扫描角度调整装置、激光雷达系统、载具及自动校正方法与流程

本公开涉及环境感知技术，尤其涉及一种扫描角度调整装置、激光雷达系统、载具及自动校正方法。

背景技术：

随着机器人技术的不断发展，服务机器人已在环境监测、公共安全、救灾救援、反恐防爆等领域实现了应用。在复杂非结构化的环境中，服务机器人需要获取外部环境的三维空间数据，以完成机器人位姿的估计、不同高度障碍物的识别及避障、运动轨迹的自动规划、目标物体的识别及检测等各项任务。

在复杂非结构化的环境中，由于存在不同高度的障碍物和不同大小的目标物体，在相关技术中采用激光雷达实现三维空间的扫描功能。激光雷达在使用时可能会受到路面的平整程度以及空间环境的影响。

技术实现要素：

经发明人研究发现，相关技术中的激光雷达在受到路面的平整程度以及空间环境等因素的影响时，其自身姿态不能及时得以调整，从而制约了其扫描范围以及获得数据的准确程度。

有鉴于此，本公开实施例提供一种扫描角度调整装置、激光雷达系统、载具及自动校正方法，能够实现激光雷达的姿态调整。

在本公开的一个方面，提供一种激光雷达的扫描角度调整装置，包括：

第二方向驱动机构，与激光雷达连接，用于驱动所述激光雷达绕沿第二方向延伸的第二轴线转动；和

第一方向驱动机构，与所述第二方向驱动机构连接，用于驱动所述第二方向驱动机构绕第一方向延伸的第一轴线转动；

其中，所述第二轴线与所述第一轴线相互垂直。

在一些实施例中，所述第一方向驱动机构包括：

支架；

第一驱动件，固定设置在所述支架上；

第一传动件，分别与所述第一驱动件的输出部和所述第二方向驱动机构连接，用于在所述第一驱动件的驱动下，带动所述第二方向驱动机构绕所述第一轴线转动。

在一些实施例中，所述第二方向驱动机构包括：

第二驱动件，与所述第一传动件连接；

第二传动件，与所述激光雷达和所述第二驱动件连接，用于在所述第二驱动件的驱动下，带动所述激光雷达绕所述第二轴线转动。

在一些实施例中，所述第一驱动件包括第一舵机，所述第一舵机的动力输出轴与所述第一传动件固定连接，所述第一舵机被配置为根据其动力输出轴的转动位置信号实现反馈控制。

在一些实施例中，所述第二驱动件包括第二舵机，所述第二舵机的动力输出轴与所述第一传动件形成可转动的连接，所述第二舵机的机壳与所述激光雷达固定连接，所述第二舵机被配置为根据其动力输出轴的转动位置信号实现反馈控制。

在一些实施例中，所述扫描角度调整装置还包括：

控制器，与所述第二方向驱动机构和所述第一方向驱动机构信号连接，用于向所述第二方向驱动机构和所述第一方向驱动机构发送控制指令，以实现所述激光雷达的扫描角度的调整。

在一些实施例中，所述控制器被配置为在所述激光雷达处于工作状态时，使所述第一方向驱动机构驱动所述第二方向驱动机构转动来带动所述激光雷达摆动，并使所述第二方向驱动机构驱动所述激光雷达转动来实现俯仰运动，以使所述激光雷达的扫描面保持与水平面的平行或相对倾斜角。

在一些实施例中，所述扫描角度调整装置还包括：

坡度感测单元，用于感测路面的坡度；

其中，所述控制器被配置为使所述第二方向驱动机构驱动所述激光雷达绕所述第二轴线转动与所述坡度对应的角度，从而使所述激光雷达的扫描面能够维持与所述坡度的路面平行。

在本公开的一个方面，提供一种可调整扫描面角度的激光雷达系统，包括：激光雷达；和前述的扫描角度调整装置。

在一些实施例中，所述激光雷达为单线式或多线式激光雷达。

在本公开的一个方面，提供一种载具，包括前述的激光雷达系统。

在一些实施例中，所述载具为可行走的机器人或自动导引车辆。

在本公开的一个方面，提供一种基于前述的激光雷达的扫描角度调整装置的激光雷达自动校正方法，包括：

提供具有相互垂直的第一竖直面和第二竖直面的参照物体，所述第一竖直面和所述第二竖直面均与水平面垂直，并将所述扫描角度调整装置设置在所述第一竖直面和所述第二竖直面围成90°内角的一侧，以使所述第一竖直面和所述第二竖直面均能够被激光雷达的扫描面照射到；

