CN111736114A

CN111736114A - 一种提高激光雷达数据传输速度的方法和激光雷达

Info

Publication number: CN111736114A
Application number: CN202010846638.2A
Authority: CN
Inventors: 张石; 李亚锋; 鲁佶; 陈俊麟
Original assignee: Wuhan Kyle Optics Technology Co ltd
Current assignee: Wuhan Kyle Optics Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: CN111736114B

Abstract

本发明公开了一种提高激光雷达数据传输速度的方法和激光雷达，方法包括：对目标物体进行扫描，获取目标物体相对于激光雷达的目标距离；判断激光雷达的各个扫描线数的角度分辨率是否相同；若相同，则将角度分辨率上传至外部控制装置，将目标距离发送至外部控制装置；若不相同，则对每个扫描线数的角度分辨率进行编码，得到角度分辨率与编码值的关联关系，将关联关系发送至外部控制装置；针对每一个扫描线数，将目标距离发送至外部控制装置，且在首次传输目标距离时，将相应的编码值发送至外部控制装置。在本发明中，对角度信息进行压缩，无需传输每一个角度信息，大大减少传输角度信息所占的数据容量，提升激光雷达和外部系统之间的数据传输效率。

Description

一种提高激光雷达数据传输速度的方法和激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种提高激光雷达数据传输速度的方法和激光雷达。

背景技术

激光雷达可获取周围环境的三维空间点云和坐标信息，广泛应用在地理信息探测、工业监测、自动驾驶等领域。激光雷达属于空间目标信息的传感器，是点云数据的获取端，在获取数据的同时，也需要把相关数据快速传递给外部处理系统，进行后续的点云数据处理。随着激光雷达技术的发展，扫描线数、测试距离、角度分辨率、扫描速度等指标取得了极大的进展。上述指标的进步，有助于激光雷达设备获取更多具体的空间信息，完成更为精细的目标识别，提供更多的空间三维目标。但同时，也引入了一个新的问题，即激光雷达同时获取的三维点云数据量越来越大，对外部控制装置传输带宽的要求也越来越高，当点云数据量增加到超过传输带宽的时候，只能增加系统的传输时延，难以实现系统的快速、实时响应。

鉴于此，克服该现有技术产品所存在的不足是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提高激光雷达数据传输速度的方法和激光雷达，其目的在于对角度信息进行压缩，提升激光雷达和外部系统之间的数据传输效率，由此解决激光雷达点云数据过多而影响其和外部控制装置之间的传输效率的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提高激光雷达数据传输速度的方法，所述方法包括：

对目标物体进行扫描，获取所述目标物体相对于激光雷达的目标距离；

判断激光雷达的各个扫描线数的角度分辨率是否相同；

若相同，则将角度分辨率上传至外部控制装置，将所述目标距离发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据角度分辨率得到每个所述目标距离对应的目标角度；

若不相同，则对每个扫描线数的角度分辨率进行编码，得到角度分辨率与编码值的关联关系，将所述关联关系发送至所述外部控制装置；

针对每一个扫描线数，将所述目标距离发送至所述外部控制装置，且在首次传输所述目标距离时，将相应的编码值发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述关联关系和相应的编码值得到每个所述目标距离对应的目标角度。

优选地，所述将所述目标距离发送至所述外部控制装置包括：

将每一次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中；

对所述目标距离进行对比分析，根据对比结果对所述目标距离进行编码压缩，将编码压缩后的距离信息发送至所述外部控制装置。

优选地，所述对所述目标距离进行对比分析，根据对比结果对所述目标距离进行编码压缩，将编码压缩后的距离信息发送至所述外部控制装置包括：

针对每一次扫描，将本次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中，形成数据序列；

对所述数据序列进行对比分析，判断所述数据序列中是否存在连续相同的距离值L；

若存在，则获取所述距离值L以及重复出现的次数T，对所述距离值L和所述次数T按照预设格式进行编码，将编码后的数据发送至所述外部控制装置。

优选地，所述对所述距离值L和所述次数T按照预设格式进行编码，将编码后的数据发送至所述外部控制装置包括：

将所述次数T与指定字符进行组合；

先将所述距离值L发送至外部控制装置，再将携带指定字符的所述次数T发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述指定字符区分所述次数T与所述距离L。

