CN116165641A - 激光雷达及其控制方法 - Google Patents

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CN116165641A CN202310183395.2A CN202310183395A CN116165641A CN 116165641 A CN116165641 A CN 116165641A CN 202310183395 A CN202310183395 A CN 202310183395A CN 116165641 A CN116165641 A CN 116165641A
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邓奇超
何海龙
向少卿
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Abstract

激光雷达及其控制方法，所述激光雷达包括：运动检测装置、前馈控制装置和扫描装置，其中：所述运动检测装置，适于测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号，并输入所述前馈控制装置；所述前馈控制装置，适于根据所述运动信号，生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号输入所述扫描装置；所述扫描装置，适于根据所述前馈控制信号进行调整。采用上述方案，能够降低外部振动对激光雷达产生的干扰，提高振动状态下激光雷达生成点云数据的稳定性和质量。

Description

激光雷达及其控制方法
技术领域
本说明书实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达及其控制方法。
背景技术
目前，激光雷达(Light Detection And Range，LIDAR或Laser Detection AndRange，LADAR)已经被广泛应用于资源开发、环境监测、交通通讯等领域。
激光雷达可以通过自身的扫描装置向目标发射探测信号，将目标反射回来的回波信号进行数据处理后，可以获得目标的参数数据，并且通过调整扫描装置来改变探测信号的方向，可以对目标进行各方位的扫描，获得目标各方位的参数数据。
然而，激光雷达在工作中会受到比如环境振动等干扰，这种干扰会引起点云数据的抖动，影响激光雷达生成点云数据的稳定性和质量。例如，激光雷达的运动会对扫描装置造成扰动，扰动产生的力矩使激光雷达的实际探测方向不稳定。尤其在室外环境恶劣的情况下，激光雷达受到更加强烈的干扰，使得点云数据的精确度下降。
因此，如何提高激光雷达在各种环境中生成点云数据的稳定性和质量，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种激光雷达及其控制方法，能够提高激光雷达生成点云数据的稳定性和质量。
本说明书实施例提供了一种激光雷达，包括运动检测装置、前馈控制装置和扫描装置，其中：
所述运动检测装置，适于测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号，并输入所述前馈控制装置；
所述前馈控制装置，适于根据所述运动信号，生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号输入所述扫描装置；
所述扫描装置，适于根据所述前馈控制信号进行调整。
可选地，所述激光雷达还包括反馈控制装置，适于根据所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号，并输入所述扫描装置；
所述扫描装置还适于根据所述前馈控制信号和所述反馈控制信号进行调整。
可选地，所述激光雷达还包括位姿检测装置，适于测量所述扫描装置的位姿状态，生成位姿信号，并输入所述反馈控制装置；
所述反馈控制装置还适于根据所述位姿信号和参考信号，计算所述扫描装置的位姿误差。
可选地，所述运动检测装置包括：
加速度检测单元，适于测量所述激光雷达的加速度，生成加速度信号；
所述前馈控制装置包括：
平动前馈控制单元，适于根据所述加速度信号，生成平动控制信号。
可选地，所述平动前馈控制单元适于采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，所述平动控制传递函数基于所述加速度信号获得所述平动控制信号。
可选地，所述平动控制传递函数为：
G1(s1)＝-D1(s1)；
其中，G1(s1)为平动控制传递函数，D1(s1)为基于实际加速度的扰动力矩传递函数，复变量s1＝σ1+jω1，σ1为任意实数，ω1为所述加速度信号的角频率。
可选地，所述运动检测装置包括：
角速度检测单元，适于测量所述激光雷达的角速度，生成角速度信号；
所述前馈控制装置包括：
转动前馈控制单元，适于根据所述角速度信号，生成转动控制信号。
可选地，所述转动前馈控制单元适于采用转动控制传递函数，生成所述转动控制信号，所述转动控制传递函数基于所述角速度信号获得转动控制信号。
可选地，所述转动控制传递函数为：
Figure BDA0004104306630000021
其中，G2(s2)为转动控制传递函数，L(s2)为将所述激光雷达的转角转换为所述扫描装置的扫描角的传递函数，G(s2)为所述反馈控制装置的反馈传递函数，D2(s2)为基于实际转角的扰动力矩传递函数，H(s2)为所述扫描装置的传递函数，s2为所述角速度检测单元的传递函数，复变量s2＝σ2+jω2，σ2为任意实数，ω2为所述角速度检测单元测量所述激光雷达的转角获得的角频率。
可选地，所述运动检测装置包括惯性测量单元，适于测量所述激光雷达的加速度和角速度中至少一种。
本说明书实施例还提供了一种激光雷达控制方法，包括：
测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号；
基于所述运动信号，生成前馈控制信号；
