CN110262504A - 一种结构可调的多激光雷达耦合系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于三维激光雷达探测领域,具体的说是一种结构可调的多激光雷达耦合系统及其控制方法。该系统包括:三维激光雷达、雷达数据同步装置、直流电机、电机驱动单元、传动机构、液压杆、雷达升降平台、控制单元,角度渐变式导轨、各系统部件安装在系统支撑架上。上述结构可调的多激光雷达耦合系统可以根据地图、GPS及IMU信息判断所处工况,根据不同工况需求,改变多激光雷达物理布置阵列,实现不同的多激光雷达点云数据融合策略,增加特定工况下感兴趣区域的点云密度、减少感知盲区。本发明具有集成度高,灵活性高,成本低的特点,同时弥补了单个多线激光雷达成本高,感知盲区大的缺点,扩大了激光雷达的应用场景,提高了激光雷达的使用效率。
Description
技术领域
本发明属于三维激光雷达探测领域,具体的说是一种结构可调的多激光雷达耦合系统及其控制方法。
背景技术
自动化驾驶近年来快速发展,而感知技术为实现自动驾驶的关键技术之一。激光雷达传感器所测量的点云数据具备精度高,抗干扰的特点,因而被广泛采用。无人驾驶汽车对激光雷达的探测范围具备较高的要求,同时激光雷达发出的激光束强度衰减明显,这导致商业化的无人驾驶方案必须采用多束激光雷达,以使远距离激光探测保持一定的激光点云密度。但是高线数激光雷达成本远高于低线数激光雷达。
无人驾驶汽车在不同运行工况下具有不同的点云密度需求。在城市工况下,行驶车速低,但是突发情况较多,因此对盲区监测要求较高;在高速行驶工况下,主要对远距离物体运动探测有较高的要求,对车身周围点云密度要求不高。因此固定的雷达阵列所测量的点云信息,具有一定局限性。
发明内容
本发明提供了一种结构可调的多激光雷达耦合系统及其控制方法,可以实现多个低线数激光雷达替代高线数激光雷达,保持点云密度同时降低成本;并可在不同工况下实现雷达排布阵列变化,实现点云感兴趣区域的改变,解决了现有固定雷达阵列所测量的点云信息存在的上述不足。
本发明技术方案结合附图说明如下:
一种结构可调的多激光雷达耦合系统,该系统包括控制单元1、中部三维激光雷达2、升降平台3、电机驱动平台4、角度渐变式导轨8、雷达数据同步装置9、支撑架10、两个侧向三维激光雷达5、两个转动平台6和两个电机驱动单元7;所述中部三维激光雷达2固定在升降平台3上;所述升降平台3固定在电机驱动平台4上;所述电机驱动平台4与角度渐变式导轨8滑动配合;所述侧向三维激光雷达5固定在转动平台6上;所述电机驱动单元7固定在支撑架10的侧面;所述控制单元1、雷达数据同步装置9均固定在支撑架10的中间部分;所述控制单元1通过数据同步线与中部三维激光雷达2和侧向三维激光雷达5连接,通过信号控制线与电机驱动单元7连接;所述控制单元1与处理器连接。
所述升降平台3包括雷达支撑座3—1、滑动式支撑架3—2、第一液压杆3—3和平台底座3—4;所述雷达支撑座3—1通过螺栓与中部三维激光雷达2固定连接;所述滑动式支撑架3—2的上、下两端设置有滚轮;所述滑动式支撑架3—2的一端与雷达支撑座3—1和平台底座3—4的一端铰接,另一端的滚轮与设置在雷达支撑座3—1和平台底座3—4的滑道滑动配合,并且滑动式支撑架3—2能绕中间铰接处转动;所述第一液压杆3—3一端与滑动式支撑架3—2,另一端与平台底座3—4铰接;所述第一液压杆3—3与控制单元1连接。
