CN1546344A - 车载扫描式激光雷达探测系统及其探测前方危险物的方法 - Google Patents

Abstract

车载扫描式激光雷达探测系统及其探测前方危险物的方法属于车辆行车信息感知与处理技术领域。其特征是，扫描组建含有两块扫描镜片及驱动其转动的步进电机，控制器的指令输出端通过步进电机驱动电路给步进电机命令使其转动和停止；步进电机通过一个凸轮机构和一个V形摆杆驱动扫描镜片转动。从而使激光以一定的角度范围在车辆前方来回扫描。本方法利用激光发出和接收到目标物反射回来的光的时间差来计算目标物距离，利用步进电机从扫描开始至接到目标物反射光时所转过的角度来计算目标物方位角，并最终输出在一次扫描过程中找到的最危险目标物的距离和方位角信息。本系统能够实现宽范围内的扫描，成本较低。本方法能够有效识别危险目标物。

Description

车载扫描式激光雷达探测系统及其探测前方危险物的方法

技术领域

车载扫描式激光雷达探测系统及其探测前方危险物的方法属于车辆行车信息感知与处理

技术领域。

背景技术

车辆行车信息感知及处理技术是现代汽车控制及安全的关键技术之一，现有测量技术按其应用介质分为微波测量系统和激光测量系统两类，激光雷达系统因测量速度快、精度高、测程远而受到广泛的重视。文献1(余成波，万文略，郑有根：“汽车激光雷达自动防撞微机控制系统的研制”，仪器仪表学报，第22卷第4期，2001年8月。)和文献2(沈明霞，李询：“一种防撞测距雷达的设计”，机械与电子，1999(5)。)中各介绍了一种汽车用激光雷达系统设计，可以实现车载测距的目的，其缺点是没有激光光束的扫描发射装置，造成激光测距光束覆盖面较窄，不能及时有效的发现对自车行车构成危险的目标物。文献3(屠大维：“用于车辆防撞控制的行车环境传感研究”，中国机械工程，第10卷第6期，1999年6月。)中介绍了一种光学扫描式激光测距雷达的设计，可以实现较宽范围的扫描测距，其缺点是采用光学扫描方式，由于光学扫描转镜成本较高，造成整个测量系统价格较高。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足提出了一种车载扫描式激光雷达探测系统，该系统能够实现宽范围内的扫描，且造价也较低。本发明还进一步提出了利用本系统探测前方危险目标物的方法，该方法能够获得危险目标物的距离及方位角信息。

本发明所提出的车载扫描式激光雷达探测系统，含有控制器、激光发射部件、扫描组件、激光接收部件，所述激光发射部件接收控制器发出的指令发射出激光到扫描组件，由扫描组件在m度范围内向车辆前方来回扫描，同时接收前方目标物的反射光，并将反射光反射到所述激光接收部件，激光接收部件将接收到的光转换为电信号输出到控制器，在控制器中进行处理；

其特征在于，所述扫描组件含有：两块扫描镜片及驱动其转动的步进电机，上述控制器的指令输出端通过步进电机驱动电路给步进电机命令使其转动和停止；所述步进电机通过一个凸轮机构和一个V形摆杆驱动所述扫描镜片转动；所述两块扫描镜片共同刚性联接在一个摆轴上，并以该摆轴为交线相互垂直，所述V形摆杆的底端也与所述摆轴刚性联接；所述凸轮机构含有两个装在所述步进电机转轴上，轮廓线相同的凸轮，分别为上凸轮和下凸轮，两个凸轮的轮廓线分别关于各自的中线对称，两个凸轮对称中线的安装夹角为β度；所述V形摆杆的两个臂的末端分别贴靠在所述两个凸轮的轮廓线上；当步进电机转动时，带动两个凸轮转动，由两个凸轮推动V形摆杆转动，进而通过摆轴带动两块扫描镜片转动；上述摆轴通过滚轮安装在机架上，步进电机也固定在该机架上，且摆轴与步进电机的转轴平行安装；在步进电机转轴的末端装有一个零位挡片，该零位挡片与所述上凸轮的对称中线夹角为α；在机架上还装有一个光电开关，所述光电开关的信号输出端与控制器的信号输入端相连，其安装位置与所述零位挡片的高度对应，当零位挡片转至光电开关位置时，使光电开关关闭，使扫描组件射出的激光处于初始零位置；