基于所述前馈控制信号，调整所述激光雷达的扫描装置。
可选地，所述激光雷达控制方法还包括：
基于所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号；
基于所述前馈控制信号和所述反馈控制信号调整，调整所述扫描装置。
可选地，在基于所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号之前，还包括：
测量所述扫描装置的位姿状态，生成位姿信号；
基于所述位姿信号和参考信号，计算所述扫描装置的位姿误差。
可选地，所述测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号，包括：
测量所述激光雷达的加速度，生成加速度信号；
所述基于所述运动信号，生成前馈控制信号，包括：
基于所述加速度信号，生成平动控制信号。
可选地，所述基于所述加速度信号，生成平动控制信号，包括：
采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，其中，所述平动控制传递函数基于所述加速度信号获得所述平动控制信号。
可选地，所述采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，包括：
采用以下平动控制传递函数生成所述平动控制信号：
G1(s1)＝-D1(s1)；
其中，G1(s1)为平动控制传递函数，D1(s1)为基于实际加速度的扰动力矩传递函数，s1＝σ1+jω1，σ1为任意实数，ω1为所述加速度信号的角频率。
可选地，所述测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号，包括：
测量所述激光雷达的角速度，生成角速度信号；
所述基于所述运动信号，生成前馈控制信号，包括：
基于所述角速度信号，生成转动控制信号。
可选地，所述基于所述角速度信号，生成转动控制信号，包括：
采用转动控制传递函数，生成转动控制信号，其中，所述转动控制传递函数基于所述角速度信号获得所述转动控制信号。
可选地，所述采用转动控制传递函数，生成转动控制信号，包括：
采用以下转动控制传递函数，生成转动控制信号：
Figure BDA0004104306630000041
其中，G2(s2)为转动控制传递函数，L(s2)为将所述激光雷达的转角转换为所述扫描装置的扫描角的传递函数，G(s2)为反馈传递函数，D2(s2)为基于实际转角的扰动力矩传递函数，H(s2)为所述扫描装置的传递函数，s2为将所述激光雷达的转角转换为角速度的传递函数，复变量s2＝σ2+jω2，σ2为任意实数，ω2为所述角速度检测单元测量所述激光雷达的转角获得的角频率。
可选地，所述测量所述激光雷达的运动状态，包括：
采用惯性测量单元测量所述激光雷达的加速度和角速度中至少一种。
由于激光雷达的运动会对扫描装置造成扰动，因此，采用本说明书实施例的激光雷达方案，通过测量的激光雷达的运动状态，可以生成运动信号，且通过运动信号可以生成前馈控制信号，然后，根据所述前馈控制信号可以对扫描装置进行调整，从而对扫描装置受到的扰动进行主动补偿，消除扰动产生的影响，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，故可以提高激光雷达生成点云数据的稳定性和质量。
进一步地，通过测量所述扫描装置的位姿状态，可以生成位姿信号，并且通过比较所述位姿信号和参考信号得到的位姿误差，可以生成反馈控制信号，然后，扫描装置可以根据反馈控制信号进行调整，由此，根据激光雷达的运动状态和扫描装置当前的位姿状态，可以控制所述扫描装置调整位姿，从而对扰动产生的偏差进行主动补偿和反馈调节，使得扫描装置处于预期的位姿状态，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，提高激光雷达采集数据的准确性。
进一步地，通过测量激光雷达的加速度，可以生成加速度信号，并且通过所述加速度信号，可以生成平动控制信号，进而可以基于所述平动控制信号对所述扫描装置进行位姿调整，由此，可以消除激光雷达振动造成的平动干扰，增强扫描装置的抗干扰能力，使得扫描装置在扫描时更加稳定，提高扫描装置的扫描质量。
进一步地，通过测量激光雷达的角速度，可以生成角速度信号，并且通过所述角速度信号，可以生成转动控制信号，进而可以基于所述转动控制信号对所述扫描装置进行位姿调整，由此，可以消除激光雷达转动造成的转动干扰，增强扫描装置的抗干扰能力，使得扫描装置在扫描时更加稳定，提高扫描装置的扫描质量。
进一步地，所述运动检测装置可以包括惯性测量单元，通过惯性测量单元可以测量激光雷达的加速度或角速度中至少一种，由此，可以选择性地检测激光雷达的一种或两种运动信息，且在测量激光雷达的加速度和角速度时，可以多维度地消除激光雷达运动对扫描装置造成的扰动，进而提高扫描装置的扫描质量；并且，由于通过惯性测量单元能够检测激光雷达的两种运动信息，从而可以减少激光雷达中检测单元的数量，简化激光雷达的结构。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对本说明书实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本说明书实施例中一种激光雷达的结构示意图；
图2是本说明书实施例中另一种激光雷达的结构示意图；
图3是本说明书实施例中另一种激光雷达的结构示意图；
图4是本说明书实施例中一种激光雷达的系统控制框图；
图5是本说明书实施例中另一种激光雷达的结构示意图；
图6是图5的激光雷达相应的传递函数框图；
图7是本说明书实施例中另一种激光雷达的结构示意图；
图8是图7的激光雷达相应的传递函数框图；
图9是本说明书实施例中另一种激光雷达的结构示意图；
图10是本说明书实施例中另一种激光雷达的系统控制框图；
图11是本说明书实施例中一种激光雷达控制方法的流程图；
图12是本说明书实施例中另一种激光雷达控制方法的流程图；
