基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统及方法与流程

本发明涉及无人车辆安全防护领域，尤其涉及一种基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统。

背景技术：

随着自动驾驶车辆技术的发展，越来越多无人车辆应用于各个场合。无人驾驶技术是21世纪人工智能领域重大的突破，无人驾驶技术应用在各个行业中。特别是室内室外低速无人车辆已规模应用，这些应用场景比较复杂，影响运行安全的因素各种各样，比如形状各异的人造物，小孩和动物等，这些人和物都可能会与无人车进行近距离和全方位的接触，如果无人车无法做到全方位的防护，则极易发送安全事故。

专利文献1(申请号cn201811290887)公开了一种基于视觉与激光雷达传感器的移动载体通行区域检测系统。但是这些专利都关注载体前方中远距离障碍物及其对规划路径的处理，而没有关注载体附近的障碍物，特别是贴近车体的障碍物，且对安全保障没有独立的处理。在低速无人驾驶场景中，这些主传感器的近距离盲区障碍物才是引发安全事故的主要因素。

专利文献2(申请号cn201710366946)公开了一种基于红外收发装置的无人车防碰撞系统和方法，其包括红外发射装置、红外接收装置、反射镜和控制装置，使红外发射装置发出的红外光经各反射镜绕车体一周或多周，并被红外接收装置接收，通过接收到的红外光信号是否存在跳变来判断是否存在障碍物。

上述专利文献虽然解决了一定问题，但仍然存在着现有技术的问题点：

现有技术中，车体近距离防护主要使用超声传感器、毫米波雷达、红外传感器以及机械安全触边等。超声传感器和毫米波雷达无法精确测量障碍物位置，且测量范围较小；红外传感器和机械安全触边只能防护一条线。受外观和成本等限制也无法在车体周围安装大量这些传感器来达成全方位的防护，现有技术中室内室外低速无人车辆出现测量范围小、精确度低的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统，其能解决测量范围小、精确度低的问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统，包括干个固态面阵雷达及运动控制系统，所述运动控制系统包括防护算法模块、导航控制模块和底盘控制器，所述防护算法模块分别与若干个所述固态面阵雷达建立通信，若干个所述固态面阵雷达分别安装于无人车的前部、后部及两侧，所述固态面阵雷达检测无人车四周近距离障碍物位置并上传障碍信息至所述防护算法模块，若干个所述固态面阵雷达汇总障碍信息并反馈到所述防护算法模块，所述防护算法模块分别与所述底盘控制器和所述导航算法模块交互，所述导航算法模块与所述底盘控制器交互，所述防护算法模块直接给所述底盘控制器发送控制指令以防止指令被中间模块错误处理，所述底盘控制器优先执行防护算法模块的限制指令以防止危险，所述防护算法模块将控制指令及障碍信息发送至所述导航算法模块以规划出可行的安全绕行路线。

进一步地，所述固态面阵雷达水平视场角大于90°，垂直视场角大于9°，测量距离大于3m。

进一步地，所述固态面阵雷达安装于无人车的前部或后部并位于所述无人车的顶部，所述固态面阵雷达的探测方向垂直朝下。

进一步地，若干个所述固态面阵雷达中，其中两个所述固态面阵雷达安装于无人车的两侧并位于所述无人车的顶部，所述固态面阵雷达的探测方向垂直朝下。

进一步地，所述固态面阵雷达的数量为4个，4个所述固态面阵雷达分别安装于无人车的前部、后部及两侧，所述固态面阵雷达的探测方向垂直朝下。

一种基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护方法，应用于基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统，包括干个固态面阵雷达及运动控制系统，所述运动控制系统包括防护算法模块、导航控制模块和底盘控制器，包括以下步骤：

移动步骤：无人车处于自动驾驶模式，固态面阵雷达实时识别周边环境并生成实时数据，实时数据传输至防护算法模块；

分析步骤：防护算法模块使用转换矩阵将固态面阵雷达返回的点云转换成车体坐标系下的点云，并根据点云表示的障碍物得出障碍物和车体的相对位置关系；

判断步骤：防护算法模块判断出危险方向，并形成控制指令；

运行步骤：导航算法模块根据障碍限制信息生成环境信息，规划新的安全的路径并生成运动控制指令，底盘控制器执行运动控制指令。

进一步地，在所述移动步骤中，固态面阵雷达按照固定频率扫描环境，并将检测的雷达坐标系下的点云结果发送到防护算法模块。

进一步地，在所述判断步骤中，控制指令的优先级为最高，防护算法模块发出限制运动指令，底盘控制器接收限制运动指令并拒绝执行其他命令。

进一步地，在所述判断步骤中，当防护算法模块判断障碍消失时，防护算法模块发送接触指令到底盘控制器，解除限制运动指令。

进一步地，在所述运行步骤中，防护算法模块将点云和限制运动指令的相关信息发送给导航控制模块，导航控制模块根据障碍物信息和限制运动指令，重新规划路径从其它非限制方向绕开障碍物。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

