一种用于无人驾驶的四自由度三维激光雷达传感装置的制作方法

本实用新型涉及一种无人驾驶汽车装用的雷达传感装置，尤其是一种四自由度的三维激光雷达传感装置，属于智能传感技术领域。

背景技术：

环境感知是实现无人驾驶的核心技术之一，用于基于自身行驶性能和共识规则，能够实时、可靠、准确地识别并规划出可保证车辆规范、安全、迅速到达目的地的行驶路径。其中，三维激光雷达是基于激光雷达获取车辆周边环境二维或三维距离信息，通过距离分析识别技术对行驶环境进行感知。其对障碍物检测的精准性和实时性直接影响到无人驾驶系统能否及时地制定正确的车辆路径规划，使无人驾驶汽车达到安全可靠。

三维激光雷达的安装位置及其俯仰角等外部因素都会使三维激光雷达的精度受到一定程度的干扰，从而影响无人驾驶汽车的安全性。中国专利授权公告号cn104636763b公开了“一种基于无人驾驶车的道路与障碍物检测方法”，该方法采用四线激光雷达作为距离传感器，根据路面上各个数据点在其不同检测层上的位置关系，在安全行驶的区域中计算路面的坡度信息，但其后期数据处理的算法过于复杂，且其采用的传统三维激光雷达传感器与车体之间是固定连接的，传感器在车身上的位姿是不变的，无法完成对车身周围环境的实时检测。中国专利公开号cn105699985a公开了“一种单线激光雷达装置”，该装置包括雷达安装装置、单线激光雷达和载体架，共设有七条单线激光雷达，均布于无人车车身四周。但恰恰由于其设置的激光雷达传感器数量过多，致使多传感器之间的信息融合就显得十分繁杂。

为了在不显著增加多传感器信息融合和数据处理算法的复杂性的前提下，能够进一步提高三维激光雷达在车辆行驶过程中对障碍物检测的精度和实时性，实现无人驾驶汽车在复杂的交通环境下的安全行驶，本实用新型将传统的三维激光雷达进行机械结构优化设计，提出了一种用于无人驾驶的四自由度三维激光雷达传感装置，大大提高了无人驾驶汽车的安全性和可靠性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种在复杂交通环境下能安全行驶的无人驾驶车辆障碍物检测装置，具备对障碍物检测精度高、实时性强的优点，解决了无人驾驶汽车在进行左右拐弯，或左拐返回，或攀爬山路上下坡，以及行驶在非结构化的越野道路上等复杂的交通环境下时，如果对车辆前方或两侧的障碍物的检测不准确、不及时，将会导致无人驾驶系统做出错误的路径规划，从而引发意外的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种用于无人驾驶的四自由度三维激光雷达传感装置。

本实用新型可分为四大模块，分别是车架模块、四自由度三维激光雷达模块、电源模块和控制模块。

所述车架模块包括车身、前导向轮和后驱动轮组成。所述车身底部安装有四个车轮，两个驱动轮安装在后部，用于驱动无人车行驶，两个导向轮安装在前面，用于无人车的转向。该方案具备较好的稳定性、动力性和制动性。对于无人驾驶汽车而言，能够行驶平稳，制动性能好，凸显驾驶安全性是非常重要的一项性能指标。

所述四自由度三维激光雷达模块包括轴承座、纵向滚珠丝杆、纵移桩、横移电机、滚动轴承、三维激光雷达传感装置、横向滚珠丝杆、纵移电机。所述纵移电机分左右两个，分别与左右两根纵向滚珠丝杆相连接，带动左右两根纵向滚珠丝杆同步转动，实现三维激光雷达传感装置的平稳纵向移动。

所述三维激光雷达传感装置安装在横向滚珠丝杆上，包括三维激光雷达收发器、前升降臂、前臂槽、前升降电机、旋转电机、底座、后升降臂、后臂槽、后升降电机、旋转盘、圆筒螺母、移动三角架。所述三维激光雷达收发器固定在前、后升降臂上，用于发射和接收激光雷达信号，通过旋转扫描的方式来获取数据，感知无人车周围的环境；所述前、后升降臂的底部分别于前、后臂槽旋转连接；所述前、后臂槽都固定在旋转盘上；所述前、后升降电机通过联轴器分别与前、后升降臂连接，并固定在旋转盘上。

