CN110353577B - 一种激光雷达点云数据去畸变的方法及扫地装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开激光雷达点云数据去畸变的方法及扫地装置，方法应用于具有激光雷达定位装置的可移动底盘，该可移动底盘可相对于自身进行平面旋转运动，所述激光雷达点云数据包括所述激光雷达定位装置的激光测量点角度θ_lds，所述方法包括如下步骤：S1、获取所述可移动底盘的旋转参数；S2、获取所述激光雷达定位装置的旋转扫描参数；S3、根据所述可移动底盘的旋转参数和所述激光雷达定位装置的旋转扫描参数的比值，获得所述激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k；S4、根据所述膨胀比率k，修正所述激光测量点角度θ_lds，获得修正后的激光测量点角度θ_{lds_fix}，以使所述具有激光雷达定位装置的可移动底盘准确定位。

Description

一种激光雷达点云数据去畸变的方法及扫地装置

技术领域

本发明涉及激光雷达测距定位技术，尤其涉及一种激光雷达点云数据去畸变的方法及扫地装置。

背景技术

目前，扫地机已逐渐成为每个家庭必不可少的清洁帮手，被越来越多的家庭所接受，产品也由初级智能向着更高程度的智能化程度发展，逐步的取代人工清洁。扫地机又称扫地机器人，采用的定位技术有超声波仿生侦测技术和激光雷达定位测距技术，前者可以做到像鲸鱼一样通过声波判定障碍物，后者可利用三角测距原理进行定位。

利用激光雷达定位测距的扫地机，通常是在在普通扫地机的基础上增加传感器，该传感器可包括激光雷达和摄像头，使得扫地机具备感知周围环境的能力。通常，扫地机上所使用的激光雷达，是指一种利用三角测距原理的激光测距装置，该装置具有一个水平旋转的激光转台，内置一个激光发射器和接收器，发射器发射的激光呈水平方向从转台中心向外辐射，当激光照射到物体表面后，发射光在接收器成像，由内置计算单元计算出物体表面距离雷达转台中心的距离，转台由一个电机驱动以约5～10Hz的固定频率持续旋转。

通常情况下，激光雷达水平固定安装在扫地机底盘的上表面上，激光转台和激光发射器、接收器须突出扫地机上表面，保证激光束不被扫地机本身(包括上表面)的任何物体遮挡。扫地机底盘通常呈近似圆盘状，位于圆盘大体对称的中轴线的两端对称安装有2个驱动轮，底盘前方安装有1个万向导向轮。该万向导向轮、左驱动轮和右驱动轮所在的三个点呈对称三角形，底盘重心位于该三角形内部，保证底盘水平稳定放置于地面。左右驱动轮分别由1个电机驱动，可做正反向旋转，共同完成差速驱动。当左右轮沿同一个方向等速旋转，扫地机就朝该方向直线运动，当左右轮不等速或方向相反时，扫地机即产生公转和自转，完全的自转是原地旋转，公转是边走边旋转。在技术层面上，可简单的将扫地机划分成激光雷达装置和底盘。

然而，激光雷达在旋转采集周围环境的点云信息时，由于扫地机的底盘也在旋转，导致了激光雷达扫描的每一个测量激光点角度与实际测量角度发生了偏差，导致了激光点云数据的失真和畸变。点云就是所有激光测量点所在位置在雷达坐标系下的x，y坐标集合。激光雷达规定了一条通过雷达转台中心的水平轴线方向是x轴，当激光束发射方向跟该轴方向重合，我们称这个位置方向为0度位置，则激光测量点角度指一束测距激光束相对0度位置的夹角。例如，若扫地机底盘与激光雷达同向旋转，则激光雷达扫描环境一周实际所需的时间要少于底盘无旋转时其扫描环境一周所需的时间，也就是说，在扫地机上的激光雷达在较短的时间内完成了一周360度的环境扫描，而激光雷达并没有察觉上述差异；同样的，激光雷达认为是自身刚好旋转360度的采样，而实际采集到的激光测量点是激光雷达相对地面旋转大于360度的采样结果，因为底盘与激光雷达同向旋转，反之亦然，这就造成了激光雷达扫描一帧的数据产生畸变。

总体来看，产生上述问题的主要原因在于，当底盘静止时，激光雷达扫描一圈才是真实环境的一圈，那么旋转一圈测量的点数是固定的。当底盘同向或反向旋转时，底盘的旋转叠加激光雷达的旋转，就会导致激光雷达自转的一圈对于真实环境会是多于一圈或者不足一圈，这对于后续定位算法来说，是一种不真实的信息，会导致错误的结果，例如定位偏差。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，为了消除具有激光雷达扫地机的定位偏差，获得相对周围环境真实的点云数据，本发明提供一种激光雷达点云数据去畸变的方法，应用于具有激光雷达定位装置的可移动底盘，该可移动底盘可相对于自身进行平面旋转运动，所述激光雷达点云数据包括所述激光雷达定位装置的激光测量点角度θ_lds，所述方法包括如下步骤：

