CN112415535A - 导航系统和导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导航系统和导航方法，导航系统包括：承载组件，承载组件用于安装在移动载体上；测距单元，测距单元设置在承载组件上，测距单元用于发射激光束并接收激光束以实现单次扫描测距；检测部件，检测部件设置在承载组件上，以检测测距单元的运动姿态；其中，承载组件的至少部分可运动地设置，以根据检测部件的检测结果调整承载组件的姿态，以实时反向使测距单元在同一姿态下进行扫描测距。本发明的导航系统解决了现有的激光雷达在遇到抖动、不稳定等情况时，无法按照一个姿态继续对目标对象进行检测的问题。

Description

导航系统和导航方法

技术领域

本发明涉及导航领域，具体而言，涉及一种导航系统和导航方法。

背景技术

随着科技的发展，目前在靶标导航，SLAM导航，即时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping，简称SLAM)导航，三维重构等应用中，都会使用到激光雷达。激光雷达扫描被测物体，实时输出点云数据，通过特定SLAM或重构算法实现移动载体的建图、导航定位或者环境测绘、测量等工作。

在导航定位系统及环境重构应用中，地图的准确性直接影响着定位精度，从而影响着后续地图的准确性。在移动载体的行驶过程中，不可避免的会遇到颠簸或上下坡等问题，且随着越来越高的运行效率需求，载体的运行速度不断提升，导致导航定位算法的允许耗时也被严重压缩。

为了提高地图和定位的精度，常需要对激光雷达的点云数据进行修正，常见的激光雷达的点云数据修正包括线速度修正和雷达倾斜修正。其中，速度修正包括所在纬度的线速度和角度修正。

然而，在现有修正中，激光雷达存在遇到抖动、不稳定等情况(一般可以理解为角速度突变及激光雷达倾斜)时，对激光雷达点云数据影响最大，且修正难度也较大。此外，现有的修正方法中虽然可以对角速度突变和激光雷达倾斜进行修正，但该修正方法存在大量的矩阵运算，无疑增加了耗时。

相关技术中，现有的激光雷达在遇到抖动、不稳定等情况时，无法按照一个姿态继续对目标对象进行检测。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种导航系统和导航方法，以解决现有技术中的激光雷达在遇到抖动、不稳定等情况时无法按照一个姿态对目标对象进行检测的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种导航系统，包括：承载组件，承载组件用于安装在移动载体上；测距单元，测距单元设置在承载组件上，测距单元具有用于发射激光束并接收激光束以实现单次扫描测距的光学测距组件；检测部件，检测部件设置在承载组件上，以检测测距单元的运动姿态；其中，承载组件的至少部分可运动地设置，以根据检测部件的检测结果调整承载组件的姿态，以使测距单元在同一姿态下进行扫描测距。

进一步地，承载组件包括：承载台，测距单元和检测部件均安装在承载台上；支撑架，承载台设置在支撑架上，支撑架的至少部分可转动地设置，以调整承载组件的姿态。

进一步地，支撑架包括多个依次连接的支撑轴，相邻两个支撑轴之间可转动地连接。

进一步地，承载组件还包括：驱动电机，相邻两个支撑轴之间的关节处均设置有驱动电机，以通过驱动电机驱动相应的支撑轴转动，并通过驱动电机实时反向偏转补偿以达到测距单元的角动量平衡。

进一步地，导航系统还包括：自动控制单元，自动控制单元与检测部件和承载组件均连接，以获取检测部件的检测结果，并根据检测结果控制承载组件的至少部分运动。

进一步地，测距单元还包括：测距电机，测距电机的定子安装在承载台上；光学测距组件，光学测距组件安装在测距电机的转子上，以通过测距电机驱动光学测距组件绕预定旋转轴线旋转。

进一步地，检测部件为陀螺仪；和/或测距单元为单线或多线的旋转式扫描激光雷达，或者测距单元为多线的固态激光雷达。

进一步地，导航系统还包括：数据处理模块，数据处理模块与测距单元和检测部件均连接，以获取测距单元的扫描数据和检测部件的检测数据，以根据检测数据对扫描数据进行修正；和/或底座，承载组件通过底座安装在移动载体上。