所述电机驱动平台4包括电机固定座4—1、传动器4—2、驱动电机4—3、驱动轮4—4、导轮4—5、导轮支撑架4—6;所述电机固定座4—1通过螺栓与平台底座3—4固定连接;所述传动器4—2固定在电机固定座4—1上,并且与驱动电机4—3的电机轴和驱动轮4—4连接;所述电机4—3与电机驱动单元7连接;所述电机固定座4—1固定在导轮支撑架4—6上;所述导轮4—5安装在导轮支撑架4—6上并且与角度渐变式导轨8侧面凹槽滑动配合;所述驱动轮4—4与角度渐变式导轨8上表面导向槽滑动配合;所述导轮4—5与电机固定座4—1铆接。
所述转动平台6包括雷达固定底座6—1、轴转动电机6—2、第二液压杆6—3;所述雷达固定底座6—1上表面与侧向三维激光雷达5固定连接;所述雷达固定底座6—1与支撑架10采用销轴连接,销轴的轴线垂直于支撑架10的支撑小臂内表面;所述轴转动电机6—2固定在支撑架10上,其输出轴与雷达固定底座6—1上的转动轴同轴;所述第二液压杆6—3一端与支撑架10铰接,另一端与雷达固定底座6—1铰接;所述第二液压杆6—3与控制单元1连接。
所述角度渐变式导轨8其前半段为直线,其后半段为与前半段直线相切的圆弧;所述角度渐变式导轨侧面开有两条凹槽,顶部开有导向槽。
一种结构可调的多激光雷达耦合系统的控制方法,该控制方法包括以下步骤:
步骤一、所述中部三维激光雷达2处于坐标系XYZ-O1,所述侧向三维激光雷达5分别处于坐标系XYZ-O2,XYZ-O3;处于初始状态时,中部三维激光雷达2相对于角度渐变式导轨8处于水平位置,纵向位置上处在最靠近支撑架10的一端;系统开始工作后,控制器1对系统进行初始化,运行激光雷达软件驱动,中部三维激光雷达2和侧向三维激光雷达5开始工作;
步骤二、所述雷达数据同步装置9与中部三维激光雷达2、侧向三维激光雷达5、控制器单元1通过电缆连接;某一时刻下,雷达数据同步装置9将接收到的雷达点云数据分配同一时间戳,随后将数据包发送给TF数据处理节点进行数据坐标变换,使位于XYZ-O2,XYZ-O3坐标系的点云数据叠加XYZ-O1坐标系当中;
步骤三、控制单元1运行工况判断程序,算法的输入为IMU数据、GPS实时数据、高精度地图数据,雷达点云数据,算法的输出为当前工况判断结果;
步骤四、针对不同工况,采用不同的雷达阵列;控制器输出控制信号控制升降平台3、电机驱动平台4和转动平台6达到预定状态;车辆处于高目标复杂度、低车速状态时,侧向三维激光雷达5绕X轴转动一个角度ψ,减少车辆侧方向的盲区,中部三维激光雷达2布置在车辆的前部,且绕Y轴旋转一定角度θ;车辆处于地目标复杂度、高车速工况时,侧向三维激光雷达5达保持水平,中部三维激光雷达2位于车辆中间位置,以获得扫描面内最稠密的激光点云数据集,增大车辆运动横向和纵向探测距离。
所述步骤二的具体方法如下:
a)雷达进行参数标定,对点云数据空间坐标进行标定,矫正参数为点云距离、俯仰角和水平旋转角;
b)选择雷达按照三维直角坐标系模式输出点云数据,即单个点云数据格式为(x,y,z,t);读取标定好的XYZ-O2,XYZ-O3相对于XYZ-O1的位姿信息;XYZ-O2相对于XYZ-O1的在X、Y、Z坐标轴上的偏移量分别为Tx1-2,Ty1-2,Tz1-2,转角偏移为γ1-2,β1-2,α1-2;XYZ-O3相对于XYZ-O1的在X、Y、Z坐标轴上的偏移量分别为Tx1-3,Ty1-3,Tz1-3,转角偏移为γ1-3,β1-3,α1-3;
c)进行坐标转换计算,计算原理如下:
R=Au+T
以侧向激光雷达点云由XYZ-O2向XYZ-O1转换为例,如下:
其中,R为XYZ-O1坐标系下的坐标矩阵,其中x1为横坐标,y1为纵坐标,z1为垂直坐标;u为被转换坐标系XYZ-Oi的坐标矩阵,其中xi为横坐标,yi为纵坐标,zi为垂直坐标;T为三维方向的偏移量矩阵,其中Tx为横坐标方向偏移量,Ty为纵坐标方向偏移量,Tz为垂直坐标方向偏移量;A为旋转矩阵,其中α为x轴转角偏移量,β为y轴转角偏移量,γ为z轴转角偏移量;aij表示A矩阵中的元素;
