CN111679286B - 一种基于硬件加速的激光定位系统及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于硬件加速的激光定位系统及芯片，该激光定位系统的外围接口分别与地图数据存储介质和CPU存在电性连接关系，该激光定位系统包括读写控制器、AHB总线解析模块、命令参数配置模块、定位修正寄存器、地图匹配判断模块和坐标位置运算模块，与现有技术相比，该激光定位系统在定位修正寄存器内部配置一种支持软件算法调整配置的位置修正数值，使得坐标位置运算模块累加运算获得的目标点的修正坐标值能够适应不同的工作环境，也让激光定位系统处理坐标位置更为灵活，满足在不同的处理场景中的大批量激光点云数据处理，既能保证系统的稳定性，又保证定位目标点的灵活性。

Description

一种基于硬件加速的激光定位系统及芯片

技术领域

本发明涉及硬件电路加速的技术领域，具体涉及一种基于硬件加速的激光定位系统及芯片。

背景技术

移动机器人在采用激光雷达进行地图构建和定位时，由于激光雷达是360度旋转扫描环境障碍物轮廓信息的，所以激光雷达每旋转一圈就得到一批用于描述环境轮廓线段的激光点云数据，目前一般采取软件算法完成激光点云数据与栅格地图之间的匹配，从而得到移动机器人的当前位置信息。

其中，所述软件算法的基本流程是：CPU读取激光点云数据，再将激光点云数据与栅格地图进行一一匹配，得到有效的匹配结果，然后将结果写入到存储介质，软件通过对匹配结果进行处理，从而得到当前移动机器人的位置信息。现有的 SOC中的CPU在访问存储器时的基本流程为：CPU发出访问指令，经过AHB总线，查找到存储器所在的空间，对存储器进行访问。访问成功则存储器会对AHB总线发出成功响应的信号，同时送出其他CPU希望得到的数据，AHB总线将这些信号传导回CPU完成一次指令的操作。由于CPU的访问工作频率往往高于存储器的读写频率,以至于CPU每发出一条指令对存储器进行读写操作时都要等待好几个时钟周期才能获得存储器的响应，大大降低了CPU的运行效率。所以上述软件系统对激光点云数据反复读写、比对的操作通过CPU干预完成数据处理和传输是非常消耗软件资源的，并抢占了其他模块的CPU工作时间，影响其他模块的工作速度，尤其在大量的数据通信的时候会大大增加CPU的工作负担，严重影响整体芯片的性能。

为了解决上述问题，中国发明专利申请2018104028911公开一种激光陀螺仪数据的硬件加速电路，但是部分硬件运算参数是固定的，不便于根据移动机器人所处的工作环境的变化而进行适应性的参数调整配置，使得这个硬件加速电路处理激光点云数据不灵活，不适应多种工作环境下执行定位任务，进而影响算法执行效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，让读取的激光点云数据能够适应在更多工作环境定位，本发明提供一种基于硬件加速的激光定位系统，具体的技术方案如下：

一种基于硬件加速的激光定位系统，该激光定位系统的外围接口分别与地图数据存储介质和CPU存在电性连接关系，该激光定位系统包括读写控制器、AHB总线解析模块、命令参数配置模块、定位修正寄存器、地图匹配判断模块和坐标位置运算模块；CPU与命令参数配置模块存在电性连接关系，用于在激光定位系统启动处理激光数据之前，将地图数据存储介质的内部存储数据的读写配置信息发送至命令参数配置模块；读写控制器，用于在AHB总线解析模块的传输控制作用下，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息将地图数据存储介质的内部存储的激光点云数据突发读取入地图匹配判断模块；每当完成一次突发读取操作后，根据地图匹配判断模块对激光点云数据的匹配性判断结果，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息将地图数据存储介质的内部存储的相匹配的参考栅格数据单次读取入坐标位置运算模块；坐标位置运算模块，用于根据地图匹配判断模块对激光点云数据的匹配性判断结果，选择地图数据存储介质传输过来的参考栅格数据或定位修正寄存器内部配置的位置修正数值参与累加运算，直到读写控制器将用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据全部突发读取入地图匹配判断模块且在地图匹配判断模块内完成对激光点云数据的匹配性判断后，再将累加运算结果求平均值以获得该目标点的修正坐标值；其中，定位修正寄存器内部配置的位置修正数值是支持CPU预先配置的；读写控制器，还用于在AHB总线解析模块的传输控制作用下，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息，将坐标位置运算模块计算获得的预设定位数量的目标点的修正坐标值写入地图数据存储介质，再告知CPU从地图数据存储介质提取出预设定位数量的修正坐标值进行软件处理，以得到当前感测到的实际坐标位置。

与现有技术相比，由于定位修正寄存器内部配置的位置修正数值是支持软件算法调整配置的，让软件算法调整方便，使得累加运算获得的目标点的修正坐标值能够适应不同的工作环境，也让激光定位系统处理坐标位置更为灵活，进而提高地图定位算法执行效率。因此，本发明技术方案满足在不同的处理场景中的大批量激光点云数据处理，既能保证系统的稳定性，又保证定位目标点的灵活性，减少CPU访问频数，简化各个模块的读写时序。