所述前升降电机和后升降电机采用差动启动与制动，当三维激光雷达收发器的仰角需要增大时，可通过只启动前升降电机，带动前升降臂逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器的前端抬起，仰角增大；当三维激光雷达收发器的俯角需要增大时，可通过只启动后升降电机，带动后升降臂逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器的后端抬起，俯角增大，可以根据道路实际复杂性，调整三维激光雷达收发器在竖直方向的扫描范围。

所述底座内装有丝杆圆筒螺母，与横向滚珠丝杆配合传动，实现三维激光雷达传感装置的横向移动；所述旋转电机固定在底座上，旋转电机驱动，齿轮传动，通过键连接带动旋转盘转动，从而实现三维激光雷达收发器的360°旋转扫描；所述移动三角架支撑起整个三维激光雷达传感装置的重量，用于快速、灵活地移动传感装置；所述横向滚珠丝杆的两端通过套有滚动轴承与左右两纵向同步移动纵移桩相连；所述纵向同步移动纵移桩安装在左右两根纵向滚珠丝杆上，左右两根纵向滚珠丝杆同步转动带动纵移桩纵向同步移动；所述左右两根纵向滚珠丝杆两端通过套有滚动轴承安装在轴承座上；所述轴承座共四个均固定于车身顶部。

所述电源模块用于对控制模块进行供电，使控制模块能够有效地对四自由度三维激光雷达模块和无人车的行驶状态进行智能控制。

所述控制模块由四部分组成，分别是信号接收装置、控制三维激光雷达传感装置中各电机启停的驱动装置、控制无人车的行驶状态的命令输出装置、中央处理器。所述信号接收装置用于接收无人车上所用的各种传感器传来的电信号，并将此电信号进行放大和转换后传输给中央处理器；控制三维激光雷达传感装置中各电机启停的驱动装置用于接收来自中央处理器的控制信号，拨动弹簧触点，接通驱动电路，实现对不同电机的启动和制动控制；所述控制无人车的行驶状态的命令输出装置在接收到来自中央处理器的控制信号后，将此信号进行转换并放大，然后传输给前、后车轮装置，达到控制后轮的加速和减速以及前轮变向的要求；所述中央处理器负责接收来自信号接收装置输入的电信号，根据内置算法程序，输出对各部分的控制电信号，并将信号进行记录和存储。

本实用新型的有益效果：采用了滚珠丝杆螺母传动，实现了三维激光雷达装置的横向和纵向两个方向的移动，使得三维激光雷达可以对车身四周的复杂环境进行实时的检测；采用前后差动升降臂，可以调整三维激光雷达收发器俯仰角度，实现三维激光雷达收发器根据道路坡度调整收发激光雷达，实时准确地检测环境；采用过度空间坐标法将四自由度三维激光雷达与车体进行动态联合标定，使传感装置在不同位置和不同状态下检测到的障碍信息能够转换到以车身中心为原点的空间坐标系中，从而实现三维激光雷达数据与无人车系统的统一。整个四自由度三维激光雷达传感装置对复杂环境的精准地、实时地检测可以大大提高了无人驾驶汽车的安全性和可靠性。