上述两个凸轮以步进电机转轴为中心的极坐标方程为：

$R=\sqrt{L^2+V^2-2\mathrm{LV}\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4}+\frac{k_c\mathrm{\θ}}{2})}$

其中V为V形摆杆臂的长度，L为摆轴与步进电机转轴之间的距离，m为激光向前方扫描的角度范围，a₂为V形摆杆张开角度的一半， $k_c=\frac{m}{180},$ k_c是为角度扫描范围常数；

上述两个凸轮的对称中线之间安装夹角满足下式：

上述零位挡片与所述上凸轮的对称中线之间的夹角满足下式：

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{V\sin ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}{L-V\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}$

在扫描组件中，所述摆轴上固定套有一个摆轴套，所述摆轴套上与摆轴平行的两个面相互垂直，且与V形摆杆的两个臂之间间隔的角度相同，所述两块扫描镜片分别固定在所述两个面上，以保证两块镜片严格垂直。所述V形摆杆的两个臂的高度位于所述两个凸轮之间，其中一个臂的上表面的末端固定一个带轴承的滚轮，并使该滚轮贴靠在所述上凸轮的轮廓线上，以减小摩擦；在另一个臂下表面的末端也固定一个带轴承的滚轮，并使该滚轮贴靠在所述下凸轮的轮廓线上，以减小摩擦。