图13是本说明书实施例中另一种激光雷达控制方法的流程图。
具体实施方式
本说明书实施例提供了一种激光雷达，通过测量的激光雷达的运动状态，可以生成运动信号，且通过运动信号生成的前馈控制信号，可以对扫描装置进行调整，从而对扫描装置受到的扰动进行主动补偿，消除扰动产生的影响，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，故可以提高激光雷达生成点云数据的稳定性和质量。
为使本领域技术人员更加清楚地了解及实施本说明书实施例的构思、实现方案及优点，以下参照附图，通过具体应用场景进行详细说明。
参照图1所示的本说明书实施例中一种激光雷达的结构示意图，在本说明书实施例中，激光雷达10可以包括：运动检测装置11、前馈控制装置12和扫描装置13，其中：
所述运动检测装置11，适于测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号，并输入所述前馈控制装置；
所述前馈控制装置12，适于根据所述运动信号，生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号输入所述扫描装置；
所述扫描装置13，适于根据所述前馈控制信号进行调整。
采用上述方案，根据运动信号生成的前馈控制信号，可以对扫描装置进行调整，从而对扫描装置受到的扰动进行主动补偿，消除扰动产生的影响，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，故可以提高激光雷达生成点云数据的稳定性和质量。
在具体实施中，所述激光雷达可以为旋转式激光雷达，通过旋转激光雷达，可以探测三维空间中各角度的物体。其中，旋转式激光雷达具体可以分为：振镜扫描式激光雷达、转镜扫描式激光雷达、摆动镜扫描式激光雷达和机械转动式激光雷达等。
在具体实施中，所述扫描装置可以采用扫描振镜对探测信号或回波信号进行反射，并且可以通过旋转或摆动该扫描振镜来改变其反射角度，从而对三维空间中的目标进行各方位的扫描。其中，扫描振镜具体可以分为：静电式振镜、电磁式振镜、压电式振镜和电热式振镜等。
在具体实施中，所述前馈控制装置根据激光雷达的运动状态，可以控制所述扫描装置调整位姿，从而对扰动产生的偏差进行主动补偿，增强扫描装置受到扰动时的稳定性。
其中，所述扫描装置的位姿可以包括：扫描装置的角度和/或位置，即可以调整所述扫描装置的角度，也可以调整所述扫描装置的位置，还可以同时调整所述扫描装置的角度和位置。并且，所述扫描装置的位姿所在的坐标系可以与所述激光雷达所在的坐标系一致，即可以将激光雷达的坐标系作为扫描装置的坐标系；所述扫描装置的位姿所在的坐标系也可以与激光雷达所在的坐标系不一致，通过建立两者所在坐标系的对应关系，可以进行坐标系转换。
在实际应用中，扫描装置可以包括扫描振镜，调整所述扫描装置的位姿可以包括：调整扫描振镜的位姿；此外，扫描装置还可以包括驱动器，由此可以通过驱动器调整扫描振镜的位姿。其中，所述扫描振镜的位姿可以包括：扫描振镜的角度和/或位置。驱动器一般通过驱动电流或者驱动电压来给扫描振镜提供用于调整角度和/或位置的控制信号。
在具体实施中，扫描装置可以根据接收到的位姿控制信号进行位移和/或旋转，从而改变扫描方向，进行不同方向的探测，然而，扫描装置的当前位姿与预期位姿可能产生偏差，为了解决实际位姿与预期位姿之间的偏差问题，所述激光雷达还可以增加反馈控制，具体而言，将所述扫描装置的当前位姿与预期位姿之间进行比较，从而得到当前位姿与预期位姿之间的位姿误差，作为反馈信号，再根据位姿误差控制所述扫描装置进行反馈调节，从而可以较小或消除偏差，使得扫描装置处于预期的位姿状态。
可以理解的是，可以根据实际需求采用前馈控制和/或反馈控制，本说明书实施例对此不作限制。以下通过实施例进行详细阐述。
在本说明书一实施例中，如图2所示，所述激光雷达10可以包括：运动检测装置11、前馈控制装置12，扫描装置13和反馈控制装置21。所述反馈控制装置21可以根据所述扫描装置10的位姿误差，生成反馈控制信号，并输入所述扫描装置13。所述扫描装置13可以根据所述前馈控制信号和所述反馈控制信号进行调整。
采用上述实施例，根据激光雷达的运动状态和扫描装置当前的位姿状态，可以控制所述扫描装置调整位姿，从而对扰动产生的偏差进行主动补偿和反馈调节，使得扫描装置处于预期的位姿状态，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，提高激光雷达采集数据的准确性。
在具体实施中，可以是反馈控制装置采集所述扫描装置的位姿状态后，计算得出所述扫描装置的位姿误差；也可以是其他处理装置采集所述扫描装置的位姿状态后计算得出并传输给反馈控制装置，再计算得出所述扫描装置的位姿误差；还可以是通过其他采集装置采集所述扫描装置的位姿状态后，反馈控制装置根据采集到的所述扫描装置的位姿误差计算得出所述扫描装置的位姿误差。
其中，当采用其他处理装置或其他采集装置采集所述扫描装置的位姿状态并计算位姿误差时，该装置可以与扫描装置接触，如安装于扫描装置上；也可以不与扫描装置接触，如安装于激光雷达的其他部位，或者与激光雷达处于同一系统中。本说明书对于采集所述扫描装置的位姿状态的装置和该装置的安装位置不作限制。以下通过附图和实施例对获取姿态误差的方式进行详细说明，需要理解的是，本说明书中的实施例仅为示例说明，并非对如何获取姿态误差的实施方式进行限制。
在本说明书一实施例中，如图3所示，所述激光雷达10可以包括：运动检测装置11、前馈控制装置12，扫描装置13，反馈控制装置21和位姿检测装置31。所述位姿检测装置31可以测量所述扫描装置13的位姿状态，生成位姿信号，并输入所述反馈控制装置21；所述反馈控制装置21可以根据实际位姿相应的位姿信号和预期位姿相应的参考信号，计算所述扫描装置13的位姿误差。
其中，所述位姿检测装置31可以采用任何能够测位置参数和/或角度参数的传感器采集所述扫描装置的位姿状态，例如，所述位姿检测装置31可以包括PSD(PositionSensitive Device，位置灵敏探测器)传感器和/或角度传感器。