附图说明

图1为装有四自由度三维激光雷达传感装置的无人车整体结构示意图

图2为四自由度三维激光雷达传感装置结构示意图

图3为无人车控制模块框图

图4为无人车准备左拐调头时避障场景图

图5为无人车在上下坡时避障场景图

图6为无人车在未知环境下的行驶状态控制算法流程框图

图中，1-车身；2-轴承座；3-纵向滚珠丝杆；4-纵移桩；5-横移电机；6-滚动轴承；7-三维激光雷达传感装置；8-横向滚珠丝杆；9-电源模块；10-控制器；11-纵移电机；12-驱动轮；13-导向轮；14-三维激光雷达收发器；15-前升降臂；16-前臂槽；17-前升降电机；18-旋转电机；19-底座；20-后升降臂；21-后臂槽；22-后升降电机；23-旋转盘；24-螺母；25-移动三角架。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，为本实用新型一种装有四自由度三维激光雷达传感装置的无人车整体结构示意图，包括车身1、轴承座2、纵向滚珠丝杆3、纵移桩4、横移电机5、滚动轴承6、三维激光雷达传感装置7、横向滚珠丝杆8、电源模块9、控制器10、纵移电机11、驱动轮12、导向轮13。所述车身1底部安装有四个车轮，两个驱动轮12安装在后部，用于驱动无人车行驶，两个导向轮13安装在前面，用于无人车的转向；所述电源模块6用于对控制器7的供电；所述控制器7用于对整个四自由度三维激光雷达传感装置中的各个驱动电机的启动与制动进行控制；所述电源模块9和控制器10都安装于车身1顶部靠后位置；所述纵移电机11分左右两个，分别通过联轴器-减速器-联轴器与左右两根纵向滚珠丝杆3相连接，要求左右两个纵移电机11能够同步启动与制动，且转速一致，以实现三维激光雷达传感装置7的平稳纵向移动；所述三维激光雷达传感装置7安装在横向滚珠丝杆8上；所述横向滚珠丝杆8的两端通过套有滚动轴承6与左右两纵向同步移动纵移桩4相连；所述纵向同步移动纵移桩4安装在左右两根纵向滚珠丝杆3上，左右两根纵向滚珠丝杆3同步转动带动纵移桩4纵向同步移动；所述左右两根纵向滚珠丝杆3两端通过套有滚动轴承安装在轴承座2上；所述轴承座2共四个均固定于车身1顶部。

如图2所示，为本实用新型的一种四自由度三维激光雷达传感装置结构示意图，包括三维激光雷达收发器14、前升降臂15、前臂槽16、前升降电机17、旋转电机18、底座19、后升降臂20、后臂槽21、后升降电机22、旋转盘23、圆筒螺母24、移动三角架25。所述三维激光雷达收发器14同时固定在前升降臂15和后升降臂21上，用于发射和接收激光雷达信号，该三维激光雷达由上下两组各32条扫描线组成，每条扫描线有一个固定的俯仰角，通过旋转扫描的方式来获取数据，感知无人车周围的环境；所述前升降臂15和后升降臂20的底部分别于前臂槽16和后臂槽21旋转连接；所述前臂槽16和后臂槽20都固定在旋转盘23上；所述前升降电机17通过联轴器-减速器-联轴器与前升降臂15连接，并固定在旋转盘23上；所述后升降电机22通过联轴器-减速器-联轴器与后升降臂20连接，并固定在旋转盘23上；所述前升降电机17和后升降电机22采用差动启动与制动，当三维激光雷达收发器14的仰角需要增大时，可通过只启动前升降电机17，带动前升降臂15逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器14的前端抬起，仰角增大；当三维激光雷达收发器14的俯角需要增大时，可通过只启动后升降电机22，带动后升降臂20逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器14的后端抬起，俯角增大，可以根据道路实际复杂性，调整三维激光雷达收发器14在竖直方向的扫描范围；所述旋转电机18固定在底座19上，旋转电机18驱动，齿轮传动，通过键连接带动旋转盘23转动，从而实现三维激光雷达收发器的360°旋转扫描；所述底座19内装有丝杆圆筒螺母24，与横向滚珠丝杆8配合传动，实现三维激光雷达传感装置7的横向移动；所述移动三角架25支撑起整个三维激光雷达传感装置7的重量，用于快速、灵活地移动传感装置。