根据本发明的另一方面，提供了一种导航方法，适用于上述的导航系统，导航方法包括：获取导航系统的测距单元的扫描数据；获取导航系统的检测部件的检测数据；根据检测数据，计算出移动载体的运动状态；其中，运动状态包括运动速度、欧拉角以及移动载体运行的垂直高度差；根据检测数据，对扫描数据进行修正；根据检测数据、移动载体的运动状态以及经过修正后的扫描数据，建立环境地图和导航定位。

进一步地，计算出移动载体的运动状态的方法包括：根据检测数据和移动载体的运动时间，计算出移动载体的速度；其中，移动载体的速度包括角速度和线速度；根据检测数据和移动载体的运动时间，计算出移动载体的欧拉角；根据移动载体速度、欧拉角、以及运动时间，计算移动载体运行的垂直高度差。

进一步地，对扫描数据进行修正的方法包括：根据运动速度，对扫描数据进行修正。

进一步地，环境地图包括靶标地图、栅格地图以及特征地图。

进一步地，建立环境地图和导航定位的方法包括：根据移动载体运行的垂直高度差，平移修正后的扫描数据；根据移动载体的前一次位姿信息，计算移动载体当前位姿信息；其中，计算移动载体当前位姿信息包括：使用运动速度、前一次位姿信息或里程计信息以及移动载体的运动时间计算当前位姿信息，或使用前后两帧激光雷达数据计算当前位姿信息；根据移动载体在环境地图中的位姿信息，计算移动载体移动后的扫描数据，以得到扫描数据在环境地图中的信息，以完成环境地图拼接和导航定位。

应用本发明的技术方案，包括：承载组件，承载组件用于安装在移动载体上；测距单元，测距单元具有用于发射激光束并接收激光束的接收部以实现单次扫描测距的光学测距组件；检测部件，检测部件设置在承载组件上，以检测测距单元的运动姿态；其中，承载组件的至少部分可运动地设置，以根据检测部件的检测结果调整承载组件的姿态，以实时反向使测距单元在同一姿态下进行扫描测距，解决了相关技术中，现有的激光雷达在遇到抖动、不稳定等情况时，无法按照一个姿态继续对目标对象进行检测。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的导航系统的一个实施例的工作状态示意图；

图2示出了根据本发明的导航系统的另一个实施例的结构示意图；以及

图3示出了根据本发明的导航方法的实施例的流程框图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、承载组件；11、承载台；12、支撑架；121、支撑轴；13、驱动电机；2、测距单元；21、光学测距组件；22、测距电机；221、定子；222、转子；3、检测部件；4、自动控制单元；6、底座；10、移动载体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本实施例的导航系统包括：承载组件1，承载组件1用于安装在移动载体10上；测距单元2，测距单元2具有用于发射激光束并接收激光束以实现单次扫描测距的光学测距组件21，测距单元2设置在承载组件1上；检测部件3，检测部件3设置在承载组件1上，以检测测距单元2的运动姿态；其中，承载组件1的至少部分可运动地设置，以根据检测部件3的检测结果调整承载组件1的姿态，以实时反向使测距单元2在同一姿态下进行扫描测距。这样，当移动载体10移动时，导航系统中的检测部件3可以检测测距单元2的运动姿态，且承载组件1根据检测部件3的检测结果调整自身姿态，从而可以调整安装在承载组件1上的测距单元2的扫描姿态，使得测距单元2在同一姿态下进行扫描测距，解决了现有的激光雷达在遇到抖动、不稳定等情况时，无法按照一个姿态继续对目标对象进行检测的问题。

值得注意的是，本实施例中的“承载组件1的至少部分”指的是承载组件1的一部分或者承载组件1的整体。

在本实施例中，通过将承载组件1安装在移动载体10上，可以利用承载组件1承载导航系统的各个功能部件。本实施例中的测距单元2包括光学测距组件21，由于光学测距组件21具有用于发射激光束并接收激光束的接收部，这样，利用该光学测距组件21可以实现单次扫描测距。移动载体10在运动时，可以利用光学测距组件21对移动载体10周围的环境进行扫描，从而判断移动载体10周围环境的物体状态(物体的形状和距离物体的距离)，通过计算移动载体10周围环境中物体状态的变化，得出移动载体10相对于周围环境的位置从而达到导航的目的。