原处于XYZ-O2坐标系中的点云数据通过旋转矩阵A和偏移矩阵T实现了向坐标系XYZ-O1的转换。
所述步骤三的具体方法如下:
a)运行定位算法,根据输入的高精度地图信息、IMU数据、GPS实时数据判断车辆的初始位置,并根据数据融合技术、同步定位技术得出车辆运动过程中的实时定位信息。
以马尔科夫定位说明定位过程,其具体算法如下:
其中,m表示地图;zt表示t时刻测量值;ut表示t时刻控制量;xt表示t时刻位姿;
机器人位姿初始信息以置信度bel(x0)表示;按照全局定位方法计算,初始位姿未知,bel(x0)由在地图上所有合法位姿空间上的均匀分布初始化:
式中,|X|为地图里所有位姿空间的体积;
根据计算得到的定位,从高精度地图中获取该位置下的限制车速;
b)根据获取的位置信息和速度信息进行工况判断:
当前位置为普通城市街区路段时,T时间内平均车速V不超过60km/h,则判定为城市环境高目标复杂度、低车速工况;
当前位置为城市快速路段时,T时间内平均车速V不超过80km/h,则判定为城市环境低目标复杂度、高车速工况;
当前位置为高速公路段,T时间内平均车速V不超过120km/h,则判定为高速公路环境低目标复杂度、高车速工况;
当前位置为高速公路段,T时间内平均车速不超过50km/h高速公路匝道及并线区高目标复杂度、低车速工况。
本发明的有益效果为:
本发明根据不同的工况信息处理方法得出工况信息结果,根据该信息进行相应的控制系统排布阵列调节。可以实现多个低线数激光雷达替代高线数激光雷达,保持一定点云密度同时降低使用成本;可在不同工况下实现雷达排布阵列变化,实现点云感兴趣区域的改变,减少目标复杂度高工况下的检测盲区,增加高车速工况下的远距离点云密度。
附图说明
图1为本发明所述结构可调的多激光雷达耦合系统的结构示意图;
图2为本发明中升降平台、电机驱动平台和角度渐变式导轨结构侧视图;
图3a为本发明中转动平台正视图;
图3b为本发明中转动平台侧视图;
图4为本发明中升降平台结构示意图;
图5为本发明中电机驱动平台结构示意图;
图6为本发明中角度渐变式导轨横截面示意图;
图7为多激光雷达第一次改变阵列后的结构示意图;
图8为多激光雷达第二次改变阵列后的结构示意图;
图9为多激光雷达第二次改变阵列后的结构示意图;
图10为本发明的工作流程图。
图中:1、控制单元;2、中部三维激光雷达;3、升降平台;3—1、雷达支撑座;3—2、滑动式支撑架;3—3、第一液压杆;3—4、平台底座;4、电机驱动平台;4—1、电机固定座;4—2、传动器;4—3、驱动电机;4—4、驱动轮;4—5、导轮;4—6、导轮支撑架;5、侧向三维激光雷达;6、转动平台;6—1、雷达固定底座;6—2、轴转动电机;6—3、第二液压杆;7、电机驱动单元;8、角度渐变式导轨;9、雷达数据同步装置;10、支撑架。
具体实施方式
参阅图1,一种结构可调的多激光雷达耦合系统,该系统包括控制单元1、中部三维激光雷达2、升降平台3、电机驱动平台4、角度渐变式导轨8、雷达数据同步装置9、支撑架10、两个侧向三维激光雷达5、两个转动平台6和两个电机驱动单元7;所述中部三维激光雷达2固定在升降平台3上;所述升降平台3固定在电机驱动平台4上;所述电机驱动平台4与角度渐变式导轨8滑动配合;所述侧向三维激光雷达5固定在转动平台6上;所述电机驱动单元7固定在支撑架10的侧面;所述控制单元1、雷达数据同步装置9均固定在支撑架10的中间部分;所述控制单元1通过数据同步线与中部三维激光雷达2和侧向三维激光雷达5连接,通过信号控制线与电机驱动单元7连接;所述控制单元1与处理器连接。所述中部三维激光雷达2可以随着升降平台3的上下移动改变垂向位置,并可以随着电机驱动平台4的移动改变纵向位置,角度渐变式导轨8上移动的电机驱动平台4可以改变平台的角度,进而改变中部三维激光雷达2的扫描角度。