作为一可选示例，位姿检测装置31输出的位姿信号可以为：采集扫描装置的位姿状态获得的位姿电信号转换而成的位姿波形信号。由此，所述参考信号可以为参考波形信号，通过比较位姿波形信号和参考波形信号，可以得到位姿误差。
在实际应用时，所述位姿检测装置可以采用激光雷达的坐标系，也可以采用其他坐标系；所述参考信号所在的参考坐标系可以与激光雷达所在的坐标系一致，即可以将激光雷达的坐标系作为参考坐标系，所述参考信号所在的参考坐标系也可以与激光雷达所在的坐标系不一致；通过建立参考信号和位姿信号所在坐标系的对应关系，可以进行坐标系转换，从而得到同一坐标系下的位姿误差。
如图4所示，为一种激光雷达的系统控制框图。以下结合图1、图3和图4，详细说明激光雷达的动态控制过程。
如图4中点划线部分所示，激光雷达10的运动会对扫描装置13造成扰动，运动检测装置11根据测量得到的激光雷达10的运动状态，可以生成运动信号并输入前馈控制装置12。
如图4中实现部分所示，结合图1，前馈控制装置12根据所述运动信号，可以生成前馈控制信号并将所述前馈控制信号输入扫描装置13，所述扫描装置13根据所述前馈控制信号进行调整。
作为一可选示例，如图4中虚线部分所示，结合图3，位姿检测装置31根据测量得到的扫描装置13的位姿状态，可以生成位姿信号并输入反馈控制装置21；反馈控制装置21根据所述位姿信号和参考信号，可以计算得到所述扫描装置13的位姿误差，并且根据所述扫描装置13的位姿误差，可以生成反馈控制信号并输入所述扫描装置13；所述扫描装置13根据所述前馈控制信号和所述反馈控制信号可以进行调整。
经过发明人研究发现，在现有应用场景中，激光雷达受到的干扰主要可以包括：一是当激光雷达发生振动时，可能会造成扫描装置等部件相对于激光雷达发生平行运动，由此造成平动干扰，扫描装置偏心产生惯性力矩，导致扫描装置的实际扫描方向发生偏差。二是当激光雷达的安装基座发生相对运动时，可能会在扫描装置上叠加一个牵连运动，由此造成转动干扰，惯性力矩变大，产生附加角度，导致扫描装置的实际扫描方向发生偏差。
因此，在具体实施中，所述激光雷达的运动状态可以包括：激光雷达的振动状态和/或激光雷达的转动状态。通过测量能够代表所述激光雷达的运动状态的物理量，生成运动信号，可以对扫描装置进行前馈补偿。
例如，所述运动检测装置可以包括：加速度检测单元，适于测量所述激光雷达的加速度，生成加速度信号；相应地，所述前馈控制装置可以包括：平动前馈控制单元，适于根据所述加速度信号，生成平动控制信号。
其中，所述平动前馈控制单元可以采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，所述平动控制传递函数可以基于所述加速度信号获得所述平动控制信号。
采用上述实施例，根据加速度获得的平动控制信号可以消除激光雷达振动造成的平动干扰，增强扫描装置的抗干扰能力，使得扫描装置在扫描时更加稳定，提高扫描装置的扫描质量。
又例如，所述运动检测装置可以包括：角速度检测单元，适于测量所述激光雷达的角速度，生成角速度信号；相应地，所述前馈控制装置可以包括：转动前馈控制单元，适于根据所述角速度信号，生成转动控制信号。
其中，所述转动前馈控制单元可以采用转动控制传递函数，生成所述转动控制信号，所述转动控制传递函数可以基于所述角速度信号获得转动控制信号。
采用上述实施例，根据角速度获得的转动控制信号可以消除激光雷达转动造成的转动干扰，增强扫描装置的抗干扰能力，使得扫描装置在扫描时更加稳定，提高扫描装置的扫描质量。
在具体实施中，所述运动检测装置可以根据实际情景，采用加速度检测单元测量所述激光雷达的加速度和/或采用角速度检测单元测量所述激光雷达的角速度，相应地，所述前馈控制装置可以采用平动前馈控制单元生成平动控制信号和/或采用转动前馈控制单元生成转动控制信号。作为一可选示例，还可以结合反馈控制装置生成的反馈控制信号，对扫描装置进行调整。以下通过具体实施例及其附图进行详细说明。
在本说明书一实施例中，如图5所述，所述激光雷达10可以包括：运动检测装置11、前馈控制装置12，扫描装置13，反馈控制装置21和位姿检测装置31；所述运动检测装置11可以包括加速度检测单元111，所述前馈控制装置12可以包括平动前馈控制单元121。
如图6所述，为本实施例的传递函数框图。激光雷达10因振动产生的真实的加速度a1作为物理量，可以视为一种信号a1(t)，经过拉普拉斯(Laplace)变换后，可以得到复频域中的真实加速度A1(s1)。加速度检测单元111可以通过传感器测量激光雷达10因振动产生的真实的加速度a1，测得相应的加速度信号a2(t)，经过拉普拉斯变换后，可以得到复频域中的加速度信号A2(s1)。平动前馈控制单元121在复频域中的传递函数(即平动控制传递函数)可以表示为G1(s1)，基于激光雷达10的实际加速度的扰动力矩传递函数可以为D1(s1)，扫描装置13在复频域中的传递函数可以为H(s1)，反馈控制单元21在复频域中的传递函数(即反馈控制传递函数)可以表示为G(s1)。位姿检测装置31生成位姿信号在复频域中可以表示为Xw(s1)。
其中，G1(s1)＝-D1(s1)，复变量s1＝σ1+jω1，σ1为任意实数，ω1为所述加速度信号a2(t)的角频率。D1(s1)可以通过先验知识获得，也可以通过实验测量激光雷达10在现实中的实际加速度与相应的扰动力矩，再根据测量得到的数据推导出两者之间的关系，本说明书实施例对此不作限制。
以下结合图5和图6，详细说明激光雷达的动态控制过程。
当所述激光雷达10发生振动时，激光雷达10因振动产生的实际加速度a1会对扫描装置13造成平动干扰，通过预设的基于实际加速度的扰动力矩传递函数D1(s1)，可以得到在复频域的平动干扰信号Xd(s1)，加速度检测单元111根据测量得到的所述激光雷达10的加速度，可以生成加速度信号a2(t)，并输入平动前馈控制单元121，所述平动前馈控制单元121根据拉普拉斯变换后的加速度信号A2(s1)和平动控制传递函数G1(s1)，可以生成平动控制信号Xp(s1)。由于G1(s1)＝-D1(s1)，平动控制信号Xp(s1)可以主动补偿平动干扰信号Xd(s1)产生的偏差。