由于承载组件1上设置有检测部件3，当移动载体10在运动的过程中遇到颠簸或者上下坡的情况时，测距单元2中的光学测距组件21对周围环境的扫面方向会随着移动载体的姿态变化而变化，此时检测部件3检测到测距单元2的姿态变化并传出该检测结果，承载组件1根据检测部件3的检测结果调整自身姿态，从而调整安装在承载组件1上的测距单元2的运动姿态，使测距单元2维持同一姿态工作。这样，即使移动载体10遇到颠簸或者上下坡的情况，测距单元2也可以持续稳定地对移动载体10的周围环境进行扫描。

为了使承载组件1可以进行姿态的调整，如图1所示，承载组件1包括承载台11和支撑架12，承载台11设置在支撑架12上，测距单元2和检测部件3均安装在承载台11上，支撑架12的至少部分可转动地设置。这样，当支撑架12的至少部分转动时，可以带动承载台11移动，从而可以调整安装于承载台11上的测距单元2和检测部件3的姿态。

为了使承载组件1可以进行姿态的调整，如图1所示，支撑架12由多个依次连接的支撑轴121组成，相邻两个支撑轴121之间可转动地连接。可选地，支撑架12由三个支撑轴121构成，其中，第一支撑轴与第二支撑轴在第一转动平面内可转动地设置，第二支撑轴和第三支撑轴在第二转动平面内可转动地设置，进而可以使安装在支撑架12上的承载台11在三维空间内进行姿态的调整，从而使测距单元2的姿态调整更为灵活。具体地，第一转动平面为水平面，第二转动平面为竖直面。这样，便可以在水平面和竖直面内对承载台11的位置进行调整，进而实现在三维空间内的姿态调整。

为了给承载组件1的运动提供动力，如图1所示，在相邻两个支撑轴121之间的关节处设置驱动电机13，驱动电机13可以驱动相应的支撑轴121转动，通过相邻两个支撑轴121的转动从而使连接在支撑架12的承载台11的姿态进行变化，从而调整承载台11上的测距单元2的高度和角度，使测距单元2的角动量平衡，即对移动载体10周围的环境扫描的方向不变。

具体地，该驱动电机13为微型电机。其中，微型电机是一类体积、容量较小，输出功率一般在数百瓦以下，用途、性能及环境条件要求特殊的一类电动机。微型电动机的直径小于160mm或者额定功率小于750W的电机，微型电动机用于控制系统或传动机械负载中，用于实现机电信号或能量的检测、解析运算、放大、执行或转换等功能。这样，利用微型电机的体积小和扭矩大的特点，可以使其比较方便地适用于该导航系统中，进而保证该导航系统的整体体积。

微型电机综合了电机、微电子、电力电子、计算机、自动控制、精密机械、新材料等多门学科的高薪技术行业，尤其是电微电机子技术和新材料技术的应用促进了微特电机技术进步，微型电机品种众多(达6000余种)、规格繁杂、市场应用领域十分广泛，涉及国民经济、国防装备、人类生活的各个方面，凡是需要电驱动的场合都可以见到微型电机，制造工序多，涉及精密机械、精细化工、微细加工、磁材料处理、绕组制造、绝缘处理等工艺技术，需要的工艺装备数量大、精度高。为了保证产品的质量还需一系列精密的测试仪器，是投资性较强的行业，简而言之，微型电机行业是劳动密集型和技术密集型的高新技术产业。

如图1所示，本实施例的导航系统包括自动控制单元4，自动控制单元4与检测部件3和承载组件1均连接，自动控制单元4用于接收检测部件3的检测结果，并对检测结果进行计算分析，以根据检测结果控制承载组件1的至少部分运动，从而使测距单元2的扫描姿态保持稳定。

为了实现测距单元2对移动载体10的周向方向的环境的扫描功能，如图1所示，本实施例的导航系统中还包括测距电机22，测距电机22的定子221安装在承载台11上，光学测距组件21安装在测距电机22的转子222上。如此，随着测距电机的转子222的旋转，安装在转子222上的光学测距组件21就会对周围环境进行扫描。

