一种多通道融合的激光雷达系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及激光雷达系统技术领域，尤其是指一种多通道融合的激光雷达系统及其测量方法。

背景技术

移动机器人，例如AGV、AMR等智能机器人，在制造、仓储、物流等诸多行业中得到了大量的应用。移动机器人会沿着预先设定的路线或根据周围环境自行规划合理的路径移动到目的地，并在移动途中或者目的地完成设定的工作。因此，移动机器人需要依靠其搭载的各种传感器来感知周围的环境，并生成点云图像，而激光雷达因其测距精度与实时性高的特点在移动机器人上得到了广泛的应用。

在复杂环境中，若机器人需要实现较快速度的运动，则需要保证较高的扫描频率，从而快速刷新周边的环境信息。但同时，在采样频率一定的情况下，提高扫描频率则会降低其水平分辨率，这不利于对远距离的物体进行识别。因此，若要在保证较高扫描频率的同时确保较高的水平分辨率，就需要提升其采样频率，但是每一次采样所获取的数据，都需要在下一次采样开始之前传输到主控芯片，因此时间处理单元对采样数据的运算用时、主控芯片与时间处理单元之间的通信用时成为了限制采样频率提升的重要因素；一旦激光雷达设定了较高的采样频率，则容易出现时间处理单元来不及处理并传输的情况，从而出现数据错误。

要解决这一问题，传统的方案是更换高性能的时间处理单元与主控芯片，通过提升时间处理单元与主控芯片的数据处理速度来提升采样频率。但是这种方式一方面这大大提升了激光雷达的成本，这对于成本敏感的AGV机器人并不友好；另一方面，这种性能的提升仍受限于时间处理单元与主控芯片的性能，很难真正做到采样频率的大幅提升。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多通道融合的激光雷达系统，包括：

第一部分，包括底座、设于底座内的电机和控制板；控制板与电机电连接，并基于获取的控制信号对电机进行控制；

第二部分，包括设于底座上的视窗以及设于视窗内的主控板、电控底盘以及多个测距收发单元；主控板固定于电机转轴的顶端，并与控制板通信连接，主控板包括主控芯片MCU；电控底盘设于主控板上；多个测距收发单元以预设规则沿周向设于电控底盘上，并与主控芯片MCU通信连接；

主控芯片MCU被设置为向控制板发送控制信号使控制板控制电机转动，进而使电机驱动主控板以及电控底盘和测距收发单元转动；

主控芯片MCU还被设置为控制测距收发单元进行测量，并对各测距收发单元在转动过程中测量获取的测量数据进行单独处理后进行插值融合获取点云数据，再通过控制板传输至外部设备。

在一些本发明的实施例中，控制板上设有第一无线通信单元；主控板上设有与第一无线通信单元配对的第二无线通信单元，以实现主控板和控制板的通信连接。

在一些本发明的实施例中，第一部分还包括光电码盘，光电码盘包括与控制板连接的光电传感器以及固定于电机转轴的编码盘，光电传感器被设置为获取编码盘转动时的编码信号，并通过控制板传输至主控芯片，以使主控芯片获取电机的转速信息来对电机进行反馈控制。

在一些本发明的实施例中，设定其中一个测距收发单元的偏角为0°并使各测距收发单元的偏角为δ

在一些本发明的实施例中，第二部分还包括与多个测距收发单元一一对应的多个角度控制单元，角度控制单元与电控底盘连接，能绕转轴的轴心转动偏移。

在一些本发明的实施例中，主控芯片为多个测距收发单元分别分配单独的DMA通道和数据缓冲区，以对各测距收发单元获取的测量数据进行并行处理。

在一些本发明的实施例中，测距收发单元包括用于接收主控芯片MCU的信号并发射激光的发射单元、用于接收激光返回信号的接收单元以及用于计时的时间计算单元TDC；主控芯片MCU被设置为向多个测距收发单元分别发送使能脉冲信号，时间计算单元TDC接收到使能脉冲信号后开始计时，发射单元接收到使能脉冲信号后进行相应时长的激光发送，接收单元接收到返回的激光信号后将光信号转变为电流信号后由时间计算单元TDC进行采集，此时时间计算单元TDC停止计时并将时间差值数据保存到时间计算单元TDC内部的数据缓存区，时间计算单元TDC将保存至数据缓存区的数据传输给主控芯片MCU并向主控芯片返回一个中断信号，从而触发主控芯片MCU读取数据并对数据进行处理。