在加速度检测单元111的测量精度达到预设的精度范围时，加速度检测单元111生成的加速度信号a2(t)可以认为与实际加速度a1一致，此时平动控制信号Xp(s1)与平动干扰信号Xd(s1)相互抵消。
位姿检测装置31根据测量得到的扫描装置13的位姿状态，可以生成位姿信号Xw(s1)并输入反馈控制装置21，反馈控制装置21根据所述位姿信号Xw(s1)和参考信号，可以计算得到所述扫描装置13的位姿误差，并且根据所述扫描装置13的位姿误差和反馈控制传递函数G(s1)，可以生成反馈控制信号xg(s1)并输入所述扫描装置13；所述扫描装置13根据反馈控制信号Xg(s1)可以进行调整。
此时，所述扫描装置13根据所述平动控制信号Xp(s1)和所述反馈控制信号Xg(s1)进行调整后，处于预期的位姿状态，确保实际扫描方向不发生偏差。
在本说明书另一实施例中，如图7所述，所述激光雷达10可以包括：运动检测装置11、前馈控制装置12，扫描装置13，反馈控制装置21和位姿检测装置31；所述运动检测装置11可以包括角速度检测单元112，所述前馈控制装置12可以包括转动前馈控制单元122。由于在实际应用中，扫描装置的扫描方向可以通过与建立的坐标系中某一参考方向的夹角来量化描述，称为是该坐标系下的扫描角，并且，激光雷达在建立的坐标系中相对于某一参照物转动的夹角可以称为该坐标系下的转角。例如，扫描装置在路面坐标系下的扫描角可以是扫描装置的扫描方向与路面的夹角；激光雷达在路面坐标系下的转角可以是激光雷达相对于路面转动的夹角。
可以理解的是，在不同坐标系或不同参考方向的情况下，可以得到不同的扫描角，在不同坐标系或不同参考物的情况下，可以得到不同的转角，本说明书对此不作限制。
由于转角与角速度存在微分关系，所述角速度检测单元112通过对测量得到的激光雷达10的转角进行微分，可以获得所述激光雷达10的角速度，由此生成角速度信号。
采用上述实施例，可以通过激光雷达的转角控制扫描装置的位姿，从而改变扫描装置的扫描方向，为了可以在不同的应用场景下控制扫描装置的位姿，需要明确同一坐标系下，激光雷达的转角和扫描装置的扫描角之间的对应关系。
激光雷达因转动产生的真实的转角θ1作为物理量，可以视为一种信号θ1(t)，同样地，扫描装置的扫描角θ2作为物理量，也可以视为一种信号θ2(t)。通过预先设置一个将所述激光雷达的转角转换为所述扫描装置的扫描角的传递函数，可以确定同一坐标系下激光雷达的转角和扫描装置的扫描角之间的对应关系。
如图8所述，为本实施例的传递函数框图。激光雷达10在路面坐标系下的转角可以为θ1，可以将激光雷达10的转角θ1视为一种脉冲信号，经过拉普拉斯变换后为常量1。
由于转角与角速度存在微分关系，因此角速度检测单元112可以视为一个微分环节，经过拉普拉斯变换后，角速度检测单元112在复频域中的传递函数可以表示为s2。其中，复变量s2＝σ2+jω2，σ2为任意实数，ω2为所述角速度检测单元112测量所述激光雷达10的转角获得的角频率。
基于激光雷达10的实际转角的扰动力矩传递函数可以为D2(s2)，D2(s2)可以通过先验知识获得，也可以通过实验测量激光雷达10在现实中的实际转角与相应的扰动力矩，再根据测量得到的数据推导出两者之间的关系，本说明书实施例对此不作限制。
转动前馈控制单元122在复频域中的传递函数(即转动控制传递函数)可以表示为G2(s2)，扫描装置13在复频域中的传递函数可以为H(s2)。反馈控制单元21在复频域中的传递函数(即反馈控制传递函数)可以为G(s2)。
经过预先设置，所述将所述激光雷达的转角转换为所述扫描装置的扫描角的传递函数可以为L(s2)，当激光雷达10在预设坐标系下的转角为Θ1(s2)时，扫描装置在同一坐标系下的扫描角Θ2(s2)为L(s2)Θ1(s2)。
通过图8可以得到以下等式：
Figure BDA0004104306630000121
可以计算得到反馈控制传递函数G(s2)的表达式：
Figure BDA0004104306630000122
为了简化表达式，可以省略其中的“(s2)”，从而得到：
Figure BDA0004104306630000123
以下结合图7和图8，详细说明激光雷达的动态控制过程。
当所述激光雷达10发生转动时，会对扫描装置13造成转动干扰，通过预设的基于路面坐标系下的实际转角的扰动力矩传递函数D2(s2)，可以得到在复频域的转动干扰信号Xb(s2)，角速度检测单元112根据测量得到的所述激光雷达10的角速度，可以生成角速度信号，并输入转动前馈控制单元122，所述转动前馈控制单元122根据所述角速度信号和转动控制传递函数G2(s2)，可以生成转动控制信号Xz(s2)。
所述位姿检测装置31可以采用激光雷达10的坐标系，位姿检测装置31根据测量得到的扫描装置13的位姿状态，可以生成激光雷达10的坐标系下的位姿信号Xw(s2)并输入反馈控制装置21，反馈控制装置21根据所述位姿信号Xw(s2)和参考信号，可以计算得到所述扫描装置13的位姿误差，并且根据所述扫描装置13的位姿误差和反馈控制传递函数G(s2)，可以生成反馈控制信号Xg(s2)。
此时，所述扫描装置13可以根据所述转动控制信号Xz(s2)和所述反馈控制信号Xg(s2)进行调整后，可以完全消除转动干扰信号Xb(s2)的影响，对点划线方框区域(即L(s2)-1)进行扰动主动补偿，从而通过虚线区域(即L(s2))可以实现将所述激光雷达的转角准确地转换为所述扫描装置的扫描角，使扫描装置13处于预期的位姿状态，扫描装置13在路面坐标系下的扫描角为预期的扫描角，确保实际扫描方向不发生偏差，从而可以控制不同坐标系下扫描装置的扫描方向。
可以理解的是，上述实施例仅为示例说明，根据实际情况，前馈控制装置可以输出平动控制信号和/或转动控制信号对扫描装置进行前馈控制，本说明书对此不作限制。