S1、获取所述可移动底盘的旋转参数；

S2、获取所述激光雷达定位装置的旋转扫描参数；

S3、根据所述可移动底盘的旋转参数和所述激光雷达定位装置的旋转扫描参数的比值，获得所述激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k；

S4、根据所述膨胀比率k，修正所述激光测量点角度θ_lds，获得修正后的激光测量点角度θ_{lds_fix}，以使所述具有激光雷达定位装置的可移动底盘准确定位。

优选地，所述步骤S1中的所述可移动底盘的旋转参数为所述可移动底盘的旋转频率f。

优选地，所述步骤S2中的所述激光雷达定位装置的旋转扫描参数为所述激光雷达定位装置的扫描频率f1。

优选地，所述步骤S3中的所述激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k＝f/f1。

优选地，所述步骤S4具体包括：

当所述可移动底盘相对于所述激光雷达定位装置同向旋转时，θ_{lds_fix}＝θ_lds(1+k)；

当所述可移动底盘相对于所述激光雷达定位装置反向旋转时，θ_{lds_fix}＝θ_lds(1-k)。

优选地，在步骤S1中，根据所述可移动底盘的旋转角速率ω，获得所述可移动底盘的旋转频率f。

优选地，所述可移动底盘的旋转角速率ω由所述激光雷达定位装置或所述可移动底盘的惯性测量单元测量。

优选地，所述可移动底盘为具有激光雷达定位装置的机器人或扫地机。

本发明还提供一种扫地装置，具有激光雷达定位装置，利用上述任一项所述的激光雷达点云数据去畸变的方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优点或有益效果：

1、本发明通过获取可移动底盘的旋转参数与激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k，获得激光雷达定位装置相对于环境真实的点云信息，使得具有激光雷达定位装置的可移动底盘能够准确的定位。

2、本发明的方法应用于具有激光雷达定位装置的扫地机时，使得扫地机能够准确定位，绕开障碍物，更好的进行清扫工作。

3、本发明的方法还可进一步应用于各种具有激光雷达定位装置的可移动底盘的场景，比如各种需要准确定位的服务性机器人等。

附图说明

通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本公开的范围，其中所包括的附图是：

图1为本发明涉及的扫地机的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的激光雷达点云数据去畸变的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图以及实施例来详细说明本发明的实施方案，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

首先，本发明的基本设计理念是通过技术手段获得具有可移动底盘的激光雷达定位装置相对于环境的真实的点云信息。

实施例一

图1为本发明涉及的扫地机的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的激光雷达点云数据去畸变的方法流程图，以下结合图1和图2对本发明的方法进行详细说明。如图1，图2所示，在本实施例中，以具有激光雷达定位装置的扫地机为例对本发明的方法进行说明，该方法包括如下步骤：

S1、获取所述可移动底盘的旋转参数；

在本实施例中，可移动底盘(1)是指可使扫地机相对于地面进行旋转移动的扫地机底盘，在该步骤S1中，首先，通过扫地机的惯性测量单元的测量，获得扫地机底盘的旋转角速度ω，单位为弧度/秒或度/秒。然后，根据角速率公式ω＝2πf，获得扫地机底盘的旋转频率f，单位为赫兹(Hz)，表示扫地机底盘每秒所转的圈数。

S2、获取所述激光雷达定位装置的旋转扫描参数；

在本实施例中，激光雷达定位装置(2)可指扫地机上所携带的用于扫地机测距定位的激光雷达定位装置。激光雷达以自身的中轴为轴向四周呈水平方向从转台中心向外，由发射器辐射激光，当激光照射到物体表面后，反射光在接收器成像，由内置计算单元计算出物体表面距离雷达转台中心的距离。在该步骤S2中，所述激光雷达定位装置(2)的旋转扫描参数为激光雷达的扫描频率f1，单位为赫兹(Hz)，表示激光雷达每秒所转的圈数。

S3、根据所述可移动底盘的旋转参数和所述激光雷达定位装置的旋转扫描参数的比值，获得所述激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k；

在本实施例中，膨胀比率k为扫地机底盘的旋转频率f与激光雷达定位装置的扫描频率f1的比值，即k＝f/f1，k也可称为膨胀系数。

S4、根据所述膨胀比率k，修正所述激光测量点角度θ_lds，获得修正后的激光测量点角度θ_{lds_fix}，以使具有激光雷达定位装置的可移动底盘准确定位。

激光雷达定位装置规定了一条通过扫地机底盘中心的水平轴线方向为x轴，当激光束发射方向跟该轴方向重合时，可将这个位置方向称为0度位置，则激光测量点角度θ_lds是指一束测距激光束相对0度位置的夹角。由于扫地机底盘与激光雷达定位装置的相对旋转运动，修正前的激光测量点角度θ_lds会存在或大或小的偏差，即激光测量点角度θ_lds大于或者小于激光雷达定位装置实际的旋转扫描角度，这取决于可移动底盘相对于激光雷达定位装置同向旋转或是逆向旋转。在本实施例中，当可移动底盘相对于激光雷达定位装置同向旋转时，修正后的激光测量点角度θ_{lds_fix}＝θ_lds(1+k)；当可移动底盘相对于激光雷达定位装置反向旋转时，θ_{lds_fix}＝θ_lds(1-k)。