在所述距离L和所述次数T之间添加指定字符，形成包含所述指定字符的数据串，以通过所述指定字符将所述距离L和所述次数T隔开；

将所述数据串发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述指定字符对所述数据串进行分割，得到所述距离L和所述次数T。

针对第N次扫描，将第N次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中，形成第一数据序列；

针对第N+1次扫描，将第N+1次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中，形成第二数据序列；

在每一个目标角度下，判断所述第一数据序列和所述第二数据序列中是否存在发生变化的距离值；

若存在发生变化的距离值，则将所述发生变化的距离值以及相应的角度区间发送至所述外部控制装置。

优选地，所述将所述目标距离发送至所述外部控制装置还包括：

若不存在发生变化的距离值，则无需向所述外部控制装置传输数据信息。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：光束扫描单元、数据获取单元、数据处理单元和数据缓存单元；

所述光束扫描单元用于发射激光信号，对目标物体进行扫描；

所述数据获取单元用于获取所述目标物体相对于激光雷达的目标距离，并将所述目标距离存储在所述数据缓存单元；

所述数据处理单元用于判断激光雷达的各个扫描线数的角度分辨率是否相同；

优选地，所述激光雷达为二维激光雷达或三维激光雷达。

为实现上述目的，按照本发明的又一个方面，一种激光雷达，所述激光雷达包括至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被程序设置为执行本发明所述的方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明提供了一种提高激光雷达数据传输速度的方法和激光雷达，所述方法包括：对目标物体进行扫描，获取所述目标物体相对于激光雷达的目标距离；判断激光雷达的各个扫描线数的角度分辨率是否相同；若相同，则将角度分辨率上传至外部控制装置，将所述目标距离发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据角度分辨率得到每个所述目标距离对应的目标角度；若不相同，则对每个扫描线数的角度分辨率进行编码，得到角度分辨率与编码值的关联关系，将所述关联关系发送至所述外部控制装置；针对每一个扫描线数，将所述目标距离发送至所述外部控制装置，且在首次传输所述目标距离时，将相应的编码值发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述关联关系和相应的编码值得到每个所述目标距离对应的目标角度。

在本发明中，针对多扫描线数激光雷达，根据将扫描线数的角度分辨率，策略性对角度分辨率进行编码，对角度信息进行压缩，在传输点云数据过程中，无需传输每一个角度信息，大大减少传输角度信息所占的数据容量，提升激光雷达和外部系统之间的数据传输效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光雷达对目标物体扫描的测试原理示意图；

图2是本发明实施例提供的激光雷达所传输的数据的组成结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种提高激光雷达数据传输速度的方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种目标物体的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1：

激光雷达扫描仪的测试原理如图1所示，通过内部的光学扫描元件，控制光束在二维或三维平面进行空间扫描，进而获取目标物体的点云数据。以二维激光雷达扫描仪为坐标系原点，每个点云的空间指标可以通过两个参数进行确定，分别是目标物体距离激光雷达扫描仪的直线距离（即，目标距离）和目标角度，以ι和θ标识，设扫描一次获取n个角度方向的数据，则二维激光雷达扫描仪单次扫描传输的数据量为n个距离信息和n个角度信息，共2n个数据。如果激光雷达扫描仪的扫描线数为m，则单次扫描需要传输的数据个数为2mn（如图2所示）。

现有的激光雷达数据传输方式是将所有的距离信息和角度信息都传送到外部控制装置，数据容量比较大。当探测角度方向过多或线数过多时，数据量的快速增加容易导致传输带宽的不足。