所述控制单元1接受点云信息后对数据进行处理,使多个雷达的点运数据融合到同一个世界坐标内,并向中央处理器发送融合后的数据;所述控制单元接受并处理自动驾驶车辆运行工况信息,发送控制信号控制电机和液压杆,实现系统的阵列结构的变化。所述控制单元1可以采用型号MicroAutoBox-DS1507;所述处理器可以采用型号IBM PPC 750GL,900MHz(incl.1MB level 2cache)
所述雷达数据同步装置9实现多个激光雷达的数据采集,并进行数据同步,同一时刻采集到的点云数据享有同样的时间戳。
参阅图2和图4,所述升降平台3包括雷达支撑座3—1、滑动式支撑架3—2、第一液压杆3—3和平台底座3—4;所述雷达支撑座3—1通过螺栓与中部三维激光雷达2固定连接;所述滑动式支撑架3—2的上、下两端设置有滚轮;所述滑动式支撑架3—2的一端与雷达支撑座3—1和平台底座3—4的一端铰接,另一端的滚轮与设置在雷达支撑座3—1和平台底座3—4的滑道滑动配合,并且滑动式支撑架3—2能绕中间铰接处转动;平台底座3—4承载升降平台3和中部三维激光雷达2全部重量。所述第一液压杆3—3一端与滑动式支撑架3—2,另一端与平台底座3—4铰接;所述第一液压杆3—3与控制单元1连接。
参阅图5,所述电机驱动平台4包括电机固定座4—1、传动器4—2、驱动电机4—3、驱动轮4—4、导轮4—5、导轮支撑架4—6;所述电机固定座4—1通过螺栓与平台底座3—4固定连接,承担驱动电机4—3传递给升降平台3的力;所述传动器4—2固定在电机固定座4—1上,并且与驱动电机4—3的电机轴和驱动轮4—4连接,实现对驱动电机4—3的减速,增加输出端驱动滚动轮的扭矩;所述电机4—3与电机驱动单元7连接;所述电机固定座4—1固定在导轮支撑架4—6上;所述导轮4—5安装在导轮支撑架4—6上并且与角度渐变式导轨8侧面凹槽相接触,装配过程中具有一定压紧力,使整个机构夹紧在中间导轨上;所述驱动轮4—4与角度渐变式导轨8摩擦接触,其产生的摩擦反力带动电机驱动平台4运动,进而带动升降平台3运动;所述导轮4—5与电机固定座4—1铆接。
所述驱动电机4—3为直流电机,由电机驱动单元7驱动。
参阅3a、图3b,所述转动平台6包括雷达固定底座6—1、轴转动电机6—2、第二液压杆6—3;所述雷达固定底座6—1上表面与侧向三维激光雷达5固定连接;所述雷达固定底座6—1与支撑架10采用销轴连接,销轴的轴线垂直于支撑架10的支撑小臂内表面;所述轴转动电机6—2固定在支撑架10上,其输出轴与雷达固定底座6—1上的转动轴同轴,主要由轴转动电机6—2产生转动扭矩带动雷达固定底座6—1及侧向三维激光雷达5转动。所述第二液压杆6—3一端与支撑架10铰接,另一端与雷达固定底座6—1铰接;所述第二液压杆6—3与控制单元1连接。
所述液第二液压杆6—3在变化过程中,改变推杆长度,与所述轴转动电机6—2配合使雷达固定底座6—1保持目标。靠近内侧的第二液压杆6—3推杆伸长,靠近外侧的第二液压缸杆6—3压缩,且两根杆的长度变化满足△l1=△l2。
参阅图6,所述角度渐变式导轨8其前半段为直线,其后半段为与前半段直线相切的圆弧;所述角度渐变式导轨侧面开有两条凹槽,顶部开有导向槽。