进一步地，所述坐标位置运算模块，用于在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，控制所述地图数据存储介质传输过来的相匹配的参考栅格数据进行累加运算；所述坐标位置运算模块，还用于在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据没有匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，控制所述定位修正寄存器内部配置的位置修正数值加上原有的累加结果；所述坐标位置运算模块，还用于在所述地图匹配判断模块完成用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据的匹配性判断后，将累加运算结果求平均值以获得所述目标点的修正坐标值。在该技术方案中，所述参考栅格数据用来判断所述激光点云数据与构建的参考栅格地图的匹配性，在累加运算过程中通过施加修正值来获得新的定位数据，拼接到已经建立的参考栅格地图中完成地图纠正更新，充分考虑到不同工作环境所带来的定位误差因素，提高机器人建图定位的准确性。

进一步地，在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据没有匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，所述地图匹配判断模块用于触发所述定位修正寄存器往所述坐标位置运算模块传输其内部配置的位置修正数值，其中，位置修正数值是CPU预先配置给所述定位修正寄存器，使得位置修正数值用于修正地图数据存储介质传输过来的相匹配的参考栅格数据，以适应当前地图环境。

进一步地，所述地图数据存储介质包括激光数据存储子模块、参考栅格数据存储子模块和定位数据存储子模块；激光数据存储子模块，用于将激光雷达采集的所述激光点云数据存储在连续的地址存储单元中，其中，所述激光点云数据是二维坐标数据；参考栅格数据存储子模块，用于以二维数组的形式存储所述参考栅格数据，其中，所述参考栅格数据是根据预先构建的栅格地图而配置在二维平面坐标数据，所述预先配置的栅格地图坐标范围设置在参考栅格数据存储子模块内；定位数据存储子模块，用于存储所述坐标位置运算模块运算得到目标点的修正坐标值。方便外部寻址访问或者写入存储数据。

进一步地，所述读写控制器包括突发读取模块、单次读取模块和单次写模块；突发读取模块，用于在AHB总线解析模块的每一次突发传输控制作用下，按照所述命令参数配置模块配置的突发读取信息，将所述激光数据存储子模块存储的一个突发长度的激光点云数据连续读取入所述地图匹配判断模块内，实现完成一次突发读取操作；单次读取模块，用于每当突发读取模块完成一次突发读取操作后，若所述地图匹配判断模块判断到突发读取模块突发读取入的一个激光点云数据匹配到所述预先配置的栅格地图坐标范围内，则在AHB总线解析模块的一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次读取信息，将所述参考栅格数据存储子模块内部存储的相邻两个地址上相匹配的参考栅格数据读取入所述坐标位置运算模块参与累加运算；单次写模块，用于每当所述坐标位置运算模块求平均值获得一个所述目标点的修正坐标值后，在AHB总线解析模块的每一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次写信息，将这个修正坐标值写入所述定位数据存储子模块，然后触发所述激光定位系统给CPU发送中断信号，告知CPU从所述定位数据存储子模块的对应地址单元提取所述预设定位数量的修正坐标值，并通过软件处理以得到所述激光雷达感测的实际坐标位置。

相比于现有技术，本发明通过在CPU与存储模块之间增加基于AHB总线协议的读写控制器，替代CPU完成激光点云数据的读取、处理以及写出，整个读写转换过程需CPU预先配置数据存取地址和接收运算结果的中断通知，不需CPU重复查询等待每一次状态转换的结果，进而加速所述激光点云数据的匹配判断速度，加快所述参考栅格数据的运算定位速度；同时通过中断的方式告知CPU匹配处理的结果，当CPU取址指令真正到来时则可以实现直接响应无需等待的效果，节省系统指令开销。

进一步地，所述突发读取操作是所述读写控制器连续读取所述激光数据存储子模块内部的存储阵列的同一行内框定的一个突发长度的连续地址单元上的激光点云数据；其中，突发长度表示一次突发读操作下经由AHB总线解析模块控制传输的连续的地址单元的个数；其中，突发读取的数据个数与单次读取的数据个数的比值是预设整数值。该技术方案通过连续读取外部存储器件一个突发长度的数据，加速所述激光点云数据的匹配速度，减缓CPU资源占用紧张的情况。

进一步地，所述命令参数配置模块，用来配置所述激光数据存储子模块的基地址、所述参考栅格数据存储子模块的基地址、针对一个目标点所必需的所述激光点云数据的个数、所述定位数据存储子模块的基地址以及所述预设定位数量。该技术方案预先设置好相关的读写配置信息，可支持CPU软件调节，使得所述读写控制器读写数据更加灵活可控。

一种芯片，该芯片包括前述的激光定位系统。该芯片满足在不同的处理场景中的大批量激光点云数据处理，既能保证系统的稳定性，又保证定位目标点的灵活性，减少CPU访问频数，简化各个模块的读写时序。

附图说明

图1为本发明的一种基于硬件加速的激光定位系统及芯片的示意性框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。以下实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑电路单元，在实际应用中，一个逻辑电路单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本发明实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本发明实施方式中不存在其它的单元。