具体地，测距电机22包括安装凸缘，定子221通过穿设在安装凸缘和承载台11上的紧固件安装在承载台11。优选地，紧固件为紧固螺栓或者紧固螺钉。

在本实施例中，导航系统的检测部件3为陀螺仪，优选为三轴陀螺仪稳定器。

将陀螺仪(检测部件3)安装于承载台11的上表面上，陀螺仪的角动量平衡方向与承载台11的上表面呈预设角度设置，当汽车行驶遇到颠簸或者上下坡的路面时，汽车的姿态角发生变化，安装在汽车上的承载台11的姿态角跟随汽车的姿态角一同改变，而陀螺仪的角动量平衡方向不变，承载台11的上表面与陀螺仪的角动量平衡方向发生偏转，此时陀螺仪记录的汽车的姿态角偏离值即为陀螺仪与承载台11的上表面的角度与预设角度的差值，将此偏差值传输到自动控制单元4，进而自动控制单元4通过支撑轴121运动而使支撑架12发生转动，最终使承载台11的角度偏转方向得到补偿，从而保证承载台11上的测距电机22的转子222始终在同一水平面上转动。这样，转子222上的激光雷达(测距单元2)的扫描数据便不会因为汽车的姿态角变化而产生角度的偏差，只需通过相关的算法计算得出激光雷达前后两帧的高度差，而后对扫描数据进行修正。

本实施例中，利用激光雷达的水平运动速度，结合陀螺仪(检测部件3)检测得到的角速度变化信息，对激光雷达点云数据进行速度畸变修正；其中，在本实施例中，认为汽车(移动载体10)在一个扫描周期内，姿态角信息不变，将激光雷达线速度分解为Vx，Vy；

根据姿态角信息

及线速度信息，计算得到在一个扫描周期内激光雷达扫描平面变化的垂直高度，具体的，计算垂直高度的公式如下：

为了更精确的还原激光雷达点云数据，可利用每两次扫描间隔时间△T计算每个点云数据的高度，当激光雷达为多线雷达时，每一列点云数据的间隔时间，计算的高度也为每一列激光雷达数据的垂直高度差。

本实施例中的陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对于惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。本实施例中的陀螺仪也可以是利用其他原理制成的起同样功能的角运动检测装置。

下面对陀螺仪进行详细的描述：

绕一个支点告诉转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。与苍蝇退化的后翅(平衡棒)原理类似。

在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进，又称为回转效应。人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪，它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如：回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动等。

陀螺仪的种类很多，按用途来分，它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中，作为水平、竖直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示，作为驾驶和领航仪表使用。

陀螺仪分为，压电陀螺仪，微机械陀螺仪，光纤陀螺仪和激光陀螺仪，它们都是电子式的，并且它们可以和加速度计，磁阻芯片，CPS，做成惯性导航控制系统。

基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一个支架内；在通过转子中心轴上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕平面两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕平面三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪。

陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫做陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，是它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用很多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

在现实生活中，陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。

陀螺仪具有两个基本特性：一为定轴性，另一是进动性，这两种特性都是建立在角动量平衡的原则下。

当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变：1、转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；2、转子角速度愈大，稳定性愈好。所谓的“转动惯量”，是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时，它们所获得的角速度一般是不一样的，转动惯量大的缸体所获得的角速度小，也就是保持原有的转动状态的惯性大；反之，转动惯量销的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。

当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。

本实施例中的导航系统中的陀螺仪是用于形成陀螺稳定平台。陀螺稳定平台是以陀螺仪为核心元件，使被稳定对象相对惯性空间的给定姿态保持稳定的装置。稳定平台通常利用由外环和内环构成制平台框架轴上的力矩器以产生力矩与干扰力矩平衡使陀螺仪停止旋进的稳定平台称为动力陀螺稳定平台。

陀螺稳定平台可用来稳定那些需要精确定位的仪表和设备，如测量仪器、天线等，并已广泛用于航空和航海的导航系统及火控、雷达的方向支架支承。根据不同原理方案使用各种类型陀螺仪为元件。其中，利用陀螺旋进产生的陀螺力矩抵抗干扰力矩，然后输出信号控、照相系统。

从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫陀螺仪。

陀螺仪的基本部件有：

1、陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)；

2、内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)；

3、附件(是指力矩马达、信号传感器等)。

根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有：

三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架，使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时，它就是一个自由陀螺仪)；