控制单元1与电机驱动单元7通过电缆连接,当控制单元1计算得出当前行驶状态后,判断是否需要改变激光雷达阵列,需要改变时,控制单元1驱动电机驱动单元7对转动平台6、升降平台3和电机驱动平台7做出相应动作,以达到控制效果。结构可调的多激光雷达耦合系统阵列机构调整具体实施时,其总体流程如图10所示,详细步骤如下:
步骤一、所述中部三维激光雷达2处于坐标系XYZ-O1,所述侧向三维激光雷达5分别处于坐标系XYZ-O2,XYZ-O3;处于初始状态时,中部三维激光雷达2相对于角度渐变式导轨8处于水平位置,纵向位置上处在最靠近支撑架10的一端;系统开始工作后,控制器1对系统进行初始化,运行激光雷达软件驱动,中部三维激光雷达2和侧向三维激光雷达5开始工作;
步骤二、所述雷达数据同步装置9与中部三维激光雷达2、侧向三维激光雷达5、控制器单元1通过电缆连接;某一时刻下,雷达数据同步装置9将接收到的雷达点云数据分配同一时间戳,随后将数据包发送给TF数据处理节点进行数据坐标变换,使位于XYZ-O2,XYZ-O3坐标系的点云数据叠加XYZ-O1坐标系当中;具体方法如下:
a)雷达进行参数标定,对点云数据空间坐标进行标定,矫正参数为点云距离、俯仰角和水平旋转角;
b)选择雷达按照三维直角坐标系模式输出点云数据,即单个点云数据格式为(x,y,z,t);读取标定好的XYZ-O2,XYZ-O3相对于XYZ-O1的位姿信息;XYZ-O2相对于XYZ-O1的在X、Y、Z坐标轴上的偏移量分别为Tx1-2,Ty1-2,Tz1-2,转角偏移为γ1-2,β1-2,α1-2;XYZ-O3相对于XYZ-O1的在X、Y、Z坐标轴上的偏移量分别为Tx1-3,Ty1-3,Tz1-3,转角偏移为γ1-3,β1-3,α1-3;
c)进行坐标转换计算,计算原理如下:
R=Au+T
以侧向激光雷达点云由XYZ-O2向XYZ-O1转换为例,如下:
R为XYZ-O1坐标系下的坐标矩阵,其中x1为横坐标,y1为纵坐标,z1为垂直坐标;u为被转换坐标系XYZ-Oi的坐标矩阵,其中xi为横坐标,yi为纵坐标,zi为垂直坐标;T为三维方向的偏移量矩阵,其中Tx为横坐标方向偏移量,Ty为纵坐标方向偏移量,Tz为垂直坐标方向偏移量;A为旋转矩阵,其中α为x轴转角偏移量,β为y轴转角偏移量,γ为z轴转角偏移量;aij表示A矩阵中的元素。
原处于XYZ-O2坐标系中的点云数据通过旋转矩阵A和偏移矩阵T实现了向坐标系XYZ-O1的转换。
步骤三、控制单元1运行工况判断程序,算法的输入为IMU数据、GPS实时数据、高精度地图数据,雷达点云数据,算法的输出为当前工况判断结果;具体如下:
a)运行定位算法,根据输入的高精度地图信息、IMU数据、GPS实时数据判断车辆的初始位置,并根据数据融合技术、同步定位技术得出车辆运动过程中的实时定位信息。
以马尔科夫定位说明定位过程,其具体算法如下:
其中,m表示地图;zt表示t时刻测量值;ut表示t时刻控制量;xt表示t时刻位姿;
机器人位姿初始信息以置信度bel(x0)表示;按照全局定位方法计算,初始位姿未知,bel(x0)由在地图上所有合法位姿空间上的均匀分布初始化:
式中,|X|为地图里所有位姿空间的体积;
根据计算得到的定位,从高精度地图中获取该位置下的限制车速;
b)根据获取的位置信息和速度信息进行工况判断:
当前位置为普通城市街区路段时,T时间内平均车速V不超过60km/h,则判定为城市环境高目标复杂度、低车速工况;
当前位置为城市快速路段时,T时间内平均车速V不超过80km/h,则判定为城市环境低目标复杂度、高车速工况;