在一些本发明的实施例中，主控芯片MCU读取各测距收发单元发送的测量数据，先对各组测量数据进行修正，然后再进行插值融合处理。

在一些本发明的实施例中，主控芯片MCU被设置为依次读取各数据缓冲区地址的测量数据，测量数据为各测距收发单元从起始点转动360°所采集到的多个采样点的数据；

主控芯片MCU还被设置为将读取到的第二个至第n个测距收发单元的每个采样点的数据依次插入第一个测距收发单元的数据的每个采样点的数据之间，以获得与各采样点的采样点角度对应的采样点数据，并将获取的采样点数据融合成获得完整点云图像的点云数据；

所述采样点角度θ表示为：

其中，α表示激光雷达系统设定的水平角分辨率；

主控芯片MCU还被设置为将插值融合后的点云数据通过控制板传输至外部设备。

本发明还提供了一种多通道融合的激光雷达系统的测量方法，包括：

雷达初始化，由主控芯片根据设定水平分辨率α控制各角度控制单元使测距收发单元产生相应的偏角δ

其中，δ

主控芯片基于预设的扫描频率S通过控制板对电机进行反馈控制，使电机定速转动；

主控芯片向各测距收发单元的发送使能脉冲信号，各测距收发单元转动扫描测量周边环境，并将测量获取的各采样点的测量数据传输至主控芯片；

主控芯片通过为每个测距收发单元分配单独的DMA通道和数据缓冲区以对测量数据进行并行处理，并按顺序对各采样点的测量数据进行插值融合以获得完整点云图像的点云数据，然后再通过控制板传输至外部设备。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的一种多通道融合的激光雷达系统及其测量方法，其按照设定偏角同时采集多个通道的激光测量结果，从而在保证雷达系统的高扫描频率的前提下，提高雷达系统的采样频率，以较低的成本完成对周边环境的高分辨率的扫描，并且能够保证较高的水平分辨率；另外，本发明无需高性能的时间计算单元TDC与主控芯片MCU，从而大大降低了成本，并可以通过多通道并行采集与数据融合的方式，将采样频率进行极大的提升，从而得到更高的水平分辨率。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明一种多通道融合的激光雷达系统的结构示意图；

图2是本发明多个测距收发单元的排布示意图；

图3是本发明多个测距收发单元的采样点的示意图1；

图4是本发明多个测距收发单元的采样点的示意图2；

图5是本发明测距收发单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1～图5所示，本发明提供了一种多通道融合的激光雷达系统，包括：第一部分和第二部分。其中，第一部分包括底座、设于底座内的电机和控制板；控制板与电机电连接并基于获取的控制信号对电机进行控制，例如，控制板控制电机的启停以及转速的调节。在一些可能的实施例中，控制板还设有与外部设备对接的外部接口，以实现主控板上主控芯片与外部设备的信息交互，外部接口连接在底座一侧的外壁。

第二部分包括设于底座上的视窗以及设于视窗内的主控板、电控底盘以及多个测距收发单元。主控板固定于电机转轴的顶端，电控底盘设于主控板上；电机带动电控底盘以及测距收发单元转动一周，从而获得一帧图像的点云数据。主控板与控制板通信连接。具体地，主控板与控制板采用无线连接，能够保证在电机带动架设于底座之上的电控底盘以及测距收发单元旋转时，仍能保证数据通信的稳定性。主控板包括主控芯片MCU，主控芯片MCU的控制信号无线传输至控制板，并由控制板反馈至电机，由此对电机的启停和转速进行控制。多个测距收发单元以预设规则沿周向设于电控底盘上，例如，多个测距收发单元等间距间隔沿周向设于电控底盘上，并与主控芯片MCU通信连接。

主控芯片MCU被设置为向控制板发送控制信号使控制板控制电机转动，进而使电机驱动主控板以及电控底盘和测距收发单元转动；另外，主控芯片MCU还被设置为控制测距收发单元进行测量，并对各测距收发单元在转动过程中测量获取的测量数据进行单独处理后进行插值融合获取点云数据，再通过控制板传输至外部设备。

