CN112596074A - 一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法 - Google Patents

一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法，通过在车辆上安装激光雷达和卫星天线，精确判定车辆前方可能存在的障碍物。同时，通过在车辆的左前轮和右前轮上分别设有角度传感器，感测车轮角度，再结合历史运行轨迹，准确地模拟出当前车辆运行轨迹，以便准确判断车辆是否会与障碍物发生碰撞，从而，极大的提高了导航车辆的避障性能。

Description

一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法
技术领域
本发明涉及一种车辆导航技术，尤其是一种运用激光雷达的车辆导航技术，具体的说是一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法。
背景技术
在车辆自主导航领域，判断车辆前方是否有障碍物的主要方法包括：（1）采用机器视觉方案（2）采用激光雷达、毫米波雷达或超声波雷达方案。若在光线条件较好的情况下，可以采用机器视觉识别障碍物，并定位障碍物。但是如果光线太强或太弱，无法获取清晰图片，则无法使用机器视觉的方法。在光线不好或光线变化剧烈的情况下，一般采用雷达进行探测。毫米波雷达和超声波雷达精度较低，不能满足高精度导航作业的需要。激光雷达精度高、探测距离远，一般是高精度导航设备的首选。
目前，在使用激光雷达探测障碍物时，一般都是根据激光雷达反馈的距离和角度信息判断障碍物。由于激光雷达的距离数据存在一定概率的异常值，因此仅仅靠距离和角度信息判断障碍物及其位置，存在一定概率的误报情况。尤其是在镜面反射环境中如雨后、冰面、玻璃墙等），误报概率大大增加。本发明为了降低误报率、提高可靠性，将激光雷达的回波信号强度数据作为障碍物的辅助甄别条件。回波信号强度无法用于测距，仅作为信号质量的参考。本发明充分利用该特性，用回波信号强度区别障碍物与环境。
此外，传统的激光雷达探测都是识别车辆正前方所有的障碍物。但是实际使用过程中，即使在车辆正前方但是不在行驶轨迹上的障碍物，不影响车辆的行驶，不能称得上真正的障碍物。有些障碍物虽然不在车辆正前方，但是却在车辆的未来行驶轨迹上，也同样会影响车辆的通行。
因此，需要对现有技术加以改进，以便提高导航车辆的避障性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法，能够采用车辆的历史轨迹来实时修正其转向几何模型，筛选出车辆未来行驶轨迹上真正有效的障碍物，并计算其尺寸和位置，提高导航车辆的避障性能。
本发明的技术方案是：
一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法，在车辆的车架前方正中位置水平安装激光雷达；该车辆的几何中心处设置卫星天线；所述车辆的左前轮和右前轮上分别设有角度传感器；所述激光雷达、卫星天线和角度传感器均连接到控制器；所述障碍物探测方法包括以下步骤：
1）激光雷达以20Hz频率连续发射旋转激光束，获取0-180°工作半径R范围内所有回波的距离和强度数据；
2）分析回波中的距离和强度数据；若从角度a1~a2范围内，距离连续变化，没有突变产生，且其对应的信号强度数据标准差小于10，则认定为该处存在一个独立障碍物；否则，认定该处不存在障碍物，并返回步骤1）；
3）根据角度和距离信息，计算出障碍物的两个边界点的极坐标P1为L1∠a1和P2为L2∠a2，极坐标原点在O1；
4）通过角度传感器获取车辆当前左前轮转角α和右前轮转角β信息；
5）根据车辆的转向模型，分别获得左前轮和右前轮的运行轨迹：
左前轮的运行轨迹：以O为圆心，以RL=L/sinα为半径的圆；
右前轮的运行轨迹：以O为圆心，以RR=L/sinβ为半径的圆；
其中L为轴距；
6）卫星天线以N Hz的频率实时采集卫星定位数据，得到几何中心的坐标；
7）根据车辆实际机械尺寸和上述几何中心坐标，通过坐标变换分别换算出车辆左前轮和右前轮中心点的坐标；
