一种一体式无人运动平台环境理解系统及其工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种环境理解系统，特别涉及一种一体式无人运动平台环境理解系统 及其工作方法，属于无人运动平台自主导航领域。
【背景技术】
[0002] 无人运动平台在民用、军事、科研等各领域的应用前景日益广阔，环境理解技术是 地面无人运动平台实现环境感知、平台定位、路径规划等平台自主导航控制最基本的前提。 目前，无人运动平台的研宄通常采用多种传感器进行环境感知，以克服传感器的数据可靠 性低、有效探测范围小等局限性，根据各个传感器信息在时间或空间的冗余或互补特性进 行容错处理，实时正确获取行驶区域目标的形状位置等环境信息。为了获得不同方向的环 境信息，需安装多个摄像机检测周围障碍物；同时安装用于水平扫描和垂直扫描两个激光 雷达，其中水平扫描激光雷达用于确定凸型障碍物，垂直扫描激光雷达用于估计前方地形 高度、凹坑和陡坡等危险地形。由于无人运动平台安装的传感器数量多，环境感知成本高 昂，而且分散式的安装使用不方便，布线连接复杂，降低了系统的可靠性。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有问题中的上述问题，提出一种集成二维激光雷达、 双目视觉、全球定位系统（GPS)接收机的一体式无人运动平台环境理解系统及其工作方 法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] 一种一体式无人运动平台环境理解系统，包括嵌入式控制系统，其特征在于，还包 括传感器扫描驱动装置和环境感知传感器，其中环境感知传感器固定于传感器扫描驱动装 置，嵌入式控制系统通过控制线与传感器扫描驱动装置相连，通过数据线与环境感知传感 器相连；所述环境感知传感器用于获取一体式无人运动平台周围的环境信息，所述传感器 扫描驱动装置用于调整环境感知传感器在水平和俯仰方向的角度，所述嵌入式控制系统用 于接收所述环境感知传感器通过数据线传送的环境信息，并对环境信息进行处理后结合路 径规划向所述传感器扫描驱动装置发出进一步的运动指令，控制所述传感器扫描驱动装置 动作。
[0006] 作为优选，所述传感器扫描驱动装置包括底座、支架a、支架b、支架c、电机a、电机 b、电机c、电机d和电机e，所述环境感知传感器包括二维激光雷达、两个摄像机和GPS接收 机；
[0007] 所述电机a、电机b、电机C、电机d和电机e分别与所述嵌入式控制系统通过控制 线相连，在所述嵌入式控制系统的控制下运动；
[0008] 所述二维激光雷达、两个摄像机和GPS接收机分别与所述嵌入式控制系统通过数 据线相连，将获取的环境与位置信息经由数据线传送给所述嵌入式控制系统；
[0009] 所述二维激光雷达通过所述支架a和所述支架b与所述底座相连，所述电机a安 装在所述底座上并与所述支架a相连，所述电机b安装在支架a上并与支架b相连，所述二 维激光雷达随同所述电机a和所述电机b的运动相对于所述底座具有水平方向和俯仰方向 的自由度；
[0010] 所述两个摄像机通过所述支架C与所述支架b相连，构成双目视觉，所述支架C与 所述电机C相连；所述两个摄像机分别与所述电机d和所述电机e相连，随同所述电机c、 所述电机d和所述电机e的运动相对于激光雷达具有水平方向和俯仰方向的自由度； [0011] 所述GPS接收机固定于底座上，能够为路径规划提供当前位置信息和目的位置信 息。
[0012] 作为优选，所述底座为封闭壳体结构，顶部加工有连接轴孔，用来与所述支架a通 过旋转轴连接；所述底座内腔固定安装GPS和电机a，所述电机a与所述旋转轴相连；
[0013] 所述支架a为开口向上的U型结构，底部及两侧加工有连接轴孔，底部轴孔用来与 所述底座连接、两侧轴孔用来与所述支架b连接，所述支架a通过与所述底座连接的所述旋 转轴由所述电机a驱动以所述旋转轴为轴沿水平向旋转；
[0014] 所述支架b为C型结构，背侧固定有旋转轴、顶部两侧加工有耳轴支座，背侧的旋 转轴与所述电机b相连，并通过所述支架a两侧的轴孔与所述支架a连接、顶部的耳轴支座 用于与所述支架c连接，所述支架b内截参数与所述二维激光雷达参数相对应，用于将所述 二维激光雷达固定安装于所述支架b内，并由所述电机b驱动以旋转轴为轴在支架a中沿 俯仰向旋转；