若干个所述固态面阵雷达分别安装于无人车的前部、后部及两侧，所述固态面阵雷达检测无人车四周近距离障碍物位置并上传障碍信息至所述防护算法模块，若干个所述固态面阵雷达汇总障碍信息并反馈到所述防护算法模块，所述防护算法模块分析并发送相关控制指令到所述导航控制模块，所述导航控制模块控制所述底盘控制器进行位置调节以限制车辆做危险运动。通过多个固态面阵雷达贴近安装于无人车车体四面，检测车体四周近距离障碍物位置，这些障碍物信息由独立运行的防护算法模块处理，并给出高优先级的控制指令到底盘控制器，限制车体做危险运动，能够精确测量近距离障碍物位置，通过特定的安装方式使得使用较少的数量即可覆盖车体四周，且独立运行的保护算法模块保证该系统不受其它模块影响，最终实现稳定的全方位的防护。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统的模块图；

图2为固态面阵雷达视场范围图；

图3为车辆前后面雷达安装位置及其视场范围示意图；

图4为另一车辆前后面雷达安装位置及其视场范围示意图；

图5为车辆左右两侧雷达安装位置及其视场范围示意图；

图6为另一车辆左右两侧雷达安装位置及其视场范围示意图；

图7为雷达视野范围俯视图；

图8为本发明的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1-7，一种基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统，包括干个固态面阵雷达及运动控制系统，所述运动控制系统包括防护算法模块、导航控制模块和底盘控制器，所述防护算法模块分别与若干个所述固态面阵雷达建立通信，若干个所述固态面阵雷达分别安装于无人车的前部、后部及两侧，所述固态面阵雷达检测无人车四周近距离障碍物位置并上传障碍信息至所述防护算法模块，若干个所述固态面阵雷达汇总障碍信息并反馈到所述防护算法模块，所述防护算法模块分别与所述底盘控制器和所述导航算法模块交互，所述导航算法模块与所述底盘控制器交互，所述防护算法模块直接给所述底盘控制器发送控制指令以防止指令被中间模块错误处理，所述底盘控制器优先执行防护算法模块的限制指令以防止危险，所述防护算法模块将控制指令及障碍信息发送至所述导航算法模块以规划出可行的安全绕行路线。通过多个固态面阵雷达贴近安装于无人车车体四面，检测车体四周近距离障碍物位置，这些障碍物信息由独立运行的防护算法模块处理，并给出高优先级的控制指令到底盘控制器，限制车体做危险运动，能够精确测量近距离障碍物位置，通过特定的安装方式使得使用较少的数量即可覆盖车体四周，且独立运行的保护算法模块保证该系统不受其它模块影响，最终实现稳定的全方位的防护。

在实际应用过程中，防护算法模块和导航控制模块可以运行与同一个控制板中，也可以运行与两个独立的控制板。底盘控制器一般是一个独立的单片机控制板，防护算法模块直接给底盘控制器发送控制指令，是为了防止指令被中间模块错误处理，抬升了安全风险。底盘控制器优先执行防护算法模块的限制指令，防止危险；底盘控制器在不冲突的情况下也会执行导航算法模块的控制指令，实现安全避障。防护算法模块将控制指令、障碍信息发送给导航算法模块，是为了让导航算法模块能够根据障碍及限制指令，规划出可行的安全绕行路线。

在具体应用中，防护算法模块执行防护算法，具体原理和公式如下：

标定固态面阵激光雷达坐标系到车体坐标系下的转换矩阵m，p1表示雷达坐标系下的坐标，p2表示车体坐标系下的坐标，同一个点的两坐标之间的转换关系如下：

标定转换矩阵方法和步骤如下：

1、将车体置于平整地面，在雷达视野范围内，车体四周地面铺上平的反射板。此时雷达检测到的所有点都位于地面，即所有点车体坐标系下z2等于0。即此时所有雷达坐标下的点坐标满足m3p1＝0，对这些点使用最小二乘算法拟合求取m3。

2、将车体置于平整地面，在雷达视野范围内，车体四周地面铺上平的反射板，并于车体x轴且坐标已知(用x20表示)处垂直于x轴放置反射板。此时雷达检测到的所有点要么位于地面，要么位于垂直x轴的反射板上。将满足m3p1<zd的位于地面的点过滤掉，zd表示对于地面的检测误差阈值，为了防止遗漏地面点取较大阈值，比如0.2m，则剩下的点满足m1p1＝x20，对这些点使用最小二乘算法拟合求取m1。

3、将车体置于平整地面，在雷达视野范围内，车体四周地面铺上平的反射板，并于车体y轴且坐标已知(用y20表示)处垂直于y轴放置反射板。此时雷达检测到的所有点要么位于地面，要么位于垂直y轴的反射板上。同样的方法过滤地面的点，则剩下的点满足m2p1＝y20，对这些点使用最小二乘算法拟合求取m2。