如图3所示，为无人车控制模块框图。所述无人车控制模块框图包括信号接收装置、中央控制器、传感装置中各电机驱动装置、无人车行驶指令输出装置四部分。所述信号接收装置用于接收无人驾驶汽车上装用的诸多传感器传递来的电信号，并将此电信号进行放大和转换后传输给中央控器；所述中央控制器负责接收来自信号接收装置输入的电信号，同时将信号进行记录和存储，根据内置算法程序，输出对各部分的控制电信号；传感装置中各电机驱动装置用于接收来自中央控制器的控制信号，拨动弹簧触点，接通驱动电路，实现对不同电机的启动和制动控制；所述控制无人车行驶指令输出装置在接收到来自中央控制器的控制信号后，将此信号进行转换并放大，然后传输给前、后车轮装置，达到控制后轮的加速和减速以及前轮变向的要求。

如图4所示，为无人车准备左拐调头时避障场景图。以下结合图1和图2，更好地说明无人车准备左拐调头时避障的场景。当无人车出现在如图4所示的道路环境中，想要进入左拐掉头的行驶阶段，必须避开无人车正前方和左前方反向行驶来的障碍。此时，中央控制器发出控制信号控制横移电机5正转启动，带动横向滚珠丝杆8顺时针转动，在底座19内装有丝杆圆筒螺母24与横向滚珠丝杆8配合传动，实现三维激光雷达传感装置7向左移动；与此同时，中央控制器发出控制信号控制左右两个纵移电机11同步正转启动，带动左右两根纵向滚珠丝杆3同步顺时针转动，带动纵向同步移动纵移桩4向前移动，实现三维激光雷达传感装置7向前移动，更加清晰准确地检测出无人车左前方和正前方的障碍物。

如图5所示，为无人车在上下坡时避障场景图。以下将分为上坡和下坡两个不同场景进行说明。当无人车1准备上坡时，在上坡道路上有一障碍1，此时中央控制器控制只启动前升降电机17，带动前升降臂15逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器14的前端抬起，仰角增大，可更完整清晰地检测到障碍1；当无人车2准备下坡时，在下坡道路上有一障碍2，此时中央控制器控制只启动后升降电机22，带动后升降臂20逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器14的后端抬起，俯角增大，可更完整清晰地检测到障碍2；所述无人车在上下坡避障时实际可以根据道路实际复杂性，调整三维激光雷达收发器14在竖直方向的扫描范围。

如图6所示，为无人车在未知环境下的行驶状态控制算法流程框图。当无人驾驶汽车开启时，先是中央控制器9控制三维激光雷达收发器14开始扫描道路信息，扫描得到的道路信息需经信号接收装置传回中央控制器9，由中央控制器9根据得到的信息判断无人车旁是否有障碍物；如果判断出无人车旁有障碍物，则中央控制器9继续根据激光雷达持续传来的道路信息，判断是否可以通过其他路径避开障碍物，如果是可以通过其他路径避开障碍物的话，那么中央控制器9就控制后驱轮12启动，进入后续的行驶状态，如果不能通过其他路径来避开障碍物的话，就选择判断是否可以清除障碍物，如果能够清除障碍物的话，就在合理清除障碍物之后，重新开始激光扫描道路信息，重新检验无人车旁是否有障碍物，如果障碍物无法清除，则中央控制器9控制所有设备停止，结束此次行驶；如果判断出无人车旁没有障碍物，那么中央控制器9就控制后驱轮12启动，继续扫描道路信息，根据原规划轨迹判断无人车是否继续行驶直线，如果不继续行驶直线，则判断是左拐还是右拐，如果是左拐的话，则中央控制器9发出控制信号控制横移电机5正转启动，带动横向滚珠丝杆8顺时针转动，在底座19内装有丝杆圆筒螺母24与横向滚珠丝杆8配合传动，实现三维激光雷达传感装置7向左移动，然后中央控制器9接收传感器传来的环境信息，并发出指令控制无人车左拐，左拐之后再判断是否继续行驶；如果是右拐的话，则中央控制器9发出控制信号控制横移电机5反转启动，带动横向滚珠丝杆8逆时针转动，在底座19内装有丝杆圆筒螺母24与横向滚珠丝杆8配合传动，实现三维激光雷达传感装置7向右移动，然后中央控制器9接收传感器传来的环境信息，并发出指令控制无人车右拐，右拐之后再判断是否继续行驶；如果是要继续行驶直线的话，则继续判断道路是否平稳，如果道路是平稳的话，则无人车继续前进，继续获取道路信息，之后再次判断是否继续行驶直线；如果道路不平稳的话，再判断是否要上坡或是下坡，如果是准备下坡的话，则9中央控制器9发出控制信号控制左右两个纵移电机11同步正转启动，带动左右两根纵向滚珠丝杆3同步顺时针转动，带动纵向同步移动纵移桩4向前移动，实现三维激光雷达传感装置7向前移动，再通过控制只启动后升降电机22，带动后升降臂20逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器14的后端抬起，使得三维激光雷达收发器14向下的俯角增大，之后中央控制器9接收传感器传来的信息，并发出指令控制无人车缓慢下坡；如果是准备上坡的话，则9中央控制器9发出控制信号控制左右两个纵移电机11同步正转启动，带动左右两根纵向滚珠丝杆3同步顺时针转动，带动纵向同步移动纵移桩4向前移动，实现三维激光雷达传感装置7向前移动，再通过只启动前升降电机17，带动前升降臂15逆时针旋转，使得三维激光雷达收发器14的前端抬起，使得三维激光雷达收发器14向上的仰角增大，可以根据道路实际复杂性，调整三维激光雷达收发器14在竖直方向的扫描范围，之后中央控制器9接收传感器传来的信息，并发出指令控制无人车降档上坡；然后判断无人车是否继续行驶，如果是想要继续行驶，则返回到三维激光雷达收发器14继续扫描道路信息，如果不再继续行驶的话，则无人车开始制动，停止行驶，然后中央控制器9控制三维激光雷达传感装置7恢复原始状态，之后无人车全部设备关闭。至此，无人车在未知环境下的行驶的全部操作结束。