机器人采用360度的激光雷达扫描方式定位建图，其优点是建图成功率较高，能根据采集的激光点云数据实时矫正预先构建的地图。具体地，激光雷达内置动作旋转机构能支持激光雷达360度旋转，同时控制机器人跟随定位目标物体运动，所以激光雷达每旋转一圈就得到一批激光点云数据，激光点云数据即激光数据。本发明实施例中，采用逻辑电路模块控制所述激光点云数据连续与预先构建并存储的地图进行匹配，然后根据匹配的结果对预存的参考栅格坐标数值配置专门的修正数值进行累加求平均运算，再交由CPU软件处理得到矫正后的定位目标物体的位置信息，相对于现有技术根据匹配的结果对预存的参考栅格坐标数值配置数值一进行累加求平均运算，更加适应当前的环境特征，充分考虑到不同工作环境所带来的定位误差因素，提高机器人建图定位的准确性。这里的定位目标物体可以包括静态的物体和动态的物体。

图1为本发明实施提供的一种基于硬件加速的激光定位系统及芯片的示意性框图，该激光定位系统的外围接口分别与地图数据存储介质和CPU存在电性连接关系，该激光定位系统包括读写控制器、AHB总线解析模块、命令参数配置模块、定位修正寄存器、地图匹配判断模块和坐标位置运算模块；所述AHB总线解析模块，用于解析总线协议指令，将总线传送的数据信号和地址信号进行转化，在CPU发出取址指令后按照总线地址信号访问所述地图数据存储介质，从所述地图数据存储介质送入所述读写控制器；本发明实施中使用的总线协议是AHB总线协议，但不排除按照判断匹配和定位运算的要求使用其他总线协议来完成数据的传输。CPU与命令参数配置模块存在电性连接关系，用于在激光定位系统启动处理激光数据之前，将地图数据存储介质的内部存储数据的读写配置信息发送至命令参数配置模块；命令参数配置模块，用于接受所述读写控制器的工作状态信息和CPU的配置信息，并发出中断通知CPU去处理所述激光定位系统的可配置的运算结果。读写控制器，用于在AHB总线解析模块的传输控制作用下，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息将地图数据存储介质的内部存储的激光点云数据突发读取入地图匹配判断模块；每当完成一次突发读取操作后，根据地图匹配判断模块对激光点云数据的匹配性判断结果，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息将地图数据存储介质的内部存储的相匹配的参考栅格数据单次读取入坐标位置运算模块，其中，突发读取的数据个数与单次读取的数据个数的比值是预设整数值；坐标位置运算模块，用于根据地图匹配判断模块对激光点云数据的匹配性判断结果，选择地图数据存储介质传输过来的参考栅格数据或定位修正寄存器内部配置的位置修正数值参与累加运算，直到读写控制器将用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据全部突发读取入地图匹配判断模块且在地图匹配判断模块内完成对激光点云数据的匹配性判断后，再将累加运算结果求平均值以获得该目标点的修正坐标值；读写控制器，还用于在AHB总线解析模块的传输控制作用下，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息，将坐标位置运算模块计算获得的预设定位数量的目标点的修正坐标值写入地图数据存储介质，再告知CPU从地图数据存储介质提取出预设定位数量的修正坐标值进行软件处理，以得到当前感测到的实际坐标位置。

需要说明的是，所述激光点云数据是二维坐标数据，包括栅格坐标系X轴和Y轴方向上的数据。本发明实施中，从所述地图数据存储介质往所述读写控制器传输的数据都是先暂存在所述激光定位系统专门开设的缓冲区中，等待读写控制器在AHB总线解析模块的控制下调度使用。

本实施例根据地图匹配判断模块对突发传输而来的激光点云数据的匹配性判断结果，控制坐标位置运算模块选择定位修正寄存器内部配置的位置修正数值参与累加运算，待到用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据全部完成匹配性判断和累加运算后，再将累加运算结果求平均值以获得该目标点的修正坐标值，通过重复前述的目标点的修正坐标值的匹配运算方法以获得预设定位数量的目标点的修正坐标值，再在这一时刻才给CPU发中断信号，由于定位修正寄存器内部配置的位置修正数值是支持软件算法调整配置的，开发者根据实际工作感测环境进行软件算法调整定位修正寄存器内的位置修正数值，使得累加运算获得的目标点的修正坐标值能够适应不同的工作环境，也让激光定位系统处理坐标位置更为灵活，进而提高地图定位算法执行效率。因此，本发明技术方案满足在不同的处理场景中的大批量激光点云数据处理，既能保证系统的稳定性，又保证定位目标点的灵活性，减少CPU访问频数，简化各个模块的读写时序。

作为一种发明实施方式，所述坐标位置运算模块根据地图匹配判断模块对激光点云数据的匹配性判断结果，选择地图数据存储介质传输过来的参考栅格数据或定位修正寄存器内部配置的位置修正数值参与累加运算的方法流程具体包括：当所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，所述坐标位置运算模块控制所述地图数据存储介质传输过来的相匹配的参考栅格数据进行累加运算，即把当前传输过来的相匹配的参考栅格数据加上上一次的累加运算结果；当所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据没有匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，所述坐标位置运算模块控制所述定位修正寄存器内部配置的位置修正数值进行累加运算，即把所述定位修正寄存器内部配置的位置修正数值加上上一次的累加运算结果。当所述读写控制器将用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据全部突发读取入地图匹配判断模块且在地图匹配判断模块内完成对激光点云数据的匹配性判断后，所述坐标位置运算模块将累加运算结果对用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据对应的数据个数求平均值以获得所述目标点的修正坐标值。在本实施例中，所述参考栅格数据用来判断所述激光点云数据与构建的参考栅格地图的匹配性，在累加运算过程中通过施加修正值来获得新的定位数据，拼接到已经建立的参考栅格地图中完成地图纠正更新，充分考虑到不同工作环境所带来的定位误差因素，提高机器人建图定位的准确性。