实施例二

下面通过具体的示例说明本发明的应用。

假设，具有激光雷达定位装置的扫地机的扫地机底盘的旋转频率f为0.5Hz，激光雷达定位装置的扫描频率f1为5Hz，可以获得膨胀系数k＝0.5/5＝0.1。当扫地机底盘相对于激光雷达定位装置同向旋转时，修正后的θ_{lds_fix}＝(1+0.1)*θ_lds＝1.1*θ_lds；当扫地机底盘相对于激光雷达定位装置反向旋转时，θ_{lds_fix}＝(1-0.1)*θ_lds＝0.9*θ_lds。当θ_lds为360度时，即激光雷达认为自己旋转了360度，在这种情况下，当扫地机底盘相对于激光雷达定位装置同向旋转时，实际的修正后的激光测量点角度θ_{lds_fix}为1.1*360＝396度，当扫地机底盘相对于激光雷达定位装置反向旋转时，实际的修正后的激光测量点角度θ_{lds_fix}为0.9*360＝324度。如此可获得激光雷达定位装置在任何相对旋转状况下的，任何旋转角度所对应的修正后的激光测量点角度。

在本实施例中，激光雷达定位装置的扫描频率f1为5Hz，则扫描一周的时间需要1000/5＝200ms。扫地机底盘以0.5Hz的频率相对于激光雷达定位装置同向旋转，则激光雷达定位装置扫描一周的时间实际上需要1000/(5+0.5)＝181.8ms，激光雷达相对自身实际旋转360*181.8/200＝327.24度就完成了相对地面360度的扫描，但是，激光雷达仍然继续扫描327.24-360度，同样的激光测量点数，激光雷达认为是自身刚好旋转360度的采样，而实际上这些激光测量点是激光雷达相对地面旋转了360*5.5/5＝396度的采样结果，这就造成了激光雷达扫描一帧的数据产生畸变。而本实施例的所提供的方法正好克服了这种畸变的产生。

本发明通过获取可移动底盘的旋转参数与激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k，获得激光雷达定位装置相对于环境真实的点云信息，使得激光雷达定位装置能够准确的定位。本发明的方法应用于具有激光雷达定位装置的扫地机时，使得扫地机能够准确定位，绕开障碍物，更好的进行清扫工作。本发明的方法还可进一步应用于各种具有激光雷达定位装置的可移动底盘的场景，比如各种需要准确定位的服务性机器人等。

本发明还提供一种扫地装置，具有激光雷达定位装置，利用上述实施例所述的激光雷达点云数据去畸变的方法，来确保扫地装置定位准确。

以上实施例仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以存在许多变形。凡是本领域的普通技术人员能以本发明公开的内容直接导出或是联想到的所有变形均应被认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光雷达点云数据去畸变的方法，应用于具有激光雷达定位装置的可移动底盘，该可移动底盘相对于自身进行平面旋转运动，所述激光雷达点云数据包括所述激光雷达定位装置的激光测量点角度θ_lds，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、获取所述可移动底盘的旋转速度参数，其中，所述可移动底盘的旋转速度参数为所述可移动底盘的旋转频率f；

S2、获取所述激光雷达定位装置的旋转扫描速度参数，其中，所述激光雷达定位装置的旋转扫描速度参数为所述激光雷达定位装置的扫描频率f1；

S3、根据所述可移动底盘的旋转速度参数和所述激光雷达定位装置的旋转扫描速度参数的比值，获得所述激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k；

S4、根据所述膨胀比率k，修正所述激光测量点角度θ_lds，获得修正后的激光测量点角度θ_lds＿fix，以使所述具有激光雷达定位装置的可移动底盘准确定位，包括：

当所述可移动底盘相对于所述激光雷达定位装置同向旋转时，θ_{ld_sfix}＝θ_lds(1+k)；

当所述可移动底盘相对于所述激光雷达定位装置反向旋转时，θ_{lds_fix}＝θ_lds(1-k)，

其中，所述激光测量点角度为测距激光与可移动底盘中心的水平轴线方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的激光雷达点云数据去畸变的方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述激光雷达定位装置的旋转扫描角度的膨胀比率k＝f/f1。

3.根据权利要求1所述的激光雷达点云数据去畸变的方法，其特征在于，在步骤S1中，根据所述可移动底盘的旋转角速率ω，获得所述可移动底盘的旋转频率f。

4.根据权利要求3所述的激光雷达点云数据去畸变的方法，其特征在于，所述可移动底盘的旋转角速率ω由所述激光雷达定位装置或所述可移动底盘的惯性测量单元测量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达点云数据去畸变的方法，其特征在于，所述可移动底盘为具有激光雷达定位装置的机器人或扫地机。

6.一种扫地装置，具有激光雷达定位装置，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的激光雷达点云数据去畸变的方法。

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