存储器的各种电路连接在一起。总线架构还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其它电路连接在一起。可以理解，总线架构用于实现这些组件之间的连接通信。总线架构除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线，这些都是本领域所公知的，因此本文不再对其进行详细描述。

所述网络接口330，可以连接至网络(如因特网、局域网等)，从网络中获取相关数据，并可以保存在硬盘350中。

所述输入设备340，可以接收操作人员输入的各种指令，并发送给处理器320以供执行。所述输入设备340可以包括键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。

所述显示设备360，可以将处理器320执行指令获得的结果进行显示。

所述存储器310，用于存储操作系统运行所必须的程序和数据，以及处理器320计算过程中的中间结果等数据。

可以理解，本发明实施例中的存储器310可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM)，其用作外部高速缓存。本文描述的装置和方法的存储器310旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在一些实施方式中，存储器310存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统311和应用程序312。

其中，操作系统311，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序312，包含各种应用程序，例如浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序312中。

本发明上述实施例揭示的方法可以应用于处理器320中，或者由处理器320实现。处理器320可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器320中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器320可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器310，处理器320读取存储器310中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。

对于软件实现，可通过执行本文所述功能的模块(例如过程、函数等)来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。

具体地，处理器320还用于读取所述计算机程序，执行上述任一所述的方法。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理包括，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述收发方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种长廊环境下基于激光雷达的定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、获取激光雷达初始位姿；

S2、获取长廊内反射板的坐标；

S3、获取激光雷达发射激光的朝向角，记为yaw；

S4、根据激光雷达的朝向角yaw和反射板的坐标，求解激光雷达的坐标；

S5、更新激光雷达的坐标并跳转至步骤S2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光雷达发射激光，根据一帧激光数据中的反射强度来获取反射板的坐标，采用极坐标记为(r_L,θ_L)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，采用扫描匹配法获得所述激光雷达发射激光的朝向角。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41、将所述反射板相对于激光雷达的极坐标(r_L,θ_L)在地图中的坐标记为(x_L,y_L)；

S42、将激光在地图中的坐标记为(x_r,y_r)，则有如下公式：

(x_r-x_L)²+(y_r-y_L)²＝r_L ² (1)

S43、记所述反射板相对于所述激光雷达的角度为θ_L，则所述激光雷达位于直线l上，直线l与坐标轴的x轴的夹角为β，β＝π-(yaw+θ_L)，则有如下公式：

S44、联立式(1)和(2)求得(x_r,y_r)的两个解，记为(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)；

S45、将(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)映射至地图中，点云匹配程度最高的坐标即为激光坐标。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S45中，将(x_r1,y_r1)和(x_r2,y_r2)映射至地图中，如果点云在连续两个位置之间的匹配程度相近，则选取离上一时刻激光坐标距离最近的点作为最终定位结果。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光雷达为2D激光雷达。

7.一种计算机存储介质，其特征在于，包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。

8.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，

所述存储器用于存储一条或多条计算机指令；

所述处理器用于调用并执行所述一条或多条计算机指令，从而实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。