一种机械式多线激光雷达系统及扫描方法与流程

本发明涉及激光雷达与工业自动化，具体涉及一种机械式多线激光雷达系统及扫描方法。

背景技术：

1、机械式多线激光雷达是工业自动化领域的重要传感器，通过电机带动光学系统旋转实现360度扫描测距。尽管机械式多线激光雷达具备良好的应用前景，但现有技术仍存在如下缺陷：

2、第一，点云密度固定，难以兼顾远距识别与精细测量。传统机械式激光雷达的线数固定，点云密度受激光器数量和探测器通道数限制，无法根据场景需求动态调整；低线数方案难以满足远距离、高精度感知需求，而增加线数会提高成本与系统复杂度。

3、第二，无roi加密功能，重点区域感知不足。现有点云均匀分布，无法对障碍物、目标物体等关键区域进行加密扫描，难以满足诸如自动驾驶和机器人导航中对前方关键区域的高密度感知需求。

4、第三，缺乏软件差异化，客户使用门槛高。现有产品多仅提供原始点云数据，客户需自行开发避障、标定等算法，约70%的客户需要二次开发，增加了使用成本和时间成本。

5、因此，如何在不增加激光器线数的前提下，实现高密度点云生成、roi加密扫描以及内置智能算法部署，是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种机械式多线激光雷达系统及扫描方法，能够采用二线激光器即可获得等效多线激光雷达的探测点云，并且重点区域点云密度得到了显著提升，同时改善了障碍物检测精度和远距识别率。

2、为实现上述目的，本发明采用以下方案：

3、一种机械式多线激光雷达扫描方法，包括如下步骤：

4、步骤1，驱动楔形棱镜以第一转速转动，并驱动直角棱镜以第二转速转动，所述第一转速与第二转速的比值为非整数，以生成非重复扫描轨迹；

5、步骤2，基于所述非重复扫描轨迹发射激光脉冲，并接收经目标物体反射的回波信号，将所述回波信号转换为电信号；

6、步骤3，根据所述电信号生成点云数据，识别所述点云数据中的重点区域，并根据重点区域进行感兴趣区域roi加密扫描，以获得加密点云数据；

7、步骤4，对所述加密点云数据依次进行点云预处理、障碍物检测、安全区域计算和避障决策，并输出避障信息；

8、步骤5，基于步骤1输出的双棱镜旋转参数、步骤2输出的激光回波信号以及步骤3输出的加密前后点云数据中的至少一者，对标定板进行检测并优化激光雷达的内外参数，通过对标定板点云的重投影误差进行验证，输出标定参数。

9、可选地，步骤1中，所述楔形棱镜和直角棱镜由两个电机分别独立驱动，所述第一转速与第二转速的比值k满足：k=p/q+ε；

10、其中，p与q为互质的正整数，ε为小扰动；0<ε<1/q。

11、可选地，所述第一转速的取值范围为600r/min至1200r/min，所述第二转速的取值范围为598r/min至1196r/min，且所述第二转速小于第一转速。

12、可选地，所述步骤2中，采用边发射激光器发射波长为905nm的激光脉冲，脉冲宽度为5-10ns，峰值功率为75w，重复频率为10-100khz，发散角为；采用氮化镓场效应晶体管驱动电路驱动所述边发射激光器；采用雪崩光电二极管接收回波信号，并经跨阻放大器转换为电信号，所述雪崩光电二极管的响应波长为905nm，响应时间为1-5ns，增益为100-200，所述跨阻放大器的增益为10kω、带宽为100mhz。

13、可选地，所述步骤3中，roi加密扫描包括：

14、对所述点云数据进行滤波处理，以去除离群点和噪声；

15、采用聚类算法将滤波后的点云数据聚类为不同的区域；

16、计算每个区域的密度和分布特征；

17、根据预设阈值，从所述不同的区域中识别出需要加密扫描的重点区域的角度范围和距离范围；

18、根据所述重点区域的距离和重要性计算加密倍数；

19、根据所述加密倍数调整激光发射时序，在加密区域提高激光发射频率，在普通区域保持正常发射频率。

20、可选地，所述加密倍数满足：

21、m=mbase×(dref/dtarget)；

22、其中，m为加密倍数，mbase为基础加密倍数，dref为参考距离，dtarget为目标距离；所述发射频率的调整范围为10-100khz。

23、可选地，步骤4中，所述点云预处理包括对所述加密点云数据进行统计滤波和/或体素网格降采样，得到预处理点云数据；

24、所述障碍物检测包括采用欧几里得聚类算法对所述预处理点云数据中的点进行聚类，得到至少一个障碍物以及各所述障碍物的位置与速度；

25、所述安全区域计算包括基于障碍物位置和速度计算安全区域，其中，安全区域边界距离值=障碍物距离－安全距离；所述安全距离=障碍物速度×预设反应时间；

26、所述避障决策包括根据所述安全区域输出速度限制vlimit和/或最小距离dmin，并采用a算法进行路径规划。

27、可选地，步骤5中，所述一键标定包括：

28、对标定板进行检测，得到所述标定板的角点位置；

29、采集多帧点云数据，每帧点云数据包括所述标定板的角点位置，所述多帧点云数据由步骤2输出的激光回波信号经信号处理后生成；

30、基于所述多帧点云数据，采用最小二乘法优化激光雷达的内外参数，得到优化后的内外参数，其中安装角度的优化参考步骤1输出的双棱镜旋转参数；

31、采用所述优化后的内外参数将标定板点云数据投影到标定板平面，计算投影点与标定板角点之间的误差，以对所述优化后的内外参数进行验证，并将步骤3输出的加密前后点云数据进行对比以验证roi加密效果，输出标定参数。