为解决前述问题本实施例提供一种提高激光雷达数据传输速度的方法，参阅图3，所述方法包括如下步骤：

步骤101：对目标物体进行扫描，获取所述目标物体相对于激光雷达的目标距离。

在本实施例中，激光雷达包括数据缓存单元，激光雷达对目标物体进行扫描，获取点云数据，点云数据包括目标物体相对于激光雷达的目标距离和目标角度，将所述目标距离和所述目标角度存储在所述数据缓存单元中。

在进行点云数据传输时，将目标距离发送至外部控制装置，将所述目标角度进行编码压缩后，再将压缩后的角度信息发送至外部控制装置，对角度信息进行编码压缩的方式如下。

步骤102：判断激光雷达的各个扫描线数的角度分辨率是否相同。

其中，角度分辨率为激光雷达扫描过程中角度的增量。

在实际使用中，激光雷达从初始角度开始扫描，以角度分辨率的大小为增量递增，直至达到终止角度。例如，初始角度为0度，终止角度为360度，角度分辨率为1度，则激光雷达单次扫描过程中，目标角度依次为0度、1度、2度......360度。

若各个扫描线数的角度分辨率是否相同，则执行步骤103；若各个扫描线数的角度分辨率是否不相同，则执行步骤104。

步骤103：若相同，则将角度分辨率上传至外部控制装置，将所述目标距离发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据角度分辨率得到每个所述目标距离对应的目标角度。

在本实施例中，若相同，则将角度分辨率上传至外部控制装置，将所述目标距离发送至所述外部控制装置，而不用传输每个目标距离对应的角度信息。

针对单次扫描的距离信息，将所述目标距离按照序列传输所述目标距离，外部控制装置依据初始角度和角度分辨率可以得到每一个目标距离对应的角度信息，从而得到点云数据。

步骤104：若不相同，则对每个扫描线数的角度分辨率进行编码，得到角度分辨率与编码值的关联关系，将所述关联关系发送至所述外部控制装置。

步骤105：针对每一个扫描线数，将所述目标距离发送至所述外部控制装置，且在首次传输所述目标距离时，将相应的编码值发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述关联关系和相应的编码值得到每个所述目标距离对应的目标角度。

在本实施例中，若不相同，则对每个扫描线数的角度分辨率进行编码，得到角度分辨率与编码值的关联关系，将所述关联关系发送至所述外部控制装置。

针对每一个扫描线数，将所述目标距离按照序列发送至所述外部控制装置，且在首次传输所述目标距离时，将相应的编码值发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述关联关系和相应的编码值得到每个所述目标距离对应的目标角度。

例如，角度分辨率为0.5度，对应的编码值为1，角度分辨率为1度，对应的编码值为2。外部控制装置在获取到扫描线数的编码值后，将以编码值为主键，从关联关系中获取相应的角度分辨率，然后，再按照步骤103的方式，得到每个所述目标距离对应的目标角度。

在本实施例中，首先对角度数据进行编码压缩，如果每个扫描线数对应的角度分辨率是一致的，则只需要预先将角度分辨率储存在外部控制装置，把对应的距离信息按序列传输给外部系统，需要传输的数据个数mn。如果每个扫描线数对应的角度分辨率不一致，则需要针对每个扫描线数的角度分辨率设置进行编码，不需要把所有的角度信息传输给系统；此时需要传输的数据个数为(n+1)m。两种情况的数据传输个数均大大少于2mn，可有效提高传输效率。

在进行角度信息压缩的基础上，再对距离信息进行编码归类，压缩需传输的数据容量。将每一次扫描得到的数据先存储在数据缓存单元里面，数据处理单元负责对所存储的数据进行比对分析。

具体地，在步骤103和步骤105中，所述将所述目标距离发送至所述外部控制装置具体包括：将每一次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中；对所述目标距离进行对比分析，根据对比结果对所述目标距离进行编码压缩，将编码压缩后的距离信息发送至所述外部控制装置。