当前位置为高速公路段,T时间内平均车速V不超过120km/h,则判定为高速公路环境低目标复杂度、高车速工况;
当前位置为高速公路段,T时间内平均车速不超过50km/h高速公路匝道及并线区高目标复杂度、低车速工况。
步骤四、针对不同工况,采用不容的雷达阵列。控制器输出控制信号控制升降平台、电机驱动平台和转动平台达到预定状态。车辆处于高目标复杂度、低车速状态时,如图8所示,侧向激光雷达绕X轴转动一个角度ψ,可以减少车辆侧方向的盲区,中部激光雷达布置在车辆的前部,且绕Y轴旋转一定角度θ,改工况下激光雷达阵列排布俯视图如图9所示。车辆处于地目标复杂度、高车速工况时,如图1所示,侧向激光雷达保持水平,中部激光雷达位于车辆中间位置,以获得扫描面内最稠密的激光点云数据集,增大车辆运动横向和纵向探测距离。
示例性的,以城市环境低目标复杂度、高车速工况向城市环境高目标复杂度、低车速工况切换为例,详细的机构变换步骤如下:
a)控制器单元与电机驱动模块通过线缆连接,控制器单元发出控制信号,电机驱动单元接收信号后以电流形式驱动电机。
b)激光雷达升降平台、电机驱动平台、中间导轨组合结构如图2所示。
滑动式支撑架3-2中间铰接点与平台底座3-4之间的垂向距离为h,雷达支撑座3-1与平台底座3-4之间的垂向距离为H。滑动式支撑架3-2前杆与平台底座3-4夹角为α。
第一液压杆3—3收缩,A铰接点前移,滑动式支撑架3-2后杆铰接点后移,α减小,h减小,H减小,雷达支撑座3-1下降,中部三维激光雷达2下降。
驱动电机4-3固定安装在传动器4-2上,传动器4-2整体与连接座4-1刚性连接。导轮4-5固定在导轮支撑架4-6上,导轮4-5上表面与角度渐变式导轨8接触,从而夹紧整个机构,导轮支撑架4-6刚性固定在连接座4-1上。驱动电机4-3受到电机驱动单元7的驱动,通过传动器4-2将扭矩传递给驱动轮4-4,驱动轮4-4收到角度渐变式导轨8表面的摩擦反力作用,带动机构向前移动。角度渐变式导轨8后半段角度渐变,最大倾角为θ,角θ根据汽车结构选择,取5°-25°。当驱动轮4-4移动到倾斜导轨段时,电机驱动平台4连同升降平台3、中部三维激光雷达2整体向前倾斜,倾斜终止时,倾斜角度等于θ,取θ为0-25°。
变化之后的总体结构如图7所示,中部三维激光雷达2位置前出,且向下倾斜。
c)转动平台6如图3a、图3b所示;
轴转动电机6—2固定于底座,其产生轴向扭矩驱动转动平台底座3-4带动侧向激光雷达3-1绕O旋转角度ψ,ψ角取10°-30°,第二液压杆6—3产生助力,并在轴转动电机6—2转动到规定位置后,提供支撑力保持旋转后的状态。
变化之后的系统结构如图8、图9所示,中部三维激光雷达2位置前出,且向下倾斜,侧向三维激光雷达5向外倾斜。
Claims (8)
1.一种结构可调的多激光雷达耦合系统,其特征在于,该系统包括控制单元(1)、中部三维激光雷达(2)、升降平台(3)、电机驱动平台(4)、角度渐变式导轨(8)、雷达数据同步装置(9)、支撑架(10)、两个侧向三维激光雷达(5)、两个转动平台(6)和两个电机驱动单元(7);所述中部三维激光雷达(2)固定在升降平台(3)上;所述升降平台(3)固定在电机驱动平台(4)上;所述电机驱动平台(4)与角度渐变式导轨(8)滑动配合;所述侧向三维激光雷达(5)固定在转动平台(6)上;所述电机驱动单元(7)固定在支撑架(10)的侧面;所述控制单元(1)、雷达数据同步装置(9)均固定在支撑架(10)的中间部分;所述控制单元(1)通过数据同步线与中部三维激光雷达(2)和侧向三维激光雷达(5)连接,通过信号控制线与电机驱动单元(7)连接;所述控制单元(1)与处理器连接。