示例性地，所述地图数据存储介质保存基于一个目标点而采集320个所述激光点云数据（即640个数据），读写控制器在AHB总线解析模块的传输控制作用下，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息，在一次突发读操作下获取16个连续地址上的所述激光点云数据，每当地图匹配判断模块判断完1个所述激光点云数据（等效于X轴和Y轴上的数据）落入预先配置的坐标范围，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息将地图数据存储介质的内部存储的相匹配的2个参考栅格数据单次读取入坐标位置运算模块参与累加运算；当所述激光点云数据不在预先配置的坐标范围内时，将所述定位修正寄存器内部配置的位置修正数值送入坐标位置运算模块加上累加结果，实现将不匹配的所述激光点云数据拉回预先配置的坐标范围内，以适应当前工作环境。当判断完传输入所述激光定位系统中的320个所述激光点云数据的匹配情况后，完成所述参考栅格数据和所述位置修正数值的累加求平均运算后，相当于完成1次单次写操作，40次突发读操作，640次累加，在单次读操作中计算所述累加结果的平均值，即一个目标点的修正坐标值。需要说明的是，本发明实施例读写控制器一次性连续读取16个连续地址单元上激光点云数据进行匹配性判断，既满足栅格地图数据的相似性匹配要求，又提高总线读写效率，进而提高栅格数据的匹配速度。前述的匹配是判断传感器在局部环境采集的激光点云数据是否能够匹配到已经建立的参考栅格地图位置上，所采用的主要算法包括迭代最近点、图优化计算等本领域技术人员常用的算法，故不再赘述。

优选地，在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据没有匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，所述地图匹配判断模块用于触发所述定位修正寄存器往所述坐标位置运算模块传输其内部配置的位置修正数值，其中，位置修正数值是CPU预先配置给所述定位修正寄存器，使得位置修正数值通过参与前述累加运算来修正地图数据存储介质传输过来的相匹配的参考栅格数据，方便预先通过软件算法调整参数以适应当前地图环境，较为灵活。

作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，与所述激光定位系统进行数据交互的地图数据存储介质，内部是一个存储阵列，即将数据“填”进去，和表格的检索原理一样，先指定一个行，再指定一个列，就准确地找到所必需的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。对于内存，这个单元格可称为存储单元,那么这个表格（存储阵列）就是逻辑 Bank（Logical Bank，下面简称Bank）。因此，本发明实施在所述地图数据存储介质中，使用3个Bank分别作为激光数据存储子模块、参考栅格数据存储子模块和定位数据存储子模块。激光数据存储子模块，用于将激光雷达采集的所述激光点云数据存储在连续的地址存储单元中，其中，所述激光点云数据是二维坐标数据；参考栅格数据存储子模块，用于以二维数组的形式存储所述参考栅格数据，其中，所述参考栅格数据是根据预先构建的栅格地图而配置在二维平面坐标数据，所述预先配置的栅格地图坐标范围设置在参考栅格数据存储子模块内；定位数据存储子模块，用于存储所述坐标位置运算模块运算得到的目标点的修正坐标值。

优选地，在所述读写控制器通过所述AHB总线解析模块与所述地图数据存储介质进行数据交互的过程中，发出的地址都是对齐的，所述对齐地址是对所述地图数据存储介质的存储空间（逻辑 Bank）的一种划分，在外部访问读取或者存储数据时，要以这种划分为前提进行，对齐地址是由每拍传输的数据的宽度来决定的。本发明实施中，所述激光定位系统为了实现激光雷达定位采样预设定位数量的目标点，针对每一个目标点采集的320个激光点云数据（2的倍数），对应320个二维坐标数据，每个坐标点包括x轴方向的32位数据和y轴方向的32位数据，所述激光点云数据经过激光雷达采集后存储在激光数据存储子模块内部的存储阵列中。所述参考栅格数据存储子模块内部存储阵列的位宽定义为16位，并以map[MAP_H][MAP_W]的二维数组的形式保存在离散的存储单元中，使得所述参考栅格数据存储子模块中具体的存储单元有相对应的索引号，方便外部的访问，其中变量MAP_H和MAP_W分别代表对应存储阵列的长和宽，它们的数值大小都设置为801。所述参考栅格数据是根据预先构建的栅格地图而配置在所述参考栅格数据存储子模块内的二维数组，用来判断所述激光点云数据与构建的栅格地图的匹配性，有利于提高激光雷达定位的准确性。