在比对分析过程中，还分为两种情况，分别是（1）单次扫描数据内部的比对分析，（2）前后两次扫描数据的比对分析，根据对比分析的情况，对距离信息进行压缩。

首先针对第（1）种情况进行阐述，具体实现过程如下：

针对每一次扫描，将本次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中，形成数据序列；对所述数据序列进行对比分析，判断所述数据序列中是否存在连续相同的距离值L；若存在，则获取所述距离值L以及重复出现的次数T，对所述距离值L和所述次数T按照预设格式进行编码，将编码后的数据发送至所述外部控制装置。

在可选的实施例中，将所述次数T与指定字符进行组合；先将所述距离值L发送至外部控制装置，再将携带指定字符的所述次数T发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述指定字符区分所述次数T与所述距离L。其中，指定字符为不同于数字的字符，例如英文字符。

在另一个可选的实施例中，在所述距离L和所述次数T之间添加指定字符，形成包含所述指定字符的数据串，以通过所述指定字符将所述距离L和所述次数T隔开；将所述数据串发送至所述外部控制装置，其中，所述外部控制装置依据所述指定字符对所述数据串进行分割，得到所述距离L和所述次数T。

在单次扫描的数据序列中，经常会存在大量的数值相同的数据，尤其是数值为0的距离，经常会连续出现在多个角度探测中。针对此种情况，只需要记录数值和该数值连续出现的次数，即可大大减少数据传输的数量。比如，激光雷达扫描仪单次扫描得到1000个距离信息，全部传输出去，需要占用1000个数据容量。如果其中有500个连续的0或其它数值，则可以将该500个连续的相同数值编码为（0，500），则三次传输的数据数量可以减少498个，传输效率大为提升。

其次是第（2）种情况，数据处理系统对前后两次扫描数据进行比对分析，具体实现过程如下：

在数据传输的过程中，每个扫描线数，首次向外部控制装置传输距离信息时，可以按照前述第（1）种情况的方式传输距离信息，后续向外部控制装置传输距离信息时，可以对前后两次扫描的数据进行比对分析，当角度信息和距离信息均相等时，激光雷达就不传输当前的数据；当对应角度的距离存在变化时，激光雷达将把变化后的数据传输给系统。

在本实施例中，针对第N次扫描，将第N次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中，形成第一数据序列；针对第N+1次扫描，将第N+1次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中，形成第二数据序列；

在每一个目标角度下，判断所述第一数据序列和所述第二数据序列中是否存在发生变化的距离值；若存在发生变化的距离值，则将所述发生变化的距离值以及相应的角度区间发送至所述外部控制装置。若不存在发生变化的距离值，则无需向所述外部控制装置传输数据信息。

在激光雷达的很多应用场景中，单次扫描的数据背景变化量很少，激光扫描的目的就是为了探测变化的部分点云数据。将每一次扫描对应的角度信息和距离信息先存储在数据缓存系统里面，并通过数据处理系统对前后两次扫描的数据进行比对分析，当角度信息和距离信息均相等时，激光雷达就不传输当前的数据；当对应角度的距离存在变化时，激光雷达将把变化后的数据传输给系统。很多通过激光雷达进行监控的应用场景，大部分的点云数据背景都是不变的，通过此种数据编码方法，可以有效减少所需传输数据的容量。

结合前述方案，本发明提出的方法，可以有效提升数据传输效率，具有以下技术优势：

（1）针对多扫描线数激光雷达，根据将扫描线数的角度分辨率，策略性对角度分辨率进行编码，对角度信息进行压缩，在传输点云数据过程中，无需传输每一个角度信息，大大减少传输角度信息所占的数据容量，提升激光雷达和外部系统之间的数据传输效率；

（2）在激光雷达设备里面增加数据缓存器，预先对数据信息进行编码，相同距离的重复信息进行压缩，仅记录一个距离值和重复的次数，有效减少传输点云数据的冗余度；

（3）激光雷达在进行固定场景扫描时，本次扫描的点云数据和上一次的数据进行比对，相同的数据就不传输，仅传输变化的点云数据，可排除无效的背景点云数据传输，节省系统传输带宽。