8）将左前轮当前时刻和前N-1个时刻的中心点坐标进行以O为圆心的数学拟合，得到拟合半径为R' L；将右前轮当前时刻和前N-1个时刻的中心点坐标进行以O为圆心的数学拟合，得到拟合半径为R' R；其中N为上述卫星定位频率；
9）采用均值法对上述步骤5）中的左、右前轮轨迹进行修正，得到：
左前轮修正后的运行轨迹RLX=(L/sinα+ R' L )/2；
右前轮修正后的运行轨迹RRX=(L/sinβ+ R' R )/2；
10）通过数学计算，得到P1O和P2O的长度；若P1O和P2O之任一值介于RLX和RRX之间，则认为该处为障碍物，影响通行；
11）确定P1P2的中点坐标即为障碍物粗略估计坐标；P1P2的长度即为障碍物的横向尺寸；
12）重复上述所有步骤，循环探测。
进一步的，所述卫星天线为北斗-GPS双模定位装置的卫星天线。
本发明的有益效果：
本发明设计合理，操控简单，通过激光雷达和卫星定位相结合的方式，对障碍物进行精准探测，并能够采用车辆的历史轨迹来实时修正其转向几何模型，筛选出车辆未来行驶轨迹上真正有效的障碍物，极大的提高了导航车辆的避障性能。
附图说明
图1激光雷达探测范围。
图2车辆转向模型。
其中：A-左前轮；B-左后轮；C-右后轮；D-右前轮；L-轴距。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1和2所示。
一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法，首先在车辆的车架前方正中位置水平安装激光雷达，并在该车辆的几何中心处设置卫星天线。同时，所述车辆的左前轮A和右前轮D上分别设有角度传感器，分别感测左右前轮的运行角度。所述激光雷达、卫星天线和角度传感器均连接到控制器，以便将检测到的信息进行收集和处理。优选的，所述卫星天线为北斗-GPS双模定位装置的卫星天线。
所述激光雷达从右侧按逆时针向左侧循环扫描，形成的探测范围是以O1为圆心，以R为半径的半圆。通过分析返回的距离数据是否突变以及信号强度数据的标准差，可以找到障碍物的边界点P1和P2，以及对应的角度a1和a2。该障碍物虽然在车辆正前方，但是是否影响通行，还需结合车辆的转向模型进行判断。
当车辆转向时，根据所述角度传感器感测到左前轮A的转向角为α，右前轮D的转向角为β。那么根据转向原理可知，左前轮A的轨迹是以O为圆心，以RL=L/sinα为半径的圆；右前轮D的运行轨迹是以O为圆心，以RR=L/sinβ为半径的圆。因此，若障碍物到O的距离介于RL和RR之间，则肯定影响通行，即为有效障碍物。
本发明的所述障碍物探测方法包括以下步骤：
1）激光雷达以20Hz频率连续发射旋转激光束；
可将激光雷达的激光线角分辨率设置为0.5°；同时，以最右侧为0°线，逆时针旋转到水平位置为180°线，获取0-180°工作半径R=20m范围内所有回波的距离和强度数据；
2）分析回波中的距离和强度数据；
每一条激光线返回的数据包括角度、距离以及信号强度；而信号强度与距离、反射面材质有关；假如探测到角度100~105°范围内，距离连续变化，没有突变产生，且其对应的信号强度数据标准差小于10时，则认定为该处存在一个独立障碍物；否则，则认为没有障碍物，返回步骤1）；
3）根据角度和距离信息，计算出障碍物的两个边界点的极坐标P1为L1∠100°和P2为L2∠105°，极坐标原点在O1；
4）通过角度传感器获取车辆当前左前轮转角α和右前轮转角β信息；
5）根据车辆的转向模型，得到：
左前轮的运行轨迹：以O为圆心，以RL=L/sinα为半径的圆；
右前轮的运行轨迹：以O为圆心，以RR=L/sinβ为半径的圆；
其中L为轴距；
此时得到的左、右前轮的轨迹只是预期轨迹，与当前转角和车身机械结构密切关联的；转向角发生变化时，轨迹也将发生变化；由于转角传感器的误差或车身结构测量误差都会导致该模型不准确，因此，需要利用历史行驶数据进行进一步的修正；
6）卫星天线以10 Hz的频率实时采集卫星定位数据，得到车辆几何中心的坐标；该坐标原点选在O点；所述卫星的定位频率为10；
7）将测量到的车辆的机械尺寸事先输入控制器，并根据车辆机械尺寸和几何中心坐标，分别换算出车辆左前轮和右前轮中心点的坐标；
8）将左前轮当前时刻和前9个时刻的中心点坐标进行以O为圆心的数学拟合，得到拟合半径为R' L；
将右前轮当前时刻和前9个时刻的中心点坐标进行以O为圆心的数学拟合，得到拟合半径为R' R；