在具体实施中，如图9所示，所述运动检测装置11还可以包括惯性测量单元113，所述惯性测量单元113可以测量所述激光雷达10的加速度和角速度中至少一种。相应地，当惯性测量单元113测量所述激光雷达10的加速度时，所述前馈控制装置可以包括平动前馈控制单元121；当惯性测量单元113测量所述激光雷达10的角速度时，所述前馈控制装置可以包括转动前馈控制单元122。
如图10所示，为一种激光雷达的系统控制框图。以下结合图9和图10，详细说明激光雷达的动态控制过程。
如图10中点划线部分所示，结合图9，所述扫描设备13因激光雷达的运动会受到扰动，具体可以包括平动干扰和转动干扰。惯性测量单元113根据测量得到的激光雷达10的运动状态，可以生成运动信号并输入前馈控制装置12。具体而言，惯性测量单元113可以测量所述激光雷达10的加速度和角速度中至少一种。
如图10中实线部分所示，结合图9，在所述惯性测量单元113测量所述激光雷达10的加速度，生成加速度信号时，所述平动前馈控制单元121可以根据所述加速度信号，生成平动控制信号。所述扫描装置13根据所述平动控制信号进行调整。
在所述惯性测量单元113测量所述激光雷达10的角速度，生成角速度信号时，所述转动前馈控制单元122可以根据所述角速度信号，生成转动控制信号。所述扫描装置13根据所述转动控制信号进行调整。
作为一可选示例，如图10中虚线部分所示，结合图9，位姿检测装置31根据测量的所述扫描装置10的位姿状态，生成位姿信号，并输入所述反馈控制装置21，所述反馈控制装置21可以根据所述位姿信号和参考信号，计算所述扫描装置的位姿误差，并生成反馈控制信号。所述扫描装置13可以根据接收到的反馈控制信号进行调整。
当所述位姿检测装置31采用激光雷达坐标系时，扫描装置13经过调整后处于激光雷达10坐标系下的扫描角与处于路面坐标系下的激光雷达10的转角进行叠加后，可以得到扫描装置13处于路面坐标系下的扫描角。从而可以控制不同坐标系下扫描装置的扫描方向。
采用上述实施例，可以选择性地检测激光雷达的一种或两种运动信息，且在测量激光雷达的加速度和角速度时，可以多维度地消除激光雷达运动对扫描装置造成的扰动，进而提高扫描装置的扫描质量；并且，由于通过惯性测量单元能够检测激光雷达的两种运动信息，从而可以减少激光雷达中检测单元的数量，简化激光雷达的结构。
在具体实施中，所述运动检测装置可以根据实际情况进行安装，例如可以安装在激光雷达支架上，也可以安装于激光雷达上的其他部位。为了获取更准确的测量数据，所述运动检测装置可以安装于靠近扫描装置的位置。
在实际应用中，所述激光雷达可以用于采集目标的参数数据，例如，可以采集目标的距离数据、速度数据、轨迹数据等。通过前馈控制装置对扫描装置受到的扰动进行主动补偿，消除扰动产生的影响，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，提高激光雷达生成点云数据的质量，使得激光雷达的性能更加稳定，同时有利于后期进行障碍物检测、障碍物分类、动态物体跟踪等点云数据处理。
本说明书实施例还提供了与上述激光雷达对应的激光雷达控制方法，以下参照附图，通过具体实施例进行详细介绍。
参照图11所示的本说明书实施例中一种激光雷达控制方法的流程图，在本说明书实施例中，可以包括如下步骤：
S111，测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号。
其中，所述激光雷达可以为旋转式激光雷达，通过旋转激光雷达，可以探测三维空间中各角度的物体。其中，旋转式激光雷达具体可以分为：振镜扫描式激光雷达、转镜扫描式激光雷达、摆动镜扫描式激光雷达和机械转动式激光雷达等。
S112，基于所述运动信号，生成前馈控制信号。
S113，基于所述前馈控制信号，调整所述激光雷达的扫描装置。
在具体实施中，所述前馈控制装置根据激光雷达的运动状态，可以控制所述扫描装置调整位姿，从而对扰动产生的偏差进行主动补偿，增强扫描装置受到扰动时的稳定性。
其中，所述扫描装置的位姿可以包括：扫描装置的角度和/或位置，即可以调整所述扫描装置的角度，也可以调整所述扫描装置的位置，还可以同时调整所述扫描装置的角度和位置，其中角度指的是扫描装置相对于激光雷达机体的角度；位置指的是扫描装置相对于激光雷达机体的位置。
在实际应用中，所述扫描装置的位姿所在的坐标系可以与所述激光雷达所在的坐标系一致，即可以将激光雷达的坐标系作为扫描装置的坐标系；所述扫描装置的位姿所在的坐标系也可以与激光雷达所在的坐标系不一致，通过建立两者所在坐标系的对应关系，可以进行坐标系转换。
采用上述方案，根据运动信号生成的前馈控制信号，可以对扫描装置进行调整，从而对扫描装置受到的扰动进行主动补偿，消除扰动产生的影响，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，故可以提高激光雷达生成点云数据的稳定性和质量。
在具体实施中，为了解决实际位姿与预期位姿之间的偏差问题，所述激光雷达还可以增加反馈控制，根据所述扫描装置当前位姿与预期位姿之间的误差，控制所述扫描装置进行调整。
具体而言，如图12所示，所述激光雷达控制方法还可以包括：
S121，基于所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号。
其中，所述扫描装置的位姿误差可以是反馈控制装置采集所述扫描装置的位姿状态后计算得出的，也可以是其他处理装置采集所述扫描装置的位姿状态后计算得出并传输给反馈控制装置的。
S122，基于所述前馈控制信号和所述反馈控制信号调整，调整所述扫描装置。
可以理解的是，上述步骤S111～S113与步骤S121～S122之间不存在先后顺序，可以分开单独进行，也可以按照预设的顺序进行，本说明书实施例对此不作限制。
采用上述方案，可以较小或消除偏差，使得扫描装置处于预期的位姿状态。
作为一可选示例，根据激光雷达的运动状态和扫描装置当前的位姿状态，结合前馈控制信号和反馈控制信号，可以控制所述扫描装置调整位姿，从而对扰动产生的偏差进行主动补偿和反馈调节，使得扫描装置处于预期的位姿状态，增强扫描装置受到扰动时的稳定性，提高激光雷达采集数据的准确性。