使第一方向驱动机构通过驱动第二方向驱动机构来带动所述激光雷达在所述第一方向驱动机构的第一角度范围转动，同时获取所述第一角度范围内各个滚转角度所对应的激光雷达数据帧；

从所述第一角度范围内各个滚转角度所对应的激光雷达数据帧确定相对于所述第一竖直面的最短距离对应的滚转角度，然后使所述第一方向驱动机构带动所述第二方向驱动机构转动到所述滚转角度；

使所述第二方向驱动机构驱动激光雷达按照所述第二方向驱动机构的第二角度范围转动，同时获取所述第二角度范围内各个俯仰角度所对应的激光雷达数据帧；

从所述第二角度范围内各个俯仰角度所对应的激光雷达数据帧确定相对于所述第二竖直面的最短距离对应的俯仰角度，并使所述第二方向驱动机构驱动所述激光雷达转动到所述俯仰角度。

在一些实施例中，所述滚转角度对应的数据帧均包括多个第一激光点云数据，每个所述第一激光点云数据包括所述激光雷达在当前滚转角度下的各个扫描方位/扫描点的序号和对应的距离信息；

所述俯仰角度对应的数据帧均包括多个第二激光点云数据，每个所述第二激光点云数据包括所述激光雷达在当前俯仰角度下的各个扫描方位/扫描点的序号和对应的距离信息。

在一些实施例中，所述激光雷达自动校正方法还包括：

根据所述扫描点与其相邻点的距离数据判断所述扫描点是否为异常点；

如果确定所述扫描点为异常点，则所述扫描点不被纳入最短距离的判断。

因此，根据本公开实施例，通过轴线相互垂直的第一方向驱动机构和第二方向驱动机构来调整激光雷达的姿态，使得激光雷达受到周围环境影响时能够及时通过调整姿态来调整扫描范围，从而满足激光雷达的工作需求。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是根据本公开激光雷达扫描角度调整装置的一些实施例的结构示意图；

图2是根据本公开激光雷达扫描角度调整装置的一些实施例的方框示意图；

图3是根据本公开激光雷达自动校正方法的一些实施例的流程示意图。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

如图1所示，是根据本公开激光雷达扫描角度调整装置的一些实施例的结构示意图。参考图1，在一些实施例中，激光雷达扫描角度调整装置包括：激光雷达3、第二方向驱动机构20和第一方向驱动机构10。激光雷达3用于采集被扫描区域的距离信息。激光雷达3可采用单线式或多线式激光雷达。第二方向驱动机构20与激光雷达3连接，用于驱动所述激光雷达3绕沿第二方向延伸的第二轴线23转动。第一方向驱动机构10与所述第二方向驱动机构20连接，用于驱动所述第二方向驱动机构20绕第一方向延伸的第一轴线14转动。激光雷达3转动的第二轴线23与第二方向驱动机构转动的第一轴线14相互垂直。

本实施例通过轴线相互垂直的第一方向驱动机构和第二方向驱动机构来调整激光雷达的姿态，使得激光雷达受到周围环境影响时能够及时通过调整姿态来调整扫描范围，从而满足激光雷达的工作需求。激光雷达通过基于第二轴线的转动以及随着绕与第二轴线垂直的第一轴线转动的第二方向驱动机构运动，能够实现较大程度的姿态调整，以适应更加复杂的外部环境。