2.根据权利要求1所述一种结构可调的多激光雷达耦合系统,其特征在于,所述升降平台(3)包括雷达支撑座(3—1)、滑动式支撑架(3—2)、第一液压杆(3—3)和平台底座(3—4);所述雷达支撑座(3—1)通过螺栓与中部三维激光雷达(2)固定连接;所述滑动式支撑架(3—2)的上、下两端设置有滚轮;所述滑动式支撑架(3—2)的一端与雷达支撑座(3—1)和平台底座(3—4)的一端铰接,另一端的滚轮与设置在雷达支撑座(3—1)和平台底座(3—4)的滑道滑动配合,并且滑动式支撑架(3—2)能绕中间铰接处转动;所述第一液压杆(3—3)一端与滑动式支撑架(3—2),另一端与平台底座(3—4)铰接;所述第一液压杆(3—3)与控制单元(1)连接。
3.根据权利要求2所述一种结构可调的多激光雷达耦合系统,其特征在于,所述电机驱动平台(4)包括电机固定座(4—1)、传动器(4—2)、驱动电机(4—3)、驱动轮(4—4)、导轮(4—5)、导轮支撑架(4—6);所述电机固定座(4—1)通过螺栓与平台底座(3—4)固定连接;所述传动器(4—2)固定在电机固定座(4—1)上,并且与驱动电机(4—3)的电机轴和驱动轮(4—4)连接;所述电机(4—3)与电机驱动单元(7)连接;所述电机固定座(4—1)固定在导轮支撑架(4—6)上;所述导轮(4—5)安装在导轮支撑架(4—6)上并且与角度渐变式导轨(8)侧面凹槽滑动配合;所述驱动轮(4—4)与角度渐变式导轨(8)上表面导向槽滑动配合;所述导轮(4—5)与电机固定座(4—1)铆接。
4.根据权利要求1所述一种结构可调的多激光雷达耦合系统,其特征在于,所述转动平台(6)包括雷达固定底座(6—1)、轴转动电机(6—2)、第二液压杆(6—3);所述雷达固定底座(6—1)上表面与侧向三维激光雷达(5)固定连接;所述雷达固定底座(6—1)与支撑架(10)采用销轴连接,销轴的轴线垂直于支撑架(10)的支撑小臂内表面;所述轴转动电机(6—2)固定在支撑架(10)上,其输出轴与雷达固定底座(6—1)上的转动轴同轴;所述第二液压杆(6—3)一端与支撑架(10)铰接,另一端与雷达固定底座(6—1)铰接;所述第二液压杆(6—3)与控制单元(1)连接。
5.根据权利要求1所述一种结构可调的多激光雷达耦合系统,其特征在于,所述角度渐变式导轨(8)其前半段为直线,其后半段为与前半段直线相切的圆弧;所述角度渐变式导轨侧面开有两条凹槽,顶部开有导向槽。
6.根据权利要求1所述一种结构可调的多激光雷达耦合系统的控制方法,其特征在于,该控制方法包括以下步骤:
步骤一、所述中部三维激光雷达(2)处于坐标系XYZ-01,所述侧向三维激光雷达(5)分别处于坐标系XYZ-O2,XYZ-O3;处于初始状态时,中部三维激光雷达(2)相对于角度渐变式导轨(8)处于水平位置,纵向位置上处在最靠近支撑架(10)的一端;系统开始工作后,控制器(1)对系统进行初始化,运行激光雷达软件驱动,中部三维激光雷达(2)和侧向三维激光雷达(5)开始工作;
步骤二、所述雷达数据同步装置(9)与中部三维激光雷达(2)、侧向三维激光雷达(5)、控制器单元(1)通过电缆连接;某一时刻下,雷达数据同步装置(9)将接收到的雷达点云数据分配同一时间戳,随后将数据包发送给TF数据处理节点进行数据坐标变换,使位于XYZ-O2,XYZ-O3坐标系的点云数据叠加XYZ-01坐标系当中;
步骤三、控制单元(1)运行工况判断程序,算法的输入为IMU数据、GPS实时数据、高精度地图数据,雷达点云数据,算法的输出为当前工况判断结果;