如图1所示，所述读写控制器包括突发读取模块、单次读取模块和单次写模块；突发读取模块，用于在AHB总线解析模块的每一次突发传输控制作用下，按照所述命令参数配置模块配置的突发读取信息，将所述激光数据存储子模块存储的一个突发长度的地址单元的激光点云数据一次性读取入所述地图匹配判断模块内，实现完成一次突发读取操作；单次读取模块，用于每当突发读取模块完成一次突发读取操作后，若所述地图匹配判断模块判断到突发读取模块突发读取入的激光点云数据匹配到所述预先配置的栅格地图坐标范围内，则在AHB总线解析模块的每一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次读取信息，将所述参考栅格数据存储子模块内部存储的相邻两个地址上相匹配的参考栅格数据读取入所述坐标位置运算模块；单次写模块，用于每当所述坐标位置运算模块求平均值获得的一个所述目标点的修正坐标值后，在AHB总线解析模块的每一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次写信息，将这个修正坐标值写入所述定位数据存储子模块，然后触发所述激光定位系统给CPU发送中断信号，告知CPU从所述定位数据存储子模块的对应地址单元提取所述预设定位数量的修正坐标值，并通过软件处理以得到所述激光雷达感测的实际坐标位置。相比于现有技术，本发明实施例通过在CPU与存储模块之间增加基于AHB总线协议的读写控制器，替代CPU完成激光点云数据的读取、处理以及写出，整个读写转换过程需CPU预先配置数据存取地址和接收运算结果的中断通知，不必需CPU重复查询等待每一次状态转换的结果，无需CPU的其他干预来完成数据交互。进而加速所述激光点云数据的匹配判断速度，加快所述参考栅格数据的运算定位速度；同时通过中断的方式告知CPU匹配处理的结果，当CPU取址指令真正到来时则可以实现直接响应无需等待的效果，节省系统指令开销。

需要说明的是，突发读取模块、单次读取模块和单次写模块都是由硬件语言实现的状态机，该状态机是由状态寄存器和组合逻辑电路构成，用于调度AHB总线解析模块、命令参数配置模块、定位修正寄存器、地图匹配判断模块和坐标位置运算模块的读写工作状态运转，使得本发明实施例中涉及的功能模块组成数字运算电路。然后按照AHB总线协议的规定，在本实施例下，所述突发读取操作是所述读写控制器连续读取所述激光数据存储子模块的同一行内框定的一个突发长度的连续地址单元上的激光点云数据；其中，突发长度表示一次突发读操作下经由AHB总线解析模块控制传输的连续地址单元的个数；其中，突发读取的数据个数与单次读取的数据个数的比值是预设整数值。该技术方案通过突发读取外部存储器件，加速所述激光点云数据的匹配速度，减缓CPU资源占用紧张的情况。

作为本发明的一种实施方式，CPU发出使能指令，所述激光雷达基于第一个目标点采集了320个所述激光点云数据（2的倍数），即640个数据。所述激光定位系统从CPU配置的所述激光数据存储子模块的基地址开始，在一次操作中连续读取激光数据存储子模块的存储阵列同一行框定的16个连续地址单元，然后交由所述地图匹配判断模块判断所述激光点云数据是否与所述参考栅格数据存储子模块的存储阵列中预先配置的所述参考栅格数据匹配，即是否落入到所述预先配置的坐标范围内，以决定后续所述单次读取模块的操作。当突发读取模块完成一次突发读取前述16个连续地址单元后，突发读取模块停止突发读操作。由于每个所述激光点云数据（包括X轴方向和Y轴方向上的数据）是32位数据，本发明实施公开的AHB总线解析模块规定读写总线是32位宽的，而所述参考栅格数据存储子模块所存储的所述参考栅格数据的二维数组是16位数据，故在所述激光点云数据的匹配成功时，所述单次读取模块启动工作，从所述参考栅格数据存储子模块的基地址开始连续读取相邻两个地址单元的参考栅格数据。因此，每一次所述突发读操作过程中，所述地图数据存储模块一次传输16个数据；而所述单次读模式一次传输2个数据，那么对于一次所述突发读操作，相应地必需进行8次栅格地图匹配性判断才能完成激光数据存储子模块的16个连续地址单元上的激光点云数据的匹配性判断，但是所述单次读取模块从所述参考栅格数据存储子模块执行单次读操作的次数不一定是8次，这与匹配成功的所述激光点云数据的个数相等。所述参考栅格数据可以是x轴栅格数据或y轴栅格数据，对于一个二维平面坐标点的x轴坐标、y轴坐标一定是连续存储的。

可以理解地，在所述突发读取模块结束所述突发读操作后，所述地图匹配判断模块判断激光数据存储子模块传输过来的所述激光点云数据是否落入所述预先配置的坐标范围内，是则将所述单次读取模块获取的相匹配的所述参考栅格数据送入所述坐标位置运算模块进行累加，否则将定位修正寄存器内部配置的位置修正数值送入所述坐标位置运算模块进行累加运算。其中，相匹配的所述参考栅格数据是所述激光点云数据在所述预先配置的坐标范围内相匹配的栅格坐标。比如，一次突发读操作传输来16个32位数据，经过所述地图匹配判断模块判断获知其中只有6个数据匹配落入到所述预先配置的坐标范围内，则通过所述单次读取模块执行6次单次读操作，来从所述参考栅格数据存储子模块获取的相匹配的所述参考栅格数据送入所述坐标位置运算模块进行累加；而所述地图匹配判断模块判断到的其余10个数据未落入所述预先配置的坐标范围内，将定位修正寄存器内部配置的位置修正数值送入所述坐标位置运算模块进行累加，一共送入10个位置修正数值参与累加运算。当所述坐标位置运算模块完成这16次累加运算后，所述单次读取模块也停止单次读操作，以使得所述地图数据存储介质有额外的时间来提供地址信号，阻止其他访问请求的干扰。