二自由度陀螺仪(只有一个框架，使转子自转轴具有一个转动自由度)。

根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质，可以把这种陀螺仪分为三种类型：

速率陀螺仪(它使用的反作用力矩是弹性力矩)；

积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)；

无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩)。

除了机、电框架式陀螺仪以外，本实施例中的陀螺仪还可以是静电式自由转子陀螺仪、绕性陀螺仪、激光陀螺仪等。

在本实施例中，测距单元2为单线或多线的旋转式扫描激光雷达，或者测距单元2为多线的固态激光雷达。

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称，另外也称Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)。

激光雷达是用激光器作为发射光源，采用光电探测技术的手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成，发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、半导体激光器及波长可调谐的固定激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雷崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光采用脉冲或连续波两种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、步里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。

激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。

LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回来的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回来的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光其的位置和从INS得到的激光反射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标X、Y、Z。

激光扫描主要是通过快速持续地发射多个脉冲，这些发射的方向以某种方式连续变化，将每个距离测量值看成一个像素，快速持续发射和记录的像素的收集就称为“点云”。目前，有些激光扫描装置利用单激光发射器、探测器结合一些移动的镜子的结合体以实现跨过至少一个面的扫描。这种装置仅仅能绘制二维的点云，然而，目前对于激光扫描应用来说，二维的扫描结果难以满足当前需求，人们常常需要三维点云。因此，进行三维或3D扫描成为目前研究的热点和难点之一。

有鉴于此，本实施例中的测距单元2可选为一种快速高效、能同时扫描多方向多面三维式的多线旋转式激光雷达装置，其通过采用量少的激光器达到良好的3D激光扫描效果。

这种多线旋转式激光雷达装置包括旋转驱动机构、旋转架和至少一组激光器，每组激光器包括多个激光器并分多个方向安装于旋转架上，各激光器在旋转时的激光扫描面两两相交成预定角度，旋转驱动机构连接旋转架以驱动旋转架转动，使各激光器旋转，通过多个激光器从多个不同角度进行激光扫描。

本实施例中的旋转驱动机构为电机，旋转架包括转接轴，转接轴连接于该电机。旋转架上还设有一个无源编码器，用于在激光器旋转时监测到各激光器的旋转角度方位。多线旋转式激光雷达装置还包括光电传感器，光电传感器固定设置并与无源编码器位置对应，用于感测旋转过程中无源编码器反馈的光信号，以监测到各激光器的旋转角度方位。本实施例中的测距单元还包括线路板，线路板还具有控制芯片、电机驱动模块，控制芯片与电机驱动模块连接，用于控制电机驱动模块，电机驱动模块在控制芯片的控制下，驱动电机。

线路板还具有数据接收模块，数据接收模块与光电传感器无线连接，用于接收光电传感器的数据，控制芯片与数据接收模块连接，用于处理数据接收模块的数据。该线路板还具有接口电路及其接口，接口电路与控制芯片连接，用于进行数据传输。

本实施例中的线路板还具有无线充电模块，无源编码器上具有无线充电线圈，光电传感器连接有无线充电接收线圈，无线充电模块具有无线充电发射线圈，用于给无线充电接收线圈进行无线充电，无线充电模块与控制芯片连接，并在控制芯片控制下进行无线充电。

在本实施例中，至少一组激光器为两组或多组，每组为四个激光器并按照四个象限方向分布，每组中的多个激光器由旋转架的同一圆周向四个方位延伸，两组或多组激光器的延伸圆周面在旋转架上由上到下依次排列，各组中的全部激光器两两相交的预定角度相同。各个激光器在旋转时的转动面两两相交所成的预定角度为2～5度。

上述多线旋转式激光雷达装置采用旋转式结构，每个激光器能扫描形成一个激光扫描平面，多个激光器按照规则排布，可以同时扫描多个方向的不同角度平面，通过用最少的激光器就能达到良好的3D激光扫描效果。而且旋转结构使得扫描方式快速高效，多个激光器同时扫描多方向多个不同角度的面，形成三维的激光扫描空间。

在本实施例的导航系统中设置数据处理模块，数据处理模块与测距单元2和检测部件3均连接，测距单元2的扫面数据和检测部件3的监测数据均传输到数据处理模块中，数据处理模块根据检测部件3传输的检测数据，计算移动载体10的运动状态的变化，从而判断出测距单元2的扫描数据在移动载体10的运动状态变化时带来的改变，并对测距单元2的扫描数据进行修正，使其更加符合实际。