[0015] 所述支架c为平板结构，在平板上加工有一对对称的连接轴孔，用来与所述两个 摄像机通过旋转轴连接，平板底面两侧各固定有一个L形连杆，用于通过所述支架b的耳轴 支座与支架b相连，并将两个L形连杆的外端部与所述电机c相连，由所述电机c驱动沿俯 仰向旋转；
[0016] 所述两个摄像机分别通过支架c上的2个连接轴孔与旋转轴的一端相连，旋转轴 的另一端分别连接所述电机d和所述电机e，由所述电机d和电机e驱动以各自的旋转轴为 轴沿水平向旋转。
[0017] 作为优选，所述底座为圆台状封闭壳体结构。
[0018] 一种一体式无人运动平台环境理解系统的工作方法，包括以下步骤：
[0019] 步骤一、环境理解系统标定；
[0020] 所述一体式无人运动平台环境理解系统安装于无人运动平台后对所述双目视觉 和所述二维激光雷达分别进行如下所述单独标定和联合标定，分别获得所述双目视觉的 内外参数、所述二维激光雷达的内部参数以及所述双目视觉和所述二维激光雷达的对应关 系：
[0021] 对双目视觉单独标定，分别得到摄像机A和B的有效焦距f、图像主点坐标 (u0, vO)、尺度因子fx和fy等内参数，以及其各自正交旋转矩阵R和平移向量t等外参数， 并通过外参数计算得到摄像机A13和B14之间的相对位置关系；
[0022] 对激光雷达单独标定，获得点Otl在激光雷达坐标系IOldJ中的偏移坐标 (X。，y〇, Ztl)，将坐标系IOldJ沿向量（Xtl, y(l，Ztl)平移得到坐标系{0J，其中Otl为实际的激光 雷达原点，〇1&为实际的激光雷达俯仰扫描旋转中心轴原点，坐标系IOldJ的Z轴垂直于激 光雷达扫描平面，Y轴沿激光雷达正前方，X、Y、Z轴构成右手系；
[0023] 对双目视觉和激光雷达进行联合标定，根据摄像机成像的线性理论，通过测量三 维标定板上参考点在激光雷达坐标系IOldJ中的坐标，计算出坐标系IOldJ到摄像机A和 摄像机 B 坐标系的投影矩阵 Pa= [p AijII4x4和 Pb= [P']4Χ4, (i, j = 1，2, 3, 4)。
[0024] 步骤二、激光雷达信息采集与处理；
[0025] 采集：在无人运动平台运动过程中，嵌入式控制系统根据获取的所述环境感知传 感器信息选择合适的控制策略，控制电机a旋转以改变扫描方位角，控制电机b实时旋转使 二维激光雷达在该方位角沿俯仰向匀速扫描，获取无人运动平台周围环境激光点云数据， 即激光雷达测距数据Ρ(Ρυ_，Si j)，其中p u表示到激光雷达原点心的距离，Θ u表示扫 描方向到主扫描方向角度，i表示数据帧的编号，j是测距数据在同一帧数据包中的排列序 号；
[0026] 处理：将激光雷达极坐标数据P ( P u，Θ u)转化为齐次坐标Ω ( p w cos Θ i, 』P MC〇S0 μ 〇 1)τ，并通过如下空间坐标转换公式将齐次坐标Dci转化为其在激光雷达 坐标系IOldJ对应的三维齐次坐标D1，从而得到数据点P的三维空间坐标（X，Y，Z) |ld,:
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[0029] 其中（α，γ)为激光雷达7的俯仰和水平旋转角度，S表示正弦函数sin〇, C表 示余弦函数COS 0 ;
[0030] 步骤三、双目摄像机信息采集与处理；
[0031] 采集：无人运动平台行驶过程中，嵌入式控制系统根据获取的传感器信息选择合 适的控制策略，控制电机C、电机d、电机e旋转来改变摄像机A和B的俯仰角、方位角及其 光轴的夹角，采集无人运动平台周围环境双目数字图像信息；
[0032] 处理：首先对双目图像信息/f和进行边缘分割、特征提取、立体匹配处理，得 到空间点P (X，Y，Z)在两幅数字图像中对应的像素点坐标对〈(xA，yA) (xB，yB) >，其中（xA，yA) 和（xB，yB)分别为空间点P在摄像机A和摄像机B坐标系中的坐标，然后根据下式采用最小 二乘法求解得到空间点P在坐标系IOldJ中的三维坐标（X，Y，Z) |_:
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