所述地图匹配判断模块完成匹配性判断当前一次突发读操作传输来的激光数据存储子模块的当前一行框定的16个地址单元上的数据后，所述单次读取模块还会给AHB总线解析模块一个响应信号，再在AHB总线解析模块的新的一次突发传输控制作用下，所述突发读取模块重新启动，按照所述命令参数配置模块配置的突发读取信息，连续读取激光数据存储子模块的下一行框定的16个地址单元上的数据，当所述突发读取模块完成一次突发读操作时，所述突发读取模块停止突发读操作，再由所述地图匹配判断模块对所述激光点云数据进行匹配判断；若所述地图匹配判断模块判断到所述突发读取模块突发读取入的其中一个激光点云数据匹配到所述预先配置的栅格地图坐标范围内，则所述单次读取模块重新启动单次读操作，然后在AHB总线解析模块的一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次读取信息，将所述参考栅格数据存储子模块内部存储的相邻两个地址上相匹配的参考栅格数据读取入所述坐标位置运算模块；若所述地图匹配判断模块判断到所述突发读取模块突发读取入的其中一个激光点云数据没有匹配到所述预先配置的栅格地图坐标范围内，所述坐标位置运算模块控制所述定位修正寄存器内部配置的位置修正数值执行累加运算。因此，所述坐标位置运算模块根据所述地图匹配判断模块对所述激光点云数据的判断匹配情况累加16次，而所述地图匹配判断模块已经完成这8次的栅格地图匹配性判断，然后所述单次读取模块也停止单次读操作。

当所述地图匹配判断模块没有完成用于定位一个目标点所需的320个所述激光点云数据的匹配性判断时，重复上述步骤，可以重复启动所述突发读取模块执行突发读操作40次，直到读取完从所述激光数据存储子模块中基于第一个目标点采集了320个所述激光点云数据（2的倍数），然后通过所述地图匹配判断模块的匹配性判断，所述坐标位置运算模块将其累加结果对640求平均值，以获得该目标点的修正坐标值。然后所述单次写模块开始启动工作。

在所述坐标位置运算模块运算获得一个所述目标点的修正坐标值后，所述单次写模块在AHB总线解析模块的每一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次写信息，将所述坐标位置运算模块求平均值所获得的修正坐标值写入所述定位数据存储子模块，同时所述单次写模块停止单次写操作。由于CPU预先在所述命令参数配置模块内配置好所述预设定位数量，故所述单次写模块在检测到写入所述定位数据存储子模块的目标点的修正坐标值的个数没有达到所述预设定位数量时，所述突发读取模块在所述单次写模块停止单次写操作之后，会重新启动突发读操作，继续按照前述流程步骤处理基于第二个目标点采集的所述激光点云数据，直到所述坐标位置运算模块完成运算出预设定位数量的目标点的修正坐标值。

值得说明的是，所述突发读取操作是所述读写控制器连续读取所述激光数据存储子模块的同一行内框定的一个突发长度的连续地址单元上的激光点云数据；其中，突发长度表示一次突发读操作下经由AHB总线解析模块控制传输的地址单元的个数；其中，突发读取的数据个数与单次读取的数据个数的比值是预设整数值。本实施例通过突发读取外部存储器件，加速所述激光点云数据的匹配速度，减缓CPU资源占用紧张的情况。

具体地，突发读模式是所述突发读取模块一次操作中连续读取所述所述激光数据存储子模块的激光点云数据存储阵列的同一行内框定的所有地址单元；而单次读模式是所述单次读取模块一次操作中读取所述参考栅格数据存储子模块的参考栅格数据存储阵列的框定的预定数量的地址单元。所述突发读模式下CPU指定所述激光数据存储子模块的基地址与突发长度。本发明实施中指定突发长度为16个数据，每进行一次突发读操作，传输16个数据，传输数据宽度为32位，每个激光点云数据对应存储单元的地址值都是4（以字节为单位）的整数倍，即对齐地址，每传输完一个所述激光点云数据则按照所述对齐地址去读取下一个地址单元。如果读取到所述激光数据存储子模块的当前行中的地址边界（即第16个所述对齐地址）时，由当前行切换到下一行继续读取。

作为本发明的具体实施例，如图1所示，所述突发读取模块被激活进入突发读工作模式时，按照CPU指定所述激光点云数据表的基地址与突发长度，将所述激光数据存储子模块存储的一个突发长度的激光点云数据连续读取入所述地图匹配判断模块内。本发明实施中指定突发长度为16个数据，在同一行内对框定的16个地址单元连续读取操作，在AHB总线解析模块的每一次突发传输控制作用下，所述激光数据存储子模块向所述突发读取模块传输相应连续地址上的数据。当突发读取16个地址单元后，这些突发输入的数据临时保存在所述突发读取模块的缓冲区内，所述地图匹配判断模块通过判断缓冲区内的数据是否落入所述预先配置的坐标范围内以决定后续的运算操作，而所述突发读取模块停止当前一次突发读取操作，然后激活所述单次读取模块。