举例来说，当载有本实施例的激光雷达扫描角度调整装置的车辆或机器人在不平的道路上运行时，激光雷达能够随着车辆在不同方向的倾斜而调整姿态，以使得激光雷达保持其预设的扫描范围。即便道路非常不平整，本实施例的激光雷达扫描角度调整装置也能通过第二方向驱动机构和第一方向驱动机构以较大转动角度的驱动来满足激光雷达的姿态调整需求。

参考图1，在一些实施例中，第一方向驱动机构10包括：支架11、第一驱动件12和第一传动件13。支架11可安装在机器人或者车辆上，例如固定设置在机器人或车辆的底盘上，或者设置在车头前方，或者设置在机器人的顶部等。第一驱动件12固定设置在所述支架11上。第一传动件13分别与所述第一驱动件12的输出部和所述第二方向驱动机构20连接，用于在所述第一驱动件12的驱动下，带动所述第二方向驱动机构20绕所述第一轴线14转动。这里第一驱动件12可实现第二方向驱动机构的左右摇摆，即滚转角(rollangle)的调节。

在一些实施例中，第一驱动件12可包括第一舵机。第一舵机的动力输出轴与所述第一传动件13固定连接。第一舵机可根据其动力输出轴的转动位置信号实现其对第一传动件12转动的反馈控制。第一舵机可包括电机驱动器和旋转机构，电机驱动器在驱动旋转机构转动的同时，还接收旋转机构返回的转动位置信号，从而通过反馈控制实现精准的角度调整。在另一些实施例中，第一驱动件12可包括电机或气动马达，另外还可以在电机或驱动马达的输出轴或者第一传动件13上设置角度传感器，以便检测第一传动件13的转动位置信号，从而实现电机或驱动马达的反馈控制。

参考图1，在一些实施例中，第二方向驱动机构20包括：第二驱动件21和第二传动件22。第二驱动件21与所述第一传动件13连接。第二传动件22分别与所述激光雷达3和所述第二驱动件21连接，用于在所述第二驱动件21的驱动下，带动所述激光雷达3绕所述第二轴线23转动。这里第二驱动件21可实现激光雷达的俯仰调节，即俯仰角(pitchangle)的调节。

在一些实施例中，第二驱动件21包括第二舵机。第二舵机的动力输出轴与所述第一传动件13形成可转动的连接，所述第二舵机的机壳与所述激光雷达3固定连接。通过将第二舵机的机壳与激光雷达3固定，并将动力输出轴与第一传动件13转动连接，可使得第一轴线14与第二轴线23的间距基本维持不变，从而使激光雷达扫描角度调整装置的结构更加紧凑，占用空间更小。

第二舵机可根据其动力输出轴的转动位置信号实现反馈控制。第二舵机可包括电机驱动器和旋转机构，电机驱动器在驱动旋转机构转动的同时，还接收旋转机构返回的转动位置信号，从而通过反馈控制实现精准的角度调整。在另一些实施例中，第二驱动件21可包括电机或气动马达，另外还可以在电机或驱动马达的输出轴上设置角度传感器，以便检测第二驱动件21相对于第一传动件13的转动位置信号，从而实现电机或驱动马达的反馈控制。

如图2所示，是根据本公开激光雷达扫描角度调整装置的一些实施例的方框示意图。参考图2，在一些实施例中，激光雷达扫描角度调整装置还包括控制器4。控制器4与所述第二方向驱动机构20和所述第一方向驱动机构10信号连接，用于向所述第二方向驱动机构20和所述第一方向驱动机构10发送控制指令，以实现所述激光雷达3的扫描角度的调整。

控制器4可以为工控机或者嵌入式主板。其可设置在激光雷达3、第二方向驱动机构20或第一方向驱动机构10上，也可以临近激光雷达3、第二方向驱动机构20或第一方向驱动机构10设置，例如设置在承载激光雷达扫描角度调整装置的车辆或机器人上。在一些实施例中，也可采用车辆或机器人自身的控制单元作为控制器4。控制器4可通过内部存储的控制逻辑实现对第二方向驱动机构20和第一方向驱动机构10的控制，也可以接收外部的遥控指令或者来自控制平台的远程控制指令实现对第二方向驱动机构20和第一方向驱动机构10的控制。