步骤四、针对不同工况,采用不同的雷达阵列;控制器输出控制信号控制升降平台(3)、电机驱动平台(4)和转动平台(6)达到预定状态;车辆处于高目标复杂度、低车速状态时,侧向三维激光雷达(5)绕X轴转动一个角度ψ,减少车辆侧方向的盲区,中部三维激光雷达(2)布置在车辆的前部,且绕Y轴旋转一定角度θ;车辆处于地目标复杂度、高车速工况时,侧向三维激光雷达(5)达保持水平,中部三维激光雷达(2)位于车辆中间位置,以获得扫描面内最稠密的激光点云数据集,增大车辆运动横向和纵向探测距离。
7.根据权利要求6所述一种结构可调的多激光雷达耦合系统的控制方法,其特征在于,所述步骤二的具体方法如下:
a)雷达进行参数标定,对点云数据空间坐标进行标定,矫正参数为点云距离、俯仰角和水平旋转角;
b)选择雷达按照三维直角坐标系模式输出点云数据,即单个点云数据格式为(x,y,z,t);读取标定好的XYZ-O2,XYZ-O3相对于XYZ-01的位姿信息;XYZ-O2相对于XYZ-01的在X、Y、Z坐标轴上的偏移量分别为Tx1-2,Ty1-2,Tz1-2,转角偏移为γ1-2,β1-2,α1-2;XYZ-O3相对于XYZ-01的在X、Y、Z坐标轴上的偏移量分别为Tx1-3,Ty1-3,Tz1-3,转角偏移为γ1-3,β1-3,α1-3;
c)进行坐标转换计算,计算原理如下:
R=Au+T
以侧向激光雷达点云由XYZ-O2向XYZ-01转换为例,如下:
其中,R为XYZ-01坐标系下的坐标矩阵,其中x1为横坐标,y1为纵坐标,z1为垂直坐标;u为被转换坐标系XYZ-Oi的坐标矩阵,其中xi为横坐标,yi为纵坐标,zi为垂直坐标;T为三维方向的偏移量矩阵,其中Tx为横坐标方向偏移量,Ty为纵坐标方向偏移量,Tz为垂直坐标方向偏移量;A为旋转矩阵,其中α为x轴转角偏移量,β为y轴转角偏移量,γ为z轴转角偏移量;aij表示A矩阵中的元素;
原处于XYZ-O2坐标系中的点云数据通过旋转矩阵A和偏移矩阵T实现了向坐标系XYZ-01的转换。
8.根据权利要求6所述一种结构可调的多激光雷达耦合系统的控制方法,其特征在于,所述步骤三的具体方法如下:
a)运行定位算法,根据输入的高精度地图信息、IMU数据、GPS实时数据判断车辆的初始位置,并根据数据融合技术、同步定位技术得出车辆运动过程中的实时定位信息。
以马尔科夫定位说明定位过程,其具体算法如下:
Algorithm Markov_localization(bel(xt-1),ut,m):
for all xt do
bel(xt)=ηp(zt|xt,m)bel(xt)
endfor
return bel(xt)
其中,m表示地图;zt表示t时刻测量值;ut表示t时刻控制量;xt表示t时刻位姿;
机器人位姿初始信息以置信度bel(x0)表示;按照全局定位方法计算,初始位姿未知,bel(x0)由在地图上所有合法位姿空间上的均匀分布初始化:
式中,|X|为地图里所有位姿空间的体积;
根据计算得到的定位,从高精度地图中获取该位置下的限制车速;
b)根据获取的位置信息和速度信息进行工况判断:
当前位置为普通城市街区路段时,T时间内平均车速V不超过60km/h,则判定为城市环境高目标复杂度、低车速工况;
当前位置为城市快速路段时,T时间内平均车速V不超过80km/h,则判定为城市环境低目标复杂度、高车速工况;
当前位置为高速公路段,T时间内平均车速V不超过120km/h,则判定为高速公路环境低目标复杂度、高车速工况;
当前位置为高速公路段,T时间内平均车速不超过50km/h高速公路匝道及并线区高目标复杂度、低车速工况。
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