在具体实施中，如图13所示，作为一可选示例，可以通过以下步骤获得位姿误差，从而生成反馈控制信号，调整所述扫描装置：
S131，测量所述扫描装置的位姿状态，生成位姿信号。
其中，所述位姿信号可以为：采集扫描装置的位姿状态获得的位姿电信号转换而成的位姿波形信号。相应地，所述参考信号可以为参考波形信号。
S132，基于所述位姿信号和参考信号，计算所述扫描装置的位姿误差。
S133，基于所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号。
S134，基于所述前馈控制信号和所述反馈控制信号调整，调整所述扫描装置。
在实际应用时，位姿信号可以处于激光雷达的坐标系下，也可以处于其他坐标系下；所述参考信号所在的参考坐标系可以与激光雷达所在的坐标系一致，即可以将激光雷达的坐标系作为参考坐标系，所述参考信号所在的参考坐标系也可以与激光雷达所在的坐标系不一致；通过建立参考信号和位姿信号所在坐标系的对应关系，可以进行坐标系转换，从而得到同一坐标系下的位姿误差。
在具体实施中，所述激光雷达的运动状态可以包括：激光雷达的振动状态和/或激光雷达的转动状态。激光雷达的振动会对扫描装置造成平动干扰，激光雷达的转动会对扫描装置造成转动干扰。因此，通过测量能够代表所述激光雷达的运动状态的物理量，生成运动信号，可以对扫描装置进行前馈补偿。
具体而言，所述测量所述激光雷达的运动状态，生成运动信号可以包括以下至少一种：
测量所述激光雷达的加速度，生成加速度信号；
测量所述激光雷达的角速度，生成角速度信号。
相应地，所述基于所述运动信号，生成前馈控制信号，可以包括以下至少一种：
在测量所述激光雷达的加速度并生成加速度信号之后，基于所述加速度信号，生成平动控制信号；
在测量所述激光雷达的角速度并生成角速度信号之后，基于所述角速度信号，生成转动控制信号。
采用上述实施例，通过平动控制信号可以消除激光雷达振动造成的平动干扰，通过转动控制信号可以消除激光雷达转动造成的转动干扰，从而增强扫描装置的抗干扰能力，使得扫描装置在扫描时更加稳定，提高扫描装置的扫描质量。
在具体实施中，可以采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，所述平动控制传递函数基于所述加速度信号获得所述平动控制信号。
其中，可以采用以下平动控制传递函数生成所述平动控制信号：
G1(s1)＝-D1(s1)；
其中，G1(s1)为平动控制传递函数，D1(s1)为基于实际加速度的扰动力矩传递函数，s1＝σ1+jω1，σ1为任意实数，ω1为所述加速度信号的角频率。
在具体实施中，可以采用转动控制传递函数，生成转动控制信号，所述转动控制传递函数基于所述角速度信号获得所述转动控制信号。
其中，可以采用以下转动控制传递函数，生成转动控制信号：
Figure BDA0004104306630000171
其中，G2(s2)为转动控制传递函数，L(s2)为将所述激光雷达的转角转换为所述扫描装置的扫描角的传递函数，G(s2)为反馈传递函数，D2(s2)为基于实际转角的扰动力矩传递函数，H(s2)为所述扫描装置的传递函数，s2为将所述激光雷达的转角转换为角速度的传递函数，复变量s2＝σ2+jω2，σ2为任意实数，ω2为所述角速度检测单元测量所述激光雷达的转角获得的角频率。
在具体实施中，可以采用惯性测量单元测量所述激光雷达的加速度和角速度中至少一种。由此，可以选择性地检测激光雷达的一种或两种运动信息，且在测量激光雷达的加速度和角速度时，可以多维度地消除激光雷达运动对扫描装置造成的扰动，进而提高扫描装置的扫描质量；并且，由于通过惯性测量单元能够检测激光雷达的两种运动信息，从而可以减少激光雷达中检测单元的数量，简化激光雷达的结构。
虽然本说明书实施例披露如上，但本说明书实施例并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本说明书实施例的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本说明书实施例的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (22)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括运动检测装置、位姿检测装置和扫描装置，其中：
所述运动检测装置，适于测量所述激光雷达的运动状态；
位姿检测装置，适于测量所述扫描装置的位姿状态；
所述扫描装置，适于对目标进行扫描，其中，根据所述运动状态和/或所述位姿状态进行位姿调整，以改变扫描方向，进行不同方向的探测。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述运动检测装置，还适于基于所述激光雷达的运动状态，生成运动信号；
所述激光雷达还包括：前馈控制装置，适于根据所述运动信号，生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号输入所述扫描装置，对所述扫描装置进行位姿调整。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括反馈控制装置，适于根据所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号，并输入所述扫描装置；
所述扫描装置，还适于根据所述前馈控制信号和所述反馈控制信号进行位姿调整。
4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述位姿检测装置，还适于基于所述扫描装置的位姿状态，生成位姿信号，并输入所述反馈控制装置；
所述反馈控制装置还适于根据所述位姿信号和参考信号，计算所述扫描装置的位姿误差。
5.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述运动检测装置包括：