为了使激光雷达3在工作过程中能够保持其扫描的稳定性，可以通过对控制器的配置实现激光雷达3姿态的自动调整。即控制器可在所述激光雷达3处于工作状态时，使所述第一方向驱动机构10驱动所述第二方向驱动机构20转动来带动所述激光雷达3摆动，并使所述第二方向驱动机构20驱动所述激光雷达3转动来实现俯仰运动，以使所述激光雷达3的扫描面保持与水平面的平行。在另一些实施例中，也可以使扫描面保持在与水平面呈设定的倾斜角。

参考图1，例如在激光雷达3处于正常工作状态时，其扫描面被配置为与水平面平行，则当承载激光雷达扫描角度调整装置的车辆底盘向左侧或右侧偏斜时，车辆上或者激光雷达扫描角度调整装置中能够检测偏斜角度的传感元件可将偏斜角度信号发送给控制器4，控制器4可即时地向第一方向驱动机构10发出控制指令，使第一方向驱动机构10驱动第二方向驱动机构20绕第一轴线14转动相应的角度，来补偿激光雷达3的偏斜量，从而使激光雷达3的扫描面能够维持水平。

同理，当车辆底盘行驶到上坡或下坡的路面时，车辆上或者激光雷达扫描角度调整装置中能够检测偏斜角度的传感元件可将偏斜角度信号发送给控制器4，控制器4可即时地向第二方向驱动机构20发出控制指令，使第二方向驱动机构20驱动激光雷达3绕第二轴线23转动相应的角度，来补偿激光雷达3的偏斜量，从而使激光雷达3的扫描面能够维持水平。在另一些实施例中，机器人或车辆感测路面的坡度，然后使第二方向驱动机构20驱动激光雷达3绕第二轴线23转动与坡度对应的角度，从而使激光雷达3的扫描面能够维持与该坡度的路面平行。

对于更加复杂的路边情况，控制器4可根据在第一方向和第二方向偏斜角度信号同步控制第一方向驱动机构10和第二方向驱动机构20，从而使激光雷达3的扫描面能够始终维持水平，进而确保了激光雷达3扫描结果的准确性和可靠性。

如果激光雷达3处于正常工作状态时，其扫描面被配置为与水平面呈预设倾斜角，则也同样可通过控制器的上述控制过程使激光雷达3在不平整的路面上或其他环境干扰时通过调整姿态来维持其扫描面与水平面之间的预设倾斜角，从而确保了激光雷达3扫描结果的准确性和可靠性。

上述激光雷达扫描角度调整装置可适用于各种需要使用激光雷达进行空间扫描的设备，例如机器人或自动导引车辆等。相应的，本公开还提供了一种载具，包括前述任一种激光雷达扫描角度调整装置的实施例。该载具可以为可行走的机器人或自动导引车辆，自动导引车辆包括尺寸较小的无人车，也可以包括无人驾驶汽车等。当然，激光雷达扫描角度调整装置也适用于由人驾驶的车辆。

本公开实施例的激光雷达扫描角度调整装置既适用于机械旋转式激光雷达，也适用于固态激光雷达。所述固态激光雷达不使用机械旋转机构，其扫描面为特定角度范围(例如270°)的扇形面。

考虑到激光雷达每次在不同的环境的路面上使用时，不同的路面的倾斜度可能是不一致的。此外，当激光雷达一段时间不用时，其角度也可能基于触碰等原因而发生变化，因此激光雷达在上电之后的扫描面很可能不是水平面，而激光雷达的扫描面保持水平又是大多数工作任务经常需要的。基于上述原因，可在激光雷达工作之前对其进行校正，使其扫描面保持水平，以满足工作需要或提高激光雷达的测量精度。而基于上述激光雷达扫描角度调整装置的各实施例，本公开还提供了激光雷达扫描角度调整装置中激光雷达自动校正的方法的一些实施例。