作为本发明的具体实施例，如图1所示，所述单次读取模块被激活进入单次读工作模式时，由于所述突发读操作过程中传输给所述突发读取模块的激光点云数据是32位数据，而所述参考栅格数据存储子模块内的二维数组是16位数据，故在单次读操作下，所述单次读取模块在所述地图匹配判断模块匹配成功的条件下，相应地从所述参考栅格数据存储子模块中连续读取2个地址单元，并将对应地址单元上的所述参考栅格数据传输到所述单次读取模块的缓冲区内中，控制所述参考栅格数据进入所述坐标位置运算模块执行累加运算，当所述坐标位置运算模块执行16次累加运算后，所述单次读取模块停止单次读操作，具体地，所述单次读取模块停止单次读操作后，如果所述地图匹配判断模块没有完成用于定位一个目标点所需的320个所述激光点云数据的匹配性判断，可以重复启动所述突发读取模块执行突发读操作，否则所述坐标位置运算模块对当前的累加运算结果求平均值获得这个目标点的修正坐标值。

作为本发明的具体实施例，如图1所示，当所述坐标位置运算模块运算获得一个所述目标点的修正坐标值后，所述单次写模块被激活进入单次写工作模式，在AHB总线解析模块的每一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次写信息，将所述坐标位置运算模块求平均值所获得的修正坐标值写入所述定位数据存储子模块，然后所述单次写模块停止单次写操作。所述修正坐标值来源于：所述地图匹配判断模块把基于所述预设定位数量的目标点而必须采集所有所述激光点云数据进行匹配判断后，所述坐标位置运算模块通过计算所述单次读取模块单次读入的标准的栅格数据或定位修正寄存器内部配置的适应环境变化的位置修正数值的累加结果而获得的平均值，其中所述预设定位数量是所述单次写模块重复执行的次数，与软件配置所述激光雷达的定位所需的目标点的个数相关。

在本实施例中，所述预设定位数量设置为9，为了实现所述激光雷达的定位而采集9个目标点。用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据为320个所述激光点云数据。每一次所述单次写操作中，将所述单次读操作中参与匹配性判断的640个坐标数据（320个所述激光点云数据）对应匹配的所述参考栅格数据的所述累加结果以及所述激光点云数据不匹配的情况下输入的位置修正数值的累加结果的和值的平均值写入所述定位数据存储子模块。

所述激光定位系统按照前述模块处理步骤，处理完9个目标点的所述激光点云数据后，得到9个修正坐标值，所述定位数据存储子模块将这9个修正坐标值移交CPU进行软件处理，从而得到激光雷达当前感测到的实际坐标位置。具体地，当处理完9个所述目标点对应的所有激光点云数据后，得到9个修正坐标值，并且，每计算出1个所述目标点的修正坐标值的同时，将该修正坐标值写入所述定位数据存储子模块，每写入所述定位数据存储子模块9个所述目标点，则触发所述激光定位系统给CPU发送中断信号，告知CPU从所述定位数据存储子模块的对应地址单元提取所述预设定位数量的修正坐标值，便于软件应用层进行下一步的操作，不需CPU重复查询等待每一次读写匹配判断的状态转换的结果，节省软件指令开销，减小整个过程的耗时。

本发明实施中，所述命令参数配置模块，用来配置所述激光数据存储子模块的基地址、所述参考栅格数据存储子模块的基地址、针对一个目标点所必需的所述激光点云数据的个数、所述定位数据存储子模块的基地址以及所述激光雷达执行定位而配置的所述预设定位数量。其中，所述参考栅格数据存储子模块的基地址是所述单次读取模块在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内，且刚进入单次读工作模式时，从所述参考栅格数据存储子模块中首先读取的第一个参考栅格数据对应的存储阵列地址；所述激光数据存储子模块的基地址是所述突发读取模块刚进入所述突发读工作模式时，从所述激光数据存储子模块中首先读取第一个激光点云数据对应的存储阵列地址（可以是x轴坐标的存储地址）；所述定位数据存储子模块的基地址是在所述坐标位置运算模块完成用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据相匹配的参考栅格数据和所述定位修正寄存器内部配置的位置修正数值的累加求平均运算获得相应目标点的修正坐标值，所述单次写模块进入所述单次写工作模式时，第一个目标点的修正坐标值写入所述定位数据存储子模块的地址。

一种芯片，该芯片包括前述的激光定位系统。该芯片满足在不同的处理场景中的大批量激光点云数据处理，既能保证系统的稳定性，又保证定位目标点的灵活性，减少CPU访问频数，简化各个模块的读写时序。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统、芯片，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统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。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目。

Claims (8)

1.一种基于硬件加速的激光定位系统，其特征在于，该激光定位系统的外围接口分别与地图数据存储介质和CPU存在电性连接关系，该激光定位系统包括读写控制器、AHB总线解析模块、命令参数配置模块、定位修正寄存器、地图匹配判断模块和坐标位置运算模块；