利用本系统探测前方危险目标物的方法，其特征是它含有由控制器控制执行的以下步骤：

1)调整扫描组件中的零位挡片至光电开关的位置，使激光扫描的初始角度处于扫描范围的0度位置；

2)开始发射激光并扫描前方m度范围，从该范围内找出最危险的目标物，含有以下步骤：

2.1)根据激光每次发射到接到目标物反射光的时间差Δt来计算目标物的距离D：

其中c是光在空气中传播的速度，单位为米/秒；

2.2)计算目标物与初始扫描位置之间的角度A：

                   A＝k_cA′

其中A’是电机从初始扫描开始到接收到反射光时所转过的角度；

2.3)计算目标物的方位角A_n：

$A_n=A-\frac{m}{2}$

2.4)计算目标物与本车的y向距离，即与本车行驶方向垂直的距离：

                   y＝DsinA_n

2.5)按照下式判断目标物是否为有效目标物：

              |y|＜＝y’，其中y’为目标物有效性判断基准值；

若不成立，则目标物不是有效目标物，返回第2.1)步执行；

若成立，则目标物是有效目标物，保存其距离和方位角数据，执行下一步；

2.6)在本次m度范围内扫描完后，从本次扫描中找出距离本车最近的有效目标物，确定为危险目标物，并输出其距离和方位角数据；

2.7)返回2)步，进行下一次m度范围内的扫描。

实验证明，本系统能够实现宽范围内的激光扫描，利用本系统探测前方危险物的方法能够获得前方危险物的距离和方位角信息，达到了预期的目的。

附图说明：

图1车载扫描式激光雷达探测系统结构示意图；

图2扫描组件结构示意图，其中图2(a)是主视图，图2(b)是俯视图；

图3激光束扫描范围示意图；

图4角度测量原理图；

图5车载激光雷达探测系统探测前方危险物的方法流程图；

图6车载激光雷达探测系统坐标系；

图7距离测量原理图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

一、车载扫描式激光雷达探测系统

如图1所示，激光发射部件包括激光二极管驱动器103、激光二极管104、发射透镜105和固定镜片106，由控制器101发出指令到激光二极管驱动器103，激光二极管驱动器(普通市售激光二极管驱动器即可)内有升压电路，接到控制命令后，将高电压输送到激光二极管，激发激光二极管发出激光，激光通过发射透镜105投射和固定镜片106反射后，入射到扫描组件。扫描组件主要包括扫描镜片112及其驱动用的步进电机及凸轮组件110，和步进电机驱动电路116(普通市售步进电机驱动器即可)及传动机构115，控制器101发出指令到驱动电路116，使步进电机及凸轮组件110转动，步进电机及凸轮组件通过传动机构115使扫描镜片112转动，将激光发射部件射入的激光反射到前方，扫描镜片112同时接收目标物反射回来的光，将光再反射到激光接收部件。激光接收部件含有一个接收透镜114、光电二极管108、信号放大电路109(普通市售信号放大器即可)，扫描组件将目标物反射回来的光再通过扫描镜片反射到接收透镜114，通过接收透镜后照射到光电二极管108上，转变为电信号，再通过信号放大器109后输入到控制器101，在控制器中进行处理。接收透镜114安装的位置是在固定镜片106反射光线的延长线上。本发明中的激光发射部件和激光接收部件在现有技术中已有应用。图1中102是控制信号、107是打向目标物的激光、113是目标物反射回来的激光、117是接收到的激光转换的电信号，118是控制器输出的目标物的相关信息。控制器是采用西门子C164单片机。

如图2所示，本发明采用机械辅助扫描方式，步进电机201外壳固定于机架202上，电机转轴207的一端固定一凸轮机构和一零位挡片206，凸轮机构包括两个凸轮——上凸轮204和下凸轮203，上下凸轮的轮廓线形状相同，在安装位置上相差一定角度。零位挡片206的高度与安装于机架上的光电开关205(普通市售光电开关即可)的高度相配合，零位挡片的安装方向与上凸轮对称中线之间成一定的角度，当凸轮位于零位时，零位挡片恰好伸入光电开关内，使光电开关断开，光电开关输出电压由+5伏变为0伏(此电压可被中央控制器的单片机输入引脚直接采集)表示凸轮处于零位。V形摆杆211底端刚性固定在摆轴212上，扫描镜片210与摆轴212间通过摆轴套209刚性连接，摆轴套平行于摆轴的两个面相互垂直，且与V形摆杆的两个臂之间间隔的角度相同，扫描镜片固定在这两个面上，严格保证了扫描镜片两个镜片之间的垂直关系，使接收透镜始终处于反射光线的延长线上。摆轴212通过滚动轴承安装在机架202上，整个扫描组件可通过机架固定在整个系统的安装底板上。V形摆杆211的两个臂的末端固定有轴承213，轴承外装有滚轮208，其中一个滚轮固定于一个臂的上方，贴靠于上凸轮204的轮廓线上，另外一个滚轮固定于另一个臂的下方，贴靠于下凸轮203的轮廓线上，V形摆杆211位于上下凸轮中间的空隙内，当凸轮机构随着步进电机转动时，由于凸轮轮廓线的作用，将推动V形摆杆转动，滚轮的作用是降低凸轮与V形摆杆的两个臂之间的摩擦力。利用V形摆杆等传动机构，可将电机转动的角度换算成扫描镜片转动的角度，进而换算出发射激光束的发射角度，得到目标物方位角。

扫描组件可以将接收到的光向前方m度范围内来回扫描，如图3所示，车载激光扫描系统发出的激光具有x度束散角的圆锥形出射激光束，扫描光束覆盖角度范围为m(例如m＝10)度，即在m度的范围内，有一束圆锥形激光束在来回扫动，并同时接收目标物反射回来的光。