实施例2：

参阅图4，本实施例提供一种激光雷达，其中，所述激光雷达为二维激光雷达或三维激光雷达，所述激光雷达包括：光束扫描单元、数据获取单元、数据处理单元和数据缓存单元；

所述数据处理单元还依据前述实施例1的方式对距离信息进行压缩，具体请详见实施例1的描述，在此不再赘述。

实施例3：

在实际应用场景下，激光雷达按照设定的扫描频率对目标物体进行扫描，从而实时监测目标物体的变化。在经历了多次扫描后，可以根据点云数据得到目标物体的轮廓信息。当目标物体在移动时，尽管目标物体的轮廓信息没有发生改变，但是每次扫描所获取到的点云数据会随之发生变化，如果将每一次扫描得到的点云数据都发送至外部控制装置，那么实际需要发送的点云数据较多，会影响数据传输的速度。

结合实施例1和实施例2，提出了提高激光雷达数据传输速度的方法，以进一步提高激光雷达数据传输速度，在步骤105之后，该方法还包括：

经过多轮扫描后，在所述外部控制装置能够依据多轮扫描所对应的目标角度和目标距离还原出所述目标物体的轮廓信息后，所述外部控制装置提取所述目标物体的关键点，并计算相邻关键点之间的关联关系，得到相邻关键点之间的拟合函数。其中，前述的关键点可以为目标物体的边界点或特征点。

所述外部控制装置向所述激光雷达发送已还原所述目标物体的轮廓的反馈信息，并将所述目标物体的关键点发送至所述激光雷达，如图5所示，假设目标物体为一个汽车，则关键点包括关键点A~关键点H。

在后续的扫描过程中，激光雷达只将所述关键点的目标角度和目标距离发送至所述外部控制装置，外部控制装置根据所述关键点的目标角度和目标距离，以及相邻关键点之间的拟合函数，对各个关键点的目标角度和目标距离进行拟合，得到所述目标物体的轮廓信息。

采用前述的方式，在能够还原出目标物体的轮廓信息后，激光雷达无需传输所有的点云数据，只需要将目标物体的关键点信息发送至外部控制装置，外部控制装置对各个关键点进行拟合得到所述目标物体的轮廓信息，可以进一步压缩数据的传输量，提高传输速度。

实施例4：

请参阅图6，图6是本发明实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。本实施例的激光雷达包括一个或多个处理器41以及存储器42。其中，图6中以一个处理器41为例。

处理器41和存储器42可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。

存储器42作为一种基于方法的非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，上述实施例的方法以及对应的程序指令。处理器41通过运行存储在存储器42中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，实现前述实施例的方法。

其中，存储器42可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器42可选包括相对于处理器41远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器41。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(Read Only Memory，简写为ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，简写为RAM)、磁盘或光盘等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高激光雷达数据传输速度的方法，其特征在于，所述方法包括：

判断激光雷达的各个扫描线数的角度分辨率是否相同；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述目标距离发送至所述外部控制装置包括：

将每一次扫描得到的多个目标距离存储在数据缓存单元中；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述目标距离进行对比分析，根据对比结果对所述目标距离进行编码压缩，将编码压缩后的距离信息发送至所述外部控制装置包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述距离值L和所述次数T按照预设格式进行编码，将编码后的数据发送至所述外部控制装置包括：

将所述次数T与指定字符进行组合；

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述距离值L和所述次数T按照预设格式进行编码，将编码后的数据发送至所述外部控制装置包括：

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述目标距离进行对比分析，根据对比结果对所述目标距离进行编码压缩，将编码压缩后的距离信息发送至所述外部控制装置包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述目标距离发送至所述外部控制装置还包括：

8.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：光束扫描单元、数据获取单元、数据处理单元和数据缓存单元；

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达为二维激光雷达或三维激光雷达。

10.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被程序设置为执行如权利要求1~7任一项所述的方法。