本发明的实施例中还包括一种导航方法，如图2、图3所示，此种导航方法适用于上述的导航系统，导航方法包括：获取导航系统的测距单元的扫描数据；获取导航系统的检测部件的检测数据；根据检测数据，计算出移动载体的运动状态；其中，运动状态包括运动速度、欧拉角以及移动载体运行的垂直高度差；根据检测数据，对扫描数据进行修正；根据检测数据、移动载体的运动状态以及经过修正后的扫描数据，建立环境地图和导航定位。

本实施例的检测方法中，计算出移动载体的运动状态的方法包括：根据检测数据和移动载体的运动时间，计算出移动载体的速度；其中，移动载体的速度包括角速度和线速度；根据检测数据和移动载体的运动时间，计算出移动载体的欧拉角；根据移动载体速度、欧拉角、以及运动时间，计算移动载体运行的垂直高度差。

本实施例的检测方法中，对扫描数据进行修正的方法包括：根据运动速度，对扫描数据进行修正。

本实施例的检测方法中，环境地图包括靶标地图、栅格地图以及特征地图。

根据移动载体运行的垂直高度差平移修正后的扫描数据；

本实施例的检测方法中，根据移动载体的前一次位姿信息，计算移动载体当前位姿信息；其中，计算移动载体当前位姿信息包括：使用运动速度、前一次位姿信息或里程计信息以及移动载体的运动时间计算当前位姿信息，或使用前后两帧激光雷达数据计算当前位姿信息；根据移动载体在环境地图中的位姿信息，计算移动后的扫描数据，以得到扫描数据在环境地图中的信息，以完成环境地图拼接和导航定位。

本实施例中的导航方法的具体导航过程为：

首先，获取激光雷达数据，以及获取多轴陀螺仪稳定器云台在三轴上的传感器数据，其中，本实施例中，传感器数据为角速度及加速度计信息。

激光雷达数据包括信息编号、采集时间和测量信息；相应的，从上述激光雷达测距电机云台扫描起始点开始，记录激光雷达的距离信息、编号、角度及触发时间；当电机云台扫描一周后，得到激光雷达的所有扫描数据；经处理后，得到激光雷达的点云数据信息，包括：信息编号、采集时间和测量信息。

防止传感器数据的抖动造成的影响，可在上述激光雷达电机云台旋转一周的周期T内，多次采集传感器数据。本实施例中，认为移动载体带动激光雷达做匀速运动。

其次，根据传感器数据，计算出移动载体运动状态，其中运动状态包括运动速度及姿态角。

在本实施例中，根据上述传感器数据还需计算得到移动载体的姿态角信息，具体地，利用加速度计及角速度信息，融合得到当前移动载体的姿态角

本实施例中，认为移动载体在一个扫描周期内，姿态角信息不变。

再次，根据上述传感器数据计算得到激光雷达的水平运动速度，包括线速度、角速度，用于对激光雷达点云数据进行速度畸变修正；其中，激光雷达水平运动角速度信息由传感器角速度信息转换获得或激光雷达内部传感器获得，水平线速度由移动载体提供或激光雷达内部传感器获得。

在本实施例中，激光雷达的水平运动信息由激光雷达内部传感器获得，并将激光雷达线速度分解为Vx，Vy；

根据上述姿态角信息

及线速度信息，计算得到在一个扫描周期内激光雷达扫描平面变化的垂直高度，具体地，计算垂直高度的公式如下：

进一步地，为了更精确地还原激光雷达点云数据，可利用每两次扫描间隔时间△T计算每个点云数据的高度。对于多线雷达，为每一列点云数据的间隔时间，计算的高度也为每一列激光雷达数据的垂直高度差。

再次、根据传感器数据，对激光雷达数据进行修正。

具体地，根据激光雷达起始扫描时间，两次扫描间隔时间△T及雷达水平运动速度对激光雷达点云数据进行运动畸变修正，将所有点云数据修正至某个固定点；根据激光雷达起始扫描时间、两次扫描间隔时间△T计算雷达每一列的垂直运动高度，将所有点云数据修正至同一水平面。