CPU与命令参数配置模块存在电性连接关系，用于在激光定位系统启动处理激光数据之前，将地图数据存储介质的内部存储数据的读写配置信息发送至命令参数配置模块；

读写控制器，用于在AHB总线解析模块的传输控制作用下，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息将地图数据存储介质的内部存储的激光点云数据突发读取入地图匹配判断模块；每当完成一次突发读取操作后，根据地图匹配判断模块对激光点云数据的匹配性判断结果，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息将地图数据存储介质的内部存储的相匹配的参考栅格数据单次读取入坐标位置运算模块；

坐标位置运算模块，用于根据地图匹配判断模块对激光点云数据的匹配性判断结果，选择地图数据存储介质传输过来的参考栅格数据或定位修正寄存器内部配置的位置修正数值参与累加运算，直到读写控制器将用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据全部突发读取入地图匹配判断模块且在地图匹配判断模块内完成对激光点云数据的匹配性判断后，再将累加运算结果求平均值以获得该目标点的修正坐标值；其中，定位修正寄存器内部配置的位置修正数值是支持CPU预先配置的；

读写控制器，还用于在AHB总线解析模块的传输控制作用下，按照命令参数配置模块接收的读写配置信息，将坐标位置运算模块计算获得的预设定位数量的目标点的修正坐标值写入地图数据存储介质，再告知CPU从地图数据存储介质提取出预设定位数量的修正坐标值进行软件处理，以得到当前感测到的实际坐标位置。

2.根据权利要求1所述激光定位系统，其特征在于，所述坐标位置运算模块，用于在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，控制所述地图数据存储介质传输过来的相匹配的参考栅格数据进行累加运算；

所述坐标位置运算模块，还用于在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据没有匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，控制所述定位修正寄存器内部配置的位置修正数值加上原有的累加结果；

所述坐标位置运算模块，还用于在所述地图匹配判断模块完成用于定位一个目标点所必需的所有激光点云数据的匹配性判断后，将累加运算结果求平均值以获得所述目标点的修正坐标值。

3.根据权利要求1或2所述激光定位系统，其特征在于，在所述地图匹配判断模块判断到所述激光点云数据没有匹配到预先配置的栅格地图坐标范围内时，所述地图匹配判断模块用于触发所述定位修正寄存器往所述坐标位置运算模块传输其内部配置的位置修正数值，其中，位置修正数值是CPU预先配置给所述定位修正寄存器，使得位置修正数值用于修正地图数据存储介质传输过来的相匹配的参考栅格数据，以适应当前地图环境。

4.根据权利要求3所述激光定位系统，其特征在于，所述地图数据存储介质包括激光数据存储子模块、参考栅格数据存储子模块和定位数据存储子模块；

激光数据存储子模块，用于将激光雷达采集的所述激光点云数据存储在连续的地址存储单元中，其中，所述激光点云数据是二维坐标数据；

参考栅格数据存储子模块，用于以二维数组的形式存储所述参考栅格数据，其中，所述参考栅格数据是根据预先构建的栅格地图而配置在二维平面坐标数据，所述预先配置的栅格地图坐标范围设置在参考栅格数据存储子模块内；

定位数据存储子模块，用于存储所述坐标位置运算模块运算得到目标点的修正坐标值。

5.根据权利要求4所述激光定位系统，其特征在于，所述读写控制器包括突发读取模块、单次读取模块和单次写模块；

突发读取模块，用于在AHB总线解析模块的每一次突发传输控制作用下，按照所述命令参数配置模块配置的突发读取信息，将所述激光数据存储子模块存储的一个突发长度的激光点云数据连续读取入所述地图匹配判断模块内，实现完成一次突发读取操作；

单次读取模块，用于每当突发读取模块完成一次突发读取操作后，若所述地图匹配判断模块判断到突发读取模块突发读取入的一个激光点云数据匹配到所述预先配置的栅格地图坐标范围内，则在AHB总线解析模块的一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次读取信息，将所述参考栅格数据存储子模块内部存储的相邻两个地址上相匹配的参考栅格数据读取入所述坐标位置运算模块参与累加运算；

单次写模块，用于每当所述坐标位置运算模块求平均值获得一个所述目标点的修正坐标值后，在AHB总线解析模块的每一次单次传输控制作用下，按照命令参数配置模块配置的单次写信息，将这个修正坐标值写入所述定位数据存储子模块，然后触发所述激光定位系统给CPU发送中断信号，告知CPU从所述定位数据存储子模块的对应地址单元提取所述预设定位数量的修正坐标值，并通过软件处理以得到所述激光雷达感测的实际坐标位置。

6.根据权利要求5所述激光定位系统，其特征在于，所述突发读取操作是所述读写控制器连续读取所述激光数据存储子模块内部的存储阵列的同一行内框定的一个突发长度的连续地址单元上的激光点云数据；

其中，突发长度表示一次突发读操作下经由AHB总线解析模块控制传输的连续的地址单元的个数；

其中，突发读取的数据个数与单次读取的数据个数的比值是预设整数值。

7.根据权利要求6所述激光定位系统，其特征在于，所述命令参数配置模块，用来配置所述激光数据存储子模块的基地址、所述参考栅格数据存储子模块的基地址、针对一个目标点所必需的所述激光点云数据的个数、所述定位数据存储子模块的基地址以及所述预设定位数量。

8.一种芯片，其特征在于，该芯片包括权利要求1至7任一项所述激光定位系统。

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