如图3所示，是根据本公开激光雷达自动校正方法的一些实施例的流程示意图。结合图1所示的激光雷达扫描角度调整装置，并参考图3，在一些实施例中，激光雷达自动校正方法包括：

步骤100、提供具有相互垂直的第一竖直面和第二竖直面的参照物体，所述第一竖直面和所述第二竖直面均与水平面垂直，并将所述扫描角度调整装置设置在所述第一竖直面和所述第二竖直面围成90°内角的一侧，以使所述第一竖直面和所述第二竖直面均能够被激光雷达3的扫描面照射到；

步骤200、使第一方向驱动机构10通过驱动第二方向驱动机构20来带动所述激光雷达3在所述第一方向驱动机构10的第一角度范围转动，同时获取所述第一角度范围内各个滚转角度所对应的激光雷达数据帧；

步骤300、从所述第一角度范围内各个滚转角度所对应的激光雷达数据帧确定相对于所述第一竖直面的最短距离对应的滚转角度，然后使所述第一方向驱动机构10带动所述第二方向驱动机构20转动到所述滚转角度；

步骤400、使所述第二方向驱动机构20驱动激光雷达3按照所述第二方向驱动机构20的第二角度范围转动，同时获取所述第二角度范围内各个俯仰角度所对应的激光雷达数据帧；

步骤500、从所述第二角度范围内各个俯仰角度所对应的激光雷达数据帧确定相对于所述第二竖直面的最短距离对应的俯仰角度，并使所述第二方向驱动机构20驱动所述激光雷达3转动到所述俯仰角度。

在步骤100中，参照物体可呈l型，其可被固定地或可移动的设置在地面或平台上。参照物体也可以为固定或可移动的建筑设施，例如房屋等。

在步骤200中，激光雷达3在转动时可从初始滚转角度位置向左右方向各旋转第一角度范围的一半。并且，在激光雷达3在第一角度范围内转动时，保持第二方向驱动机构20不做俯仰角的调节。各个滚转角度对应的数据帧均包括多个第一激光点云数据，每个第一激光点云数据包括激光雷达3的扫描面在当前滚转角度下的各个扫描方位/扫描点的序号和对应的距离信息。

在步骤300中，在确定最短距离对应的滚转角度时，可排除异常点的干扰。具体来说，可判断每个扫描点与其邻近点的距离数据是否接近，如果不接近，则可判断该扫描点为异常点，从而不将其纳入最短距离的判断。判断距离数据是否相近可通过判断距离数据的差值是否超过预设阈值进行确定。

在步骤400中，激光雷达3在转动时可从初始俯仰角度位置向上下方向各旋转第二角度范围的一半。并且，在激光雷达3在第二角度范围内转动时，保持第一方向驱动机构10不做滚转角的调节。各个俯仰角度对应的数据帧均包括多个第二激光点云数据，每个第二激光点云数据包括激光雷达3的扫描面在当前俯仰角度下的各个扫描方位/扫描点的序号和对应的距离信息。

在步骤500中，在确定最短距离对应的俯仰角度时，可排除异常点的干扰。具体来说，可判断每个扫描点与其邻近点的距离数据是否接近，如果不接近，则可判断该扫描点为异常点，从而不将其纳入最短距离的判断。判断距离数据是否相近可通过判断距离数据的差值是否超过预设阈值进行确定。

在上述实施例中，步骤200-300可以与步骤400-500互换。在上述步骤200和步骤400中，第一角度范围和第二角度范围可在校正操作之前预先输入控制器，也可以在校正过程中获取。即在一些实施例中，激光雷达自动校正方法还可以包括获取所述第一方向驱动机构10的第一角度范围和所述第二方向驱动机构20的第二角度范围。

本说明书中多个实施例采用递进的方式描述，各实施例的重点有所不同，而各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于方法实施例而言，由于其整体以及涉及的步骤与装置实施例中的内容存在对应关系，因此描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。