角度测量原理图如图4所示。首先确定扫描角度范围为0～m°，m的范围为0～180度，m的值可按照使用要求自行确定，如图4(b)所示。摆轴(O₁表示)与步进电机转轴(O₂表示)之间的安装距离为L。V形摆杆臂402的长度为V，张开角度为2a₂，V形摆杆臂与扫描镜片401之间的夹角为a₁，如图4(d)所示。上下凸轮对称中线C₁O₂和C₂O₂之间的安装夹角为β，零位挡片409与上凸轮403对称中线C₁O₂之间的夹角为a，如图4(a)所示。控制器向步进电机发出脉冲信号，步进电机转动一定角度，带动凸轮机构转动，凸轮机构通过凸轮推动V字形摆杆摆动，摆杆带动摆轴进而带动扫描镜片摆动，扫描镜片的摆动引起发射激光出射角的变化。电机转动角度在0°～180°之间变化时，由上凸轮推动摆杆运动，激光束发射角度从0°到m°变化，电机转动角度从180°～360°变化时，由下凸轮推动摆杆运动，激光束发射角度从m°到0°变化，电机转动一周，激光束来回扫描一次，即电机转动角度θ_m从0°均匀变化到180°时，发射光束扫过的角度γ从0°均匀变化到m°，θ_m从180°均匀变化到360°时，发射光束扫过的角度γ从m°均匀变化到0°。电机转动角度θ_m与发射光束扫过的角度γ之间的关系为(1)式所示，即通过检测步进电机转过的角度θ_m就能够算出激光扫过的角度γ：

                γ＝k_cθ_m

k_c为角度扫描范围常数            (1)

$k_c=\frac{m}{180},$

对凸轮外廓线建立极坐标系如图4(e)所示，为了使步进电机转过一周，扫描镜片反射出去的激光光束在m度范围内均匀的来回扫描一周，凸轮的外轮廓线的极坐标方程必须满足

下式：

$R=\sqrt{L^2+V^2-2\mathrm{LV}\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4}+\frac{k_c\mathrm{\θ}}{2})}----\left(2\right)$

其中，0≤θ≤180°；

上、下凸轮轮廓线分别关于凸轮对称中线C₁O₂和C₂O₂对称。

上下凸轮对称中线C₁O₂和C₂O₂之间的安装夹角必须满足下式：

零位挡片与上凸轮对称中线之间的夹角必须满足下式：

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{V\sin ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}{L-V\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}----\left(4\right)$

(2)、(3)和(4)式的推导过程如下：

如图4(a)所示，计摆轴中心点为O₁，步进电机转轴中心点为O₂，系统处于零位置时V形摆杆通过滚轮与上凸轮的接触点为C₁，与下凸轮的接触点为C₂，∠C₁O₁O₂计为A_x，∠O₁O₂C₁计为A_y，∠O₁O₂C₂计为A_z，∠O₂O₁C₂计为A_w。

在扫描镜片处于图4(d)所示中间位置时，按照光的反射定律，发射光束与O₁O₂平行，即此时γ为 按照光的反射定律，要使发射光束发射角度转过

扫描镜片只需转过 所以，当γ＝0°时，即扫描镜片及凸轮处于图4(a)所示位置时，有：

$A_x={\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4}----\left(5\right)$

$A_w={\mathrm{\α}}_2+\frac{m}{4}----\left(6\right)$

得到：

$A_y=\mathrm{arctg}\frac{V\sin ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}{L-V\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}----\left(7\right)$

$A_z=\mathrm{arctg}\frac{V\sin ({\mathrm{\α}}_2+\frac{m}{4})}{L-V\cos ({\mathrm{\α}}_2+\frac{m}{4})}----\left(8\right)$

由图4(a)所示位置关系和(7)，(8)式，可以得到式(3)和式(4)：

$\mathrm{\α}=A_y=\mathrm{arctg}\frac{V\sin ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}{L-V\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}$

在图4(c)中，当凸轮转过θ角时，按照设计要求，γ＝k_cθ_m，按照上述角度对应关系：

$A_x={\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4}+\frac{k_c{\mathrm{\θ}}_m}{2}----\left(9\right)$

利用ΔO₁O₂C中的边角关系及(9)式，可以得到式(2)：

$R=\sqrt{L^2+V^2-2\mathrm{LV}\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4}+\frac{k_c\mathrm{\θ}}{2})}$

二、利用车载扫描式激光雷达探测系统探测前方危险物的方法

见图6所示，其中501是装有激光探测雷达系统的车辆，502是目标物，方向是车辆前进方向，y方向是车辆前进的垂直方向，D是目标物距离，A_n是目标物方位角，A是本次扫描的初始位置至目标物之间的角度。