所述四自由度三维激光雷达与无人车车体之间是一种非刚性可移动性连接，它们之间的相对位姿是动态变化的。设定无人车车体坐标系为o1-x1y1z1,命名为第一坐标系，坐标原点o1为无人车中心，高度为地面高度。其中，x1轴方向为地面水平方向，表示向左向右的距离；y1轴方向为地面前后方向，表示前进后退的距离；z1轴为地面垂直方向，表示高度。将发车前的四自由度三维激光雷达所在位置设为初始传感位姿，以传感装置的底座重心为坐标原点o2建立空间立体坐标系o2-x2y2z2,命名为第二坐标系。其中，x2轴方向为三维激光雷达水平移动方向，表示三维激光雷达在水平方向的左右移动距离；y2轴方向为三维激光雷达前后移动方向，表示三维激光雷达在前后方向的移动距离；z2轴为三维激光雷达竖直移动方向，表示三维激光雷达在竖直方向的上下移动距离。同样，将发车后位姿变化的四自由度三维激光雷达重新建立坐标系o3-x3y3z3，以变换后的传感装置底座重心为新坐标系的原点o3,命名为第三坐标系。其中，x3轴方向为三维激光雷达检测障碍物效果图的水平方向，表示障碍物在检测图中水平方向上的位置；y3轴方向为三维激光雷达检测障碍物效果图的前后方向，表示障碍物在检测图中前后方向上的位置；z3轴为三维激光雷达检测障碍物效果图的竖直方向，表示障碍物在检测图中竖直方向上的位置。

第二坐标系与第一坐标系之间的位置关系可以通过平移与旋转的关系来描述，如下公式：

其中，r1-2是第二坐标系与第一坐标系之间的3×3旋转矩阵，t1-2是第二坐标系与第一坐标系之间的平移向量。t1-2表示第二坐标系原点与第一坐标系原点之间的位置关系，为[tx,ty,tz]^t表示x1轴、y1轴以及z1轴方向上的偏移量，可以通过实际机械安装情况测出平移向量t1-2的值。由于r1-2不能通过直接测量的方法得出准确的值，而且其测量误差会对最终结果造成较大影响，因此必须利用坐标来标定的方法来检测。三维激光雷达的机械安装结构会在俯仰、侧倾以及左右偏转三个方向存在一定的偏差，设定俯仰的角度为α1-2，侧倾的角度为β1-2，左右偏转的角度为γ1-2。