加速度检测单元，适于测量所述激光雷达的加速度，生成加速度信号；
所述前馈控制装置包括：
平动前馈控制单元，适于根据所述加速度信号，生成平动控制信号。
6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述平动前馈控制单元，适于采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，所述平动控制传递函数基于所述加速度信号获得所述平动控制信号。
7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述平动控制传递函数为：
G1(s1)＝-D1(s1)；
其中，G1(s1)为平动控制传递函数，D1(s1)为基于实际加速度的扰动力矩传递函数，复变量s1＝σ1+jω1，σ1为任意实数，ω1为所述加速度信号的角频率。
8.根据权利要求3或4所述的激光雷达，其特征在于，所述运动检测装置包括：
角速度检测单元，适于测量所述激光雷达的角速度，生成角速度信号；
所述前馈控制装置包括：
转动前馈控制单元，适于根据所述角速度信号，生成转动控制信号。
9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述转动前馈控制单元适于采用转动控制传递函数，生成所述转动控制信号，所述转动控制传递函数基于所述角速度信号获得转动控制信号。
10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述转动控制传递函数为：
Figure FDA0004104306620000021
其中，G2(s2)为转动控制传递函数，L(s2)为将所述激光雷达的转角转换为所述扫描装置的扫描角的传递函数，G(s2)为所述反馈控制装置的反馈传递函数，D2(s2)为基于实际转角的扰动力矩传递函数，H(s2)为所述扫描装置的传递函数，s2为所述角速度检测单元的传递函数，复变量s2＝σ2+jω2，σ2为任意实数，ω2为所述角速度检测单元测量所述激光雷达的转角获得的角频率。
11.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述运动检测装置包括惯性测量单元，适于测量所述激光雷达的加速度和角速度中至少一种。
12.一种激光雷达控制方法，其特征在于，所述激光雷达包括：扫描装置，适于对目标进行扫描；所述方法包括：
测量所述激光雷达的运动状态；
测量所述扫描装置的位姿状态；
根据所述运动状态和/或所述位姿状态，对所述扫描装置进行位姿调整，以改变扫描方向，进行不同方向的探测。
13.根据权利要求12所述的激光雷达控制方法，其特征在于，还包括：
基于所述激光雷达的运动状态，生成运动信号；
根据所述运动信号，生成前馈控制信号；
将所述前馈控制信号输入所述扫描装置，对所述扫描装置进行位姿调整。
14.根据权利要求13所述的激光雷达控制方法，其特征在于，还包括：
基于所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号；
基于所述前馈控制信号和所述反馈控制信号，对所述扫描装置进行位姿调整。
15.根据权利要求14所述的激光雷达控制方法，其特征在于，在基于所述扫描装置的位姿误差，生成反馈控制信号之前，还包括：
基于所述扫描装置的位姿状态，生成位姿信号；
基于所述位姿信号和参考信号，计算所述扫描装置的位姿误差。
16.根据权利要求13所述的激光雷达控制方法，其特征在于，所述基于所述激光雷达的运动状态，生成运动信号，包括：
基于所述激光雷达的加速度，生成加速度信号；
所述基于所述运动信号，生成前馈控制信号，包括：
基于所述加速度信号，生成平动控制信号。
17.根据权利要求16所述的激光雷达控制方法，其特征在于，所述基于所述加速度信号，生成平动控制信号，包括：
采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，其中，所述平动控制传递函数基于所述加速度信号获得所述平动控制信号。
18.根据权利要求17所述的激光雷达控制方法，其特征在于，所述采用平动控制传递函数，生成所述平动控制信号，包括：
采用以下平动控制传递函数生成所述平动控制信号：
G1(s1)＝-D1(s1)；
其中，G1(s1)为平动控制传递函数，D1(s1)为基于实际加速度的扰动力矩传递函数，s1＝σ1+jω1，σ1为任意实数，ω1为所述加速度信号的角频率。
19.根据权利要求13-15任一项所述的激光雷达控制方法，其特征在于，所述基于所述激光雷达的运动状态，生成运动信号，包括：
基于所述激光雷达的角速度，生成角速度信号；
所述基于所述运动信号，生成前馈控制信号，包括：
基于所述角速度信号，生成转动控制信号。
20.根据权利要求19所述的激光雷达控制方法，其特征在于，所述基于所述角速度信号，生成转动控制信号，包括：
采用转动控制传递函数，生成转动控制信号，其中，所述转动控制传递函数基于所述角速度信号获得所述转动控制信号。
21.根据权利要求20所述的激光雷达控制方法，其特征在于，所述采用转动控制传递函数，生成转动控制信号，包括：
采用以下转动控制传递函数，生成转动控制信号：
Figure FDA0004104306620000041
其中，G2(s2)为转动控制传递函数，L(s2)为将所述激光雷达的转角转换为所述扫描装置的扫描角的传递函数，G(s2)为反馈传递函数，D2(s2)为基于实际转角的扰动力矩传递函数，H(s2)为所述扫描装置的传递函数，s2为将所述激光雷达的转角转换为角速度的传递函数，复变量s2＝σ2+jω2，σ2为任意实数，ω2为所述角速度检测单元测量所述激光雷达的转角获得的角频率。
22.根据权利要求12所述的激光雷达控制方法，其特征在于，所述测量所述激光雷达的运动状态，包括：
采用惯性测量单元测量所述激光雷达的加速度和角速度中至少一种。
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