见图5所示的方法流程图。整个过程由控制器控制执行，探测过程如下：

1)置零位及系统初始化：首先将测量系统置于零位。由控制器直接发送命令到步进电机驱动电路，调整步进电机转轴上的零位挡片至光电开关的位置，使光电开关断开，此时控制器内的计数器停止计数，使得激光扫描的初始角度处于扫描范围的0度位置；控制器确认系统处于零位后，进行系统初始化，设定系统采样频率和目标物有效性判断基准值y’。

2)开始发射激光并扫描前方m度范围，从该范围内找出最危险的目标物，含有以下步骤：

2.1)控制器向激光二极管发出发射测量光束命令，并开始计时。激光二极管发出测量光束，经固定镜片和扫描镜片反射，打向目标物。接收光电二极管接收目标物反射光束，向控制器发出接收到反射光束的信号，控制器接到此信号后即停止计时。如控制器计数频率为k赫兹，从激光每次发出到接受到反射激光时间内计数值为n₀，则从激光发出到接收到反射激光的时间间隔为：

距离的测量原理图见图7，目标物距离计算公式为：

其中c为光在空气中的传播速度，单位为米/秒。

2.2)计算目标物与初始扫描位置之间的角度A：从0度扫描开始，控制器向步进电机发出脉冲控制信号，步进电机每接到一个脉冲信号就转过一固定角度，以q表示，电机转动半圈所需的脉冲数以n_c表示，则：

            n_c＝180/q                (12)

控制器向步进电机发出的脉冲信号数以n_p表示(0≤n_p≤n_c)，利用(1)式所示关系，有：

            A＝γ＝k_cA′(13)

            A′＝n_pq

            其中 $k_c=\frac{m}{180}$

由(13)式计算目标物与初始扫描位置之间的角度A，当n_p从0到n_c变化时，控制器每发出一个脉冲，n_p加1，直到n_p达到n_c，表示0~m度一次扫描结束，从此时起，控制器每发出一个脉冲，n_p减1，直到0，表示从m到0度的扫描结束；然后n_p再从0到n_c增加，循环往复。

2.3)计算目标物的方位角A_n，见图5：

$A_n=A-\frac{m}{2}----\left(14\right)$

2.4)计算目标物与本车的y向距离，即与本车行驶方向x向垂直的距离：

        y＝Dsin A_n                 (15)

2.5)按照下式判断目标物是否为有效目标物：

    |y|＜＝y’，y’为目标物有效性判断基准值；             (16)

在本发明中，y’根据国家高速公路规范，设定为1.5米；若(16)式不成立，则目标物不是有效目标物，返回第2.1)步执行；若成立，则目标物是有效目标物，保存其距离和方位角数据，并返回第2.1)步执行；

2.6)本次m度范围内扫描完后，比较获得的多组有效目标物的距离和方位角信息；从中找出距离本车最近的有效目标物，即距离D最小的有效目标物，确定为危险目标物，输出其距离D和方位角A_n。然后返回2)步，进行下一次m度范围内的扫描

本发明所提出的系统能够实现宽范围扫描，结合本方法能够找到自车前方的危险目标物。

Claims (4)

1、车载扫描式激光雷达探测系统，含有控制器、激光发射部件、扫描组件、激光接收部件，所述激光发射部件接收控制器发出的指令发射出激光到扫描组件，由扫描组件在m度范围内向车辆前方来回扫描，同时接收前方目标物的反射光，并将反射光反射到所述激光接收部件，激光接收部件将接收到的光转换为电信号输出到控制器，在控制器中进行处理；