第二坐标系不能具体确定其原点[tx,ty,tz]^t及空间坐标轴方向α1-2、β1-2、γ1-2，因此不能简单的利用坐标系的相对位置转换得到第二坐标系与第一坐标系之间的空间关系。在此，利用建立过度空间坐标系的方法，找出n个不在同一平面的点，n个点相对第一坐标系坐标已知，即(i＝1,...,n)，n＞3。然后再通过三维激光雷达系统得到这n个点相对第二坐标系的坐标为(i＝1,...,n)，n＞3。令第二坐标系到第一坐标系的相对位置的转移矩阵为d1-2，则第二坐标系到第一坐标系的相对位置变换关系为：

d1-2矩阵为4×4矩阵，根据第二坐标系到第一坐标系距离单位相同不存在缩放的特点，有：

其中，r1-2为的3×3旋转矩阵，c1-2＝[α1-2β1-2γ1-2]且有t1-2＝[tx,ty,tz]^t。所以在旋转矩阵r1-2中，当i≠j时，有rij＝0；当i＝j时，有rij≠0。当n＞4时,上述变换关系成为一超定方程，求解该超定方程即可计算出第二坐标系到第一坐标系的转移矩阵d1-2。

设定则第二坐标系到第一坐标系的变换关系可转变为：

其中，r1-2l＝ε-t1-2，解得：即得：

同样，第三坐标系与第二坐标系之间的关系也可以通过旋转与平移关系来表达，如下公式：

其中，r2-3是第三坐标系与第二坐标系之间的3×3旋转矩阵，t2-3是第三坐标系与第二坐标系之间的平移向量。t2-3表示第三坐标系原点与第二坐标系原点之间的位置关系，为[t′x,t′y,t′z]^t表示x2轴、y2轴以及z2轴方向上的偏移量。由于平移矩阵t2-3和旋转矩阵r2-3是可变的，需要根据实际传感装置移动情况得出准确的值，因此都需要通过标定来实现。三维激光雷达的旋转矩阵r2-3包括上下俯仰的角度为α2-3，旋转的角度为β2-3，左右偏转的角度为γ2-3。

第三坐标系不能具体确定其原点[t′x,t′y,t′z]^t及空间坐标轴方向α2-3、β2-3、γ2-3，因此不能简单的利用坐标系的相对位置转换得到第三坐标系与第二坐标系之间的空间关系。在此，采用建立过度空间坐标系的方法，找出n个不在同一平面的点，n个点相对第一坐标系坐标已知，即(i＝1,...,n)，n＞3。然后再通过三维激光雷达系统得到这n个点相对第三坐标系的坐标为(i＝1,...,n)，n＞3。令第三坐标系到第二坐标系的相对位置的转移矩阵为d2-3，则第三坐标系到第二坐标系的相对位置变换关系为：

d1-2矩阵为4×4矩阵，根据第三坐标系到第二坐标系距离单位相同不存在缩放的特点，有：

其中，r2-3为的3×3旋转矩阵，c2-3＝[α2-3β2-3γ2-3]且有t2-3＝[t′x,t′y,t′z]^t。所以在旋转矩阵r2-3中，当i≠j时，有r′ij＝0；当i＝j时，有r′ij≠0。当n＞4时,上述变换关系成为一个超定方程，求解该超定方程即可计算出第二坐标系到第一坐标系的转移矩阵d2-3。

设定则第二坐标系到第一坐标系的变换关系可转变为：

其中，r2-3l′＝ε′-t2-3，解得：即得：

在第三坐标系o3-x3y3z3中，障碍物在检测图中的坐标设定为[x3,y3,z3]。所以，综上所述可以将障碍物的位姿坐标标定在无人车车体坐标系中，即：

综上所述，本实用新型的目的是为了提高三维激光雷达在车辆行驶过程中对障碍物检测的精度和实时性，实现无人驾驶汽车在复杂的交通环境下，能安全行驶，且在保证满足移动传感装置与车体联合标定时信息精度的要求下，简化标定流程，提高标定效率，具有很强的操作性和可靠性。