9）采用均值法对上述5）中的左右前轮轨迹进行修正：
左前轮修正后的运行轨迹RLX=(L/sinα+ R' L )/2；
右前轮修正后的运行轨迹RRX=(L/sinβ+ R' R )/2；
上述修正后的左、右前轮轨迹半径是根据当前转向角和历史数据共同修正的结果，具有更高的可靠性；
10）判断障碍物是否在两个轨迹之间；
通过数学计算，得到P1O和P2O的长度；若P1O和P2O的任一值介于修正后的RLX和RRX之间，则认为该处为障碍物，影响通行；
11）计算得到P1P2连线的中点坐标，即为障碍物粗略估计坐标；同时，计算P1P2的长度，即为障碍物的横向尺寸；
12）由于在车辆导航过程中，左右前轮的摆动频率远超过人工驾驶的摆动频率，因此重复上述所有步骤，循环探测，实时监测左右前轮转向角。
进一步的，本发明中，左右前轮转角数据也可以不用实测，而是通过软件进行模拟。因此，本发明还可以应用到避障控制，即通过电脑模拟多少度的转向角不发生碰撞，然后就以此作为安全转角行驶。
本发明在依靠激光雷达测距探测障碍物的基础上，增加一个约束条件：回波信号强度。因为，同一个障碍物，其表面各处材质应该基本统一，反射率不会有太大差异。因此，通过判断反射信号强度是否突变，可以避免了因为激光探测数据存在异常而导致误判的情况，提高了探测的准确性。
同时，车辆正前方的障碍物，并不一定会与车辆发生碰撞，还需要结合车辆未来的行驶轨迹来判断。因此，本发明的探测方法通过步骤4)-5)来确定的车辆的运行轨迹。而且，考虑到模型可能不一定准确，因此通过步骤6)-9)，根据历史真实轨迹，对模型进行修正，有效提高了判断准确性。最后，还对障碍物横向尺寸和位置进行估算，极大的提高了导航车辆的避障性能。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法，其特征是，在车辆的车架前方正中位置水平安装激光雷达；该车辆的几何中心处设置卫星天线；所述车辆的左前轮和右前轮上分别设有角度传感器；所述激光雷达、卫星天线和角度传感器均连接到控制器；所述障碍物探测方法包括以下步骤：
1）激光雷达以20Hz频率连续发射旋转激光束，获取0-180°工作半径R范围内所有回波的距离和强度数据；
2）分析回波中的距离和强度数据；若从角度a1~a2范围内，距离连续变化，没有突变产生，且其对应的信号强度数据标准差小于10，则认定为该处存在一个独立障碍物；否则，认定该处不存在障碍物，并返回步骤1）；
3）根据角度和距离信息，计算出障碍物的两个边界点的极坐标P1为L1∠a1和P2为L2∠a2，极坐标原点在O1；
4）通过角度传感器获取车辆当前左前轮转角α和右前轮转角β信息；
5）根据车辆的转向模型，分别获得左前轮和右前轮的运行轨迹：
左前轮的运行轨迹：以O为圆心，以RL=L/sinα为半径的圆；
右前轮的运行轨迹：以O为圆心，以RR=L/sinβ为半径的圆；
其中L为轴距；
6）卫星天线以N Hz的频率实时采集卫星定位数据，得到几何中心的坐标；
7）根据车辆实际机械尺寸和上述几何中心坐标，通过坐标变换分别换算出车辆左前轮和右前轮中心点的坐标；
8）将左前轮当前时刻和前N-1个时刻的中心点坐标进行以O为圆心的数学拟合，得到拟合半径为R' L；将右前轮当前时刻和前N-1个时刻的中心点坐标进行以O为圆心的数学拟合，得到拟合半径为R' R；其中N为上述卫星定位频率；
9）采用均值法对上述步骤5）中的左、右前轮轨迹进行修正，得到：
左前轮修正后的运行轨迹RLX=(L/sinα+ R' L )/2；
右前轮修正后的运行轨迹RRX=L/sinβ+ R' R )/2；
10）通过数学计算，得到P1O和P2O的长度；若P1O和P2O之任一值介于RLX和RRX之间，则认为该处为障碍物，影响通行；
11）确定P1P2的中点坐标即为障碍物初略估计坐标；P1P2的长度即为障碍物的横向尺寸；
12）重复上述所有步骤，循环探测。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的导航车辆障碍物探测方法，其特征是，所述卫星天线为北斗-GPS双模定位装置的卫星天线。
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