其特征在于，所述扫描组件含有：两块扫描镜片及驱动其转动的步进电机，上述控制器的指令输出端通过步进电机驱动电路给步进电机命令使其转动和停止；所述步进电机通过一个凸轮机构和一个V形摆杆驱动所述扫描镜片转动；所述两块扫描镜片共同刚性联接在一个摆轴上，并以该摆轴为交线相互垂直，所述V形摆杆的底端也与所述摆轴刚性联接；所述凸轮机构含有两个装在所述步进电机转轴上，轮廓线相同的凸轮，分别为上凸轮和下凸轮，两个凸轮的轮廓线分别关于各自的中线对称，两个凸轮对称中线的安装夹角为β度；所述V形摆杆的两个臂的末端分别贴靠在所述两个凸轮的轮廓线上；当步进电机转动时，带动两个凸轮转动，由两个凸轮推动V形摆杆转动，进而通过摆轴带动两块扫描镜片转动；上述摆轴通过滚轮安装在机架上，步进电机也固定在该机架上，且摆轴与步进电机的转轴平行安装；在步进电机转轴的末端装有一个零位挡片，该零位挡片与所述上凸轮的对称中线夹角为α；在机架上还装有一个光电开关，所述光电开关的信号输出端与控制器的信号输入端相连，其安装位置与所述零位挡片的高度对应，当零位挡片转至光电开关位置时，使光电开关关闭，使扫描组件射出的激光处于初始零位置；述两个凸轮以步进电机转轴为中心的极坐标方程为：

$R=\sqrt{L^2+V^2-2\mathrm{LV}\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4}+\frac{k_c\mathrm{\θ}}{2})}$

其中V为V形摆杆臂的长度，L为摆轴与步进电机转轴之间的距离，m为激光向前方扫描的角度范围，a₂为V形摆杆张开角度的一半， $k_c=\frac{m}{180},$ k_c是为角度扫描范围常数；上述两个凸轮的对称中线之间安装夹角满足下式：

上述零位挡片与所述上凸轮的对称中线之间的夹角满足下式：

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{V\sin ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}{L-V\cos ({\mathrm{\α}}_2-\frac{m}{4})}$

2、如权利要求1所述的车载扫描式激光雷达探测系统，其特征在于，在扫描组件中，所述摆轴上固定套有一个摆轴套，所述摆轴套上与摆轴平行的两个面相互垂直，且与V形摆杆的两个臂之间间隔的角度相同，所述两块扫描镜片分别固定在所述两个面上，以保证两块镜片严格垂直。

3、如权利要求1所述的车载扫描式激光雷达探测系统，其特征在于，所述V形摆杆的两个臂的高度位于所述两个凸轮之间，其中一个臂的上表面的末端固定一个带轴承的滚轮，并使该滚轮贴靠在所述上凸轮的轮廓线上，以减小摩擦；在另一个臂下表面的末端也固定一个带轴承的滚轮，并使该滚轮贴靠在所述下凸轮的轮廓线上，以减小摩擦。

4、利用车载扫描式激光雷达探测系统探测前方危险物的方法，其特征在于，它含有由控制器控制执行的以下步骤：

1)调整扫描组件中的零位挡片至光电开关的位置，使激光扫描的初始角度处于扫描范围的0度位置；

2)开始发射激光并扫描前方m度范围，从该范围内找出最危险的目标物，含有以下步骤：

2.1)根据激光每次发射到接到目标物反射光的时间差Δt来计算目标物的距离D：

其中c是光在空气中传播的速度，单位为米/秒；

2.2)计算目标物与初始扫描位置之间的角度A：

                 A＝k_cA′

其中A’是电机从初始扫描开始到接收到反射光时所转过的角度；

2.3)计算目标物的方位角A_n：

$A_n=A-\frac{m}{2}$

2.4)计算目标物与本车的y向距离，即与本车行驶方向垂直的距离：

                 y＝DsinA_n

2.5)按照下式判断目标物是否为有效目标物：

                |y|＜＝y’，其中y’为目标物有效性判断基准值；

若不成立，则目标物不是有效目标物，返回第2.1)步执行；

若成立，则目标物是有效目标物，保存其距离和方位角数据，执行下一步；

2.6)在本次m度范围内扫描完后，从本次扫描中找出距离本车最近的有效目标物，确定为危险目标物，并输出其距离和方位角数据；

2.7)返回2)步，进行下一次m度范围内的扫描。

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