最后，根据激光雷达数据及前一次雷达数据及定位信息，建立全局的环境地图或完成导航定位。

具体地，根据上述修正后激光雷达点云数据、前一次激光雷达点云数据及前一次位姿信息，计算得到当前激光雷达点云数据位姿信息。在本实施例中，使用前后两次激光雷达数据通过配准的方法计算得到激光雷达的两次数据的位姿偏差，特别地，在多线SLAM系统中，在配准前应将上述激光雷达垂直高度h进行先补偿，再进行配准，将三维配准降低至二维从而降低配准耗时。

根据配准得到前、后激光雷达相对位姿后，根据上一次激光雷达位姿，得到当前激光雷达位姿，并与其他传感器信息进行融合。具体地，传感器信息可以是里程计信息，完成导航定位。进一步地，将当前激光雷达数据转换至全局坐标系中，完成全局地图建立。

在测绘的应用中，系统在遇到颠簸或者是上下坡时，三轴陀螺仪稳定器云台使测距单元保持同一姿态扫描。所以，在测绘时保证了测距单元时刻在同一水平扫描，减少工作量。

在SLAM导航的应用中，在遇到颠簸、上下坡时，三轴陀螺仪稳定器云台使测距单元保持同一姿态扫描，所以在SLAM导航中，防止移动设备在遇到颠簸、上下坡时，扫描的距离和角度出现偏差使环境地图出错，从而导致的导航定位出现误差。

下面，就本发明的导航方法与导航系统之间适用过程进行说明：

本发明实施例中的导航系统安装于汽车(移动载体10)中，用于在汽车行驶的过程中进行导航。导航系统包括承载组件1，承载组件1包括承载台11和支撑架12，支撑架12包括支撑轴121，支撑架12上安装有驱动电机13，测距单元2安装在承载台11上，测距单元2包括光学测距组件21(本实施例中选为激光雷达)，测距电机具有定子221和转子222，光学测距组件21安装在测距电机22的转子222上，导航系统的承载台11上还安装有检测部件3、自动控制单元4以及数据处理模块，承载组件1通过底座6安装于汽车上。可选地，底座6为三角架或者圆形地盘。

当汽车行驶时，如图2所示，导航系统的转子222开始转动，转子222沿着汽车行驶方向的水平面上360°转动一周，转子222上的光学测距组件21随着转子222转动一周，以对周围环境进行扫描，扫描得到的一帧扫描画面，并将扫描得到的数据传输到数据处理模块中。转子222持续转动，光学测距组件21随着转子222持续转动，以得到第二帧扫描画面，并传输到数据处理模块中，数据处理模块运用相关算法对比上一帧和下一帧环境的变化，参考汽车的行驶速度，对汽车进行定位并计算出移动载体的运动状态，建立环境地图，此实施例中的环境地图可以为靶标地图、栅格地图以及特征地图。

当汽车在上下坡、转弯或者颠簸路面行驶时，检测部件3检测测距单元2的运动姿态，并传输给自动控制单元4，自动控制单元4通过控制承载组件1上的驱动电机13，使支撑架12的支撑轴121相互转动，调节测距单元2的高度及角度，使其旋转测得的扫描数据与初始状态时测得的数据处于平行的水平面上(即测距单元2的姿态始终保持一致)。

同时，检测部件3记录测距单元2的加速度、欧拉角以及运动时间等数据，根据检测数据和移动载体的运动时间，计算出汽车的角速度和线速度；根据检测数据和汽车的运动时间，计算出移动载体的欧拉角；根据移动载体速度、欧拉角、以及运动时间，计算移动载体运行的垂直高度差，进而通过相关算法对扫描数据进行修正，对比测距单元2扫描得到的汽车前后帧位姿信息(即汽车的高度差和转向角度)，以形成准确的定位，同时建立准确的环境地图。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种导航系统，其特征在于，包括：