具体地，本实施例设置的多个测距收发单元增加了采样点的数量，从而进一步提高雷达系统的采样频率以较低的成本完成对周边环境的高分辨率的扫描，并且能够保证较高的水平分辨率，且成本不会提高。

进一步地，主控板与控制板采用无线连接。例如，控制板上设有第一无线通信单元，主控板上设有与第一无线通信单元配对的第二无线通信单元，从而通过第一无线通信单元和第二无线通信单元实现主控板和控制板的通信连接，实现信息交互。

进一步地，第一部分还包括光电码盘，光电码盘包括与控制板连接的光电传感器以及固定于电机转轴的编码盘，光电传感器被设置为获取编码盘转动时的编码信号，并通过控制板传输至主控芯片MCU，以使主控芯片MCU获取电机的转速信息来对电机进行反馈控制。光电码盘与电机的转轴连接，以监测电机的转速。具体地，编码盘上有多个常规标志段与零位标志段，各常规标志段宽度相同，零位标志段则宽于常规标志段。当电机转动时，光电传感器会随着各标志段将不同的编码信号通过控制板无线传输到主控板的主控芯片MCU，主控芯片MCU根据该编码信号计算得到电机的转速信息，再对电机进行反馈，以调节电机运行状态。

进一步地，设定其中一个测距收发单元的偏角为0°并使各测距收发单元的偏角为δ

如果每个测距收发单元的水平角分辨率为β，那么3个测距收发单元在同时完成一帧的扫描后，总体的采样点分布等效于一个测距收发单元以

由此可见，本实施例中各测距收发单元的偏角为δ

需要说明的是，以设置3个测距收发单元为例来说明，设定3个测距收发单元分别为测距收发单元A、测距收发单元B、测距收发单元C。每个测距收发单元在随电机完成一帧的扫描后，其采样点的分布如图3所示。如图4所示，测距收发单元A在一帧内采样点A

进一步地，第二部分还包括与多个测距收发单元一一对应的多个角度控制单元，角度控制单元与电控底盘连接，能绕转轴的轴心转动偏移。

具体地，本实施例设置了与测距收发单元一一对应的角度控制单元，从而通过角度控制单元实现测距收发单元绕转轴的轴心转动偏移的调节。即可以通过主控芯片MCU可控制角度控制单元绕电控底盘轴心转动进而实现对设于角度控制单元上的测距收发单元偏角的设置。

进一步地，主控芯片为多个测距收发单元分别分配单独的DMA通道和数据缓冲区，以对各测距收发单元获取的测量数据进行并行处理。

测距收发单元包括用于接收主控芯片MCU的信号并发射激光的发射单元、用于接收激光返回信号的接收单元以及用于计时的时间计算单元TDC主控芯片。具体地，发射单元包括激光器以及激光器的光学组件，激光器前放置的激光器光学组件可将激光器发射的光束整形准直，以减少其视场角FOV，从而提升其探测性能。接收单元包括SPAD以及SPAD的光学组件。主控芯片MCU分别与各测距收发单元中的激光器、时间计算单元TDC连接，通过主控芯片MCU控制各测距收发单元的激光器发射光束以及时间计算单元TDC的数据处理。主控芯片MCU被设置为向多个测距收发单元分别发送使能脉冲信号，时间计算单元TDC接收到使能脉冲信号后开始计时，发射单元接收到使能脉冲信号后进行相应时长的激光发送，接收单元接收到返回的激光信号后将光信号转变为电流信号后由时间计算单元TDC进行采集，此时时间计算单元TDC停止计时并将时间差值数据保存到时间计算单元TDC内部的数据缓存区，时间计算单元TDC将保存至数据缓存区的数据传输给主控芯片MCU并向主控芯片返回一个中断信号，从而触发主控芯片MCU读取数据并对数据进行处理。

主控芯片MCU读取各测距收发单元发送的测量数据，先对各组测量数据进行修正，然后再进行插值融合处理。(由于每个测距收发单元所测量的数据都会存在微小的固定误差，因此需要对测量的数据进行修正)。例如，每个测距收发单元的校准数据预先存储于主控芯片MCU的标定表中，这些校准数据为预先测试获取，主要通过多次对预先设定距离的测试目标进行测试获取测试距离，并通过设定距离与测试距离对比拟合，确定相应的误差模型及相关误差参数，这些数据作为校准数据预先都被存储在主控芯片MCU的标定表中。在主控芯片MCU获取到各测距收发单元的原始测量数据后，根据标定表中预存的校准数据，通过标定算法对测量数据进行修正获取修改后的测量数据。由此可见，经修正后的数据更准确。