4、将m1、m2和m3组合得到m，如下：

无人车车辆运行时，防护算法模块使用转换矩阵m将雷达返回的点云转换成车体坐标系下的点云。在实际应用时，防护算法模块从点云中过滤掉地面的点。在车体坐标中地面为z轴坐标为0的面，将z轴坐标绝对值小于设定阈值的点去掉即可，该阈值与雷达测距精度和地面平整度有关，一般取0.05～0.1m范围。保留的点云中包含了高于地面和低于地面的障碍信息。

防护算法模块计算点云表示的障碍物相对于的车体的位置，判断出危险方向。比如障碍物在靠近车体前方的位置，则前方为危险方向；又比如障碍物已经零距离接触到了车体，则所有方向都为危险方向。防护算法模块根据危险方向信息，输出限制对应方向运动的指令到底盘控制器。比如向右为危险方向，则输出指令为限制向右转。该限制指令为高优先级指令，优先传输和执行。底盘控制器收到限制运动指令后，拒绝执行其它的向该方向运动的指令，直到该限制指令被解除。

优选的，请具体参阅图2-6，所述固态面阵雷达水平视场角大于90°，垂直视场角大于9°，测量距离大于3m。所述固态面阵雷达安装于无人车的前部或后部并位于所述无人车的顶部，所述固态面阵雷达的探测方向垂直朝下。若干个所述固态面阵雷达中，其中两个所述固态面阵雷达安装于无人车的两侧并位于所述无人车的顶部，所述固态面阵雷达的探测方向垂直朝下。进一步提高了雷达的监测能力，使监测无死角。

优选的，请具体参阅图7，所述固态面阵雷达的数量为4个，4个所述固态面阵雷达分别安装于无人车的前部、后部及两侧，所述固态面阵雷达的探测方向垂直朝下。可看出雷达视野范围俯视图呈井字状并将无人车包围，进一步提高了精准度和反应速度。

请参阅图8，一种基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护方法，应用于基于固态面阵激光雷达的无人车安全防护系统，包括干个固态面阵雷达及运动控制系统，所述运动控制系统包括防护算法模块、导航控制模块和底盘控制器，包括以下步骤：

移动步骤：无人车处于自动驾驶模式，固态面阵雷达实时识别周边环境并生成实时数据，实时数据传输至防护算法模块；在所述移动步骤中，固态面阵雷达按照固定频率(比如20hz)扫描环境，并将检测的雷达坐标系下的点云结果发送到防护算法模块。

分析步骤：防护算法模块使用转换矩阵将固态面阵雷达返回的点云转换成成体坐标系下的点云，并根据点云表示的障碍物得出无人车车体的位置及障碍物信息；

判断步骤：防护算法模块判断出危险方向，并形成控制指令；在所述判断步骤中，控制指令的优先级为最高，底盘控制器执行指令，导航模块根据限制信息尝试规划安全绕行路径。

优选的，在所述判断步骤中，当防护算法模块判断障碍消失时，防护算法模块发送接触指令到底盘控制器，解除限制运动指令。进一步提高了控制力。

运行步骤：导航算法模块根据障碍限制信息生成环境信息，规划新的安全的路径并生成运动控制指令，底盘控制器执行运动控制指令。

优选的，在所述运行步骤中，防护算法模块将点云和限制运动指令的相关信息发送给导航控制模块，导航控制模块根据障碍物信息和限制运动指令，重新规划路径从其它非限制方向绕开障碍物。一方面提高了管控能力，另一方面提高了协调度，在实际操作过程中，会将最佳路径存储到控制线路板中。

防护算法模块执行如下算法，具体原理和公式如下：

标定固态面阵激光雷达坐标系到车体坐标系下的转换矩阵m，p1表示雷达坐标系下的坐标，p2表示车体坐标系下的坐标，同一个点的两坐标之间的转换关系如下：

标定转换矩阵方法和步骤如下：

1、将车体置于平整地面，在雷达视野范围内，车体四周地面铺上平的反射板。此时雷达检测到的所有点都位于地面，即所有点车体坐标系下z2等于0。即此时所有雷达坐标下的点坐标满足m3p1＝0，对这些点使用最小二乘算法拟合求取m3。

2、将车体置于平整地面，在雷达视野范围内，车体四周地面铺上平的反射板，并于车体x轴且坐标已知(用x20表示)处垂直于x轴放置反射板。此时雷达检测到的所有点要么位于地面，要么位于垂直x轴的反射板上。将满足m3p1<zd的位于地面的点过滤掉，zd表示对于地面的检测误差阈值，为了防止遗漏地面点取较大阈值，比如0.2m，则剩下的点满足m1p1＝x20，对这些点使用最小二乘算法拟合求取m1。

3、将车体置于平整地面，在雷达视野范围内，车体四周地面铺上平的反射板，并于车体y轴且坐标已知(用y20表示)处垂直于y轴放置反射板。此时雷达检测到的所有点要么位于地面，要么位于垂直y轴的反射板上。同样的方法过滤地面的点，则剩下的点满足m2p1＝y20，对这些点使用最小二乘算法拟合求取m2。

4、将m1、m2和m3组合得到m，如下：

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。