承载组件(1)，所述承载组件(1)用于安装在移动载体(10)上；

测距单元(2)，所述测距单元(2)设置在所述承载组件(1)上，所述测距单元(2)用于发射激光束并接收所述激光束以实现单次扫描测距；

检测部件(3)，所述检测部件(3)设置在所述承载组件(1)上，以检测所述测距单元(2)的运动姿态；

其中，所述承载组件(1)的至少部分可运动地设置，以根据所述检测部件(3)的检测结果调整所述承载组件(1)的姿态，以使所述测距单元(2)在同一姿态下进行扫描测距。

2.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于，所述承载组件(1)包括：

承载台(11)，所述测距单元(2)和所述检测部件(3)均安装在所述承载台(11)上；

支撑架(12)，所述承载台(11)设置在所述支撑架(12)上，所述支撑架(12)的至少部分可转动地设置，以调整所述承载组件(1)的姿态。

3.根据权利要求2所述的导航系统，其特征在于，所述支撑架(12)包括多个依次连接的支撑轴(121)，相邻两个所述支撑轴(121)之间可转动地连接。

4.根据权利要求3所述的导航系统，其特征在于，所述承载组件(1)还包括：

驱动电机(13)，相邻两个所述支撑轴(121)之间的关节处均设置有所述驱动电机(13)，以通过所述驱动电机(13)驱动相应的支撑轴(121)转动，并通过所述驱动电机(13)实时反向偏转补偿以达到所述测距单元(2)的角动量平衡。

5.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统还包括：

自动控制单元(4)，所述自动控制单元(4)与所述检测部件(3)和所述承载组件(1)均连接，以获取所述检测部件(3)的检测结果，并根据所述检测结果控制所述承载组件(1)的至少部分运动。

6.根据权利要求2所述的导航系统，其特征在于，所述测距单元(2)还包括：

测距电机(22)，所述测距电机(22)的定子(221)安装在所述承载台(11)上；

光学测距组件(21)，所述光学测距组件(21)安装在所述测距电机(22)的转子(222)上，以通过所述测距电机(22)驱动所述光学测距组件(21)绕预定旋转轴线旋转。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的导航系统，其特征在于，

所述检测部件(3)为陀螺仪；和/或

所述测距单元(2)为单线或多线的旋转式扫描激光雷达，或者所述测距单元(2)为多线的固态激光雷达。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统还包括：

数据处理模块，所述数据处理模块与所述测距单元(2)和所述检测部件(3)均连接，以获取所述测距单元(2)的扫描数据和所述检测部件(3)的检测数据，以根据所述检测数据对所述扫描数据进行修正；和/或

底座(6)，所述承载组件(1)通过所述底座(6)安装在所述移动载体(10)上。

9.一种导航方法，其特征在于，适用于权利要求1至8中任一项所述的导航系统，所述导航方法包括：

获取所述导航系统的测距单元的扫描数据；

获取所述导航系统的检测部件的检测数据；

根据所述检测数据，计算出移动载体的运动状态；其中，所述运动状态包括运动速度、欧拉角以及所述移动载体运行的垂直高度差；

根据所述检测数据，对所述扫描数据进行修正；

根据所述检测数据、所述移动载体的运动状态以及经过修正后的扫描数据，建立环境地图和导航定位。

10.根据权利要求9所述的导航方法，其特征在于，所述计算出移动载体的运动状态的方法包括：

根据所述检测数据和所述移动载体的运动时间，计算出所述移动载体的速度；其中，所述移动载体的速度包括角速度和线速度；

根据所述检测数据和所述移动载体的运动时间，计算出所述移动载体的欧拉角；

根据所述移动载体速度、所述欧拉角、以及所述运动时间，计算所述移动载体运行的垂直高度差。

11.根据权利要求9所述的导航方法，其特征在于，对所述扫描数据进行修正的方法包括：

根据所述运动速度，对所述扫描数据进行修正。

12.根据权利要求9所述的导航方法，其特征在于，所述环境地图包括靶标地图、栅格地图以及特征地图。

13.根据权利要求9所述的导航方法，其特征在于，建立所述环境地图和导航定位的方法包括：

根据所述移动载体运行的垂直高度差，平移所述修正后的扫描数据；

根据所述移动载体的前一次位姿信息，计算所述移动载体当前位姿信息；其中，计算所述移动载体当前位姿信息包括：使用所述运动速度、所述前一次位姿信息或里程计信息以及所述移动载体的运动时间计算当前位姿信息，或使用前后两帧激光雷达数据计算当前位姿信息；

根据所述移动载体在所述环境地图中的位姿信息，计算所述移动载体移动后的扫描数据，以得到所述扫描数据在所述环境地图中的信息，以完成环境地图拼接和导航定位。

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