具体地工作原理为：首先，雷达初始化，由主控芯片MCU根据设定的扫描帧率S、采样频率K、水平角分辨率α控制各角度控制单元使测距收发单元产生相应的偏角δ

然后，主控芯片MCU向各测距收发单元的发送使能脉冲信号，各测距收发单元的激光器在接收到来自主控芯片MCU的使能脉冲信号后，会根据脉冲信号进行相应时长的光束发送，主控芯片MCU在给到激光器使能脉冲信号的同时也会将该信号给到时间计算单元TDC，使之开始计时；在极短的时间内，激光会照射到被测物表面，并返回到雷达，被SPAD传感器所接收并将光信号转变为电流信号，经后续的IV转换电路以及放大电路处理后，再由时间计算单元TDC进行采集，从而停止计时，并将时间差值保存到时间计算单元TDC内部的数据缓存区，随后通过SPI通信与DMA的方式将其传输给主控芯片，并向主控芯片MCU返回一个中断信号，从而触发主控芯片MCU的数据读取。

然后，主控芯片MCU为每个测距收发单元的时间计算单元TDC分配不同的DMA通道以及不同的数据缓冲区地址，主控芯片MCU在接收到中断信号后主控芯片MCU并行地读取到所有测距收发单元发送的测量数据，并对各组数据进行修正。

最后，主控芯片MCU对读取到所有测距收发单元的测量数据进行插值融合。

具体地，本申请的主控芯片为多个测距收发单元分别分配单独的DMA通道和数据缓冲区，这样每个测距收发单元通过各自的DMA通道以及数据缓冲区地址与主控芯片MCU建立信号连接，从而缩短数据的通讯用时，进一步提高采样频率。另外，本发明无需高性能的时间计算单元TDC与主控芯片MCU，从而大大降低了成本，并可以通过多通道并行采集与数据融合的方式，将采样频率进行极大的提升，从而得到更高的水平分辨率。

进一步地，主控芯片MCU被设置为依次读取各数据缓冲区地址的测量数据，测量数据为各测距收发单元从起始点转动360°所采集到的多个采样点的数据。

主控芯片MCU还被设置为将读取到的第2个至第n个测距收发单元的每个采样点的数据依次插入第一个测距收发单元的数据的每个采样点的数据之间，以获得与各采样点的采样点角度对应的采样点数据，并将获取的采样点数据融合成获得完整点云图像的点云数据。

多通道融合的激光雷达系统及其测量方法采样点角度θ表示为：

其中，α＝β/n，表示激光雷达系统设定的水平角分辨率；

具体的，以测距收发单元为3个为例，3个测距收发单元分别记为第一测距收发单元A、测距收发单元B、测距收发单元C。由于多个测距收发单元的采样点A

分别对各测距收发单元各采样点的测量数据进行排序，并按顺序分别计算各采样点A

采样点A

采样点B

其中，α＝β/3；

采样点C

其中，α＝β/3；

主控芯片MCU还被设置为将插值融合后的点云数据通过控制板传输至外部设备。

根据采样点的角度

这样，主控芯片由此最终可以得到一帧完整的点云图像，并传输给外部设备。当需要获得多帧的点云图像时，只需重复上述除去雷达初始化过程的其他全部过程即可。

本发明还提供了一种多通道融合的激光雷达系统的测量方法，包括：

雷达初始化，由主控芯片根据设定水平分辨率α控制各角度控制单元使测距收发单元产生相应的偏角δ

其中，δ

主控芯片基于预设的扫描频率S通过控制板对电机进行反馈控制，使电机定速转动；

主控芯片向各测距收发单元的发送使能脉冲信号，各测距收发单元转动扫描测量周边环境，并将测量获取的各采样点的测量数据传输至主控芯片；

主控芯片通过为每个测距收发单元分配单独的DMA通道和数据缓冲区以对测量数据进行并行处理，并按顺序对各采样点的测量数据进行插值融合以获得完整点云图像的点云数据，然后再通过控制板传输至外部设备。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。