32、一种机械式多线激光雷达系统，包括发射模块、扫描模块、接收模块、信号处理模块、避障模块、一键标定模块和控制模块；

33、所述发射模块被配置为基于非重复扫描轨迹发射激光脉冲；

34、所述扫描模块包括第一电机、第二电机、楔形棱镜和直角棱镜，所述楔形棱镜与所述第一电机的输出轴连接，所述直角棱镜与所述第二电机的输出轴连接，所述楔形棱镜与所述直角棱镜沿所述发射模块的激光出射方向依次设置；

35、所述接收模块被配置为接收经目标物体反射的回波信号，并将所述回波信号转换为电信号；

36、所述信号处理模块被配置为根据电信号生成点云数据，识别所述点云数据中的重点区域，并根据所述重点区域进行roi加密扫描，得到加密点云数据；

37、所述避障模块被配置为对加密点云数据依次进行点云预处理、障碍物检测、安全区域计算和避障决策，并输出避障信息；

38、所述一键标定模块被配置为基于双棱镜旋转参数、激光回波信号和加密前后点云数据中的至少一者，对标定板进行检测并优化激光雷达的内外参数，通过对标定板点云的重投影误差进行验证，输出标定参数，所述标定参数供所述扫描模块、所述发射模块、所述接收模块和所述信号处理模块读取使用；

39、所述控制模块被配置为读取预设转速参数，通过pwm信号驱动第一电机和第二电机；根据roi加密模块的指令调整eel激光器的发射频率；接收信号处理模块输出的避障信息，并通过can总线或以太网输出至下游控制系统；接收一键标定模块输出的标定参数，供各模块读取使用。

40、可选地，在agv避障场景中，所述第一转速为600rpm，所述第二转速为598rpm；在工业测量场景中，所述第一转速为1200rpm，所述第二转速为1196rpm；在机器人导航场景中，所述第一转速为900rpm，所述第二转速为897rpm；

41、所述发射模块包括边发射激光器和氮化镓场效应晶体管驱动电路；

42、所述接收模块包括雪崩光电二极管和跨阻放大器；

43、所述信号处理模块包括fpga和roi加密模块；所述fpga被配置为对跨阻放大器输出的电压信号进行处理；所述roi加密模块包括区域识别单元、密度控制单元和时序调整单元；所述区域识别单元被配置为识别所述点云数据中的重点区域，所述密度控制单元被配置为计算所述重点区域的加密倍数，所述时序调整单元被配置为根据所述加密倍数调整激光发射时序；

44、所述避障模块包括点云预处理单元、障碍物检测单元、安全区域计算单元和避障决策单元；所述点云预处理单元被配置为对所述加密点云数据进行滤波和/或降采样，所述障碍物检测单元被配置为对预处理后的点云数据进行聚类以得到障碍物的位置与速度，所述安全区域计算单元被配置为基于所述障碍物的位置与速度计算安全区域，所述避障决策单元被配置为根据安全区域输出避障信息；

45、所述一键标定模块包括标定板检测单元、数据采集单元、参数优化单元和标定验证单元，所述标定板检测单元被配置为检测标定板，所述数据采集单元被配置为采集多帧点云数据，所述参数优化单元被配置为基于所述多帧点云数据优化激光雷达的内外参数，所述标定验证单元被配置为采用优化后的内外参数将标定板点云数据投影到标定板平面，计算投影点与标定板角点之间的误差，以验证标定效果；并将输出的加密前后点云数据进行对比，验证roi加密效果。

46、本发明具有的有益效果为：首先，本方案通过双棱镜非整数转速比设计，使楔形棱镜与直角棱镜满足k=p/q+ε，两棱镜相对位置每圈发生微小变化，扫描轨迹不重复。随着时间累积，激光雷达对同一区域的扫描次数增加，点云密度累积，实现了2线激光器等效16线的效果。相比传统方案点云密度固定、线数受限的缺陷，本方案以低成本2线激光器获得了多线激光雷达的点云覆盖能力。

47、其次，本方案实现了对重点区域动态加密扫描。区域识别单元自动识别重点区域，密度控制单元按m=mbase×(dref/dtarget)计算加密倍数，时序调整单元调整发射时序，使其加密倍数达5-10倍，加密角度范围覆盖，重点区域点云密度得到了显著提升，改善了障碍物检测精度和远距识别率。

48、而且，本方案内置避障模块，集成了点云预处理、障碍物检测、安全区域计算和避障决策，可直接输出速度限制vlimit和/或最小距离dmin等避障信息。由于避障功能集成于激光雷达内部，可减少外部处理和二次开发需求，降低了使用复杂度；在具体配置下，有利于兼顾避障响应速度、探测距离和测距精度。

49、另外，本方案提供了一键标定功能，基于双棱镜旋转参数、激光回波信号和加密前后点云数据，自动完成标定板检测、多帧采集、最小二乘优化及重投影误差验证，减少了人工干预，无需专业人员操作，有利于提高标定效率。

50、再者，本方案采用eel激光器、apd探测器、gan fet驱动电路、tia及fpga等器件，结合双棱镜非重复扫描、roi加密、内置避障和一键标定，能够以二线激光器获得等效十六线的点云输出，并有助于提高障碍物检测准确率及降低物料清单成本。