基于双一线激光雷达自导航定位方法及系统与流程

文档序号:23067621发布日期:2020-11-25 17:54阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于双一线激光雷达的自导航定位系统,其特征在于,包括:

数据采集单元(1),自导航算法控制单元(2),车体(3),车体运动控制单元(4);

所述数据采集单元(1)包括:前激光雷达(1-1),后激光雷达(1-2),第一俯仰电机(1-3),第一俯仰电机编码器(1-4),第一俯仰电机驱动单元(1-5),第二俯仰电机(1-6),第二俯仰电机驱动单元(1-7),第二俯仰电机编码器(1-8),以及惯性测量imu模块(1-9);

所述自导航算法控制单元(2)包括:自导航算法执行计算机(2-1);

所述车体运动控制单元(4)包括:驱动电机驱动单元(4-1),转向电机驱动单元(4-2),驱动电机(4-3),转向电机(4-4),驱动电机编码器(4-5),转向电机编码器(4-6);

所述数据采集单元(1)的前激光雷达(1-1)安装于车体(3)的前部,与第一俯仰电机(1-3),第一俯仰电机编码器(1-4)以及第一俯仰电机驱动单元(1-5)连接并与自导航算法执行计算机(2-1)进行数据通信;

所述数据采集单元(1)的后激光雷达(1-2)安装于车体(3)的后部,第二俯仰电机(1-6),第二俯仰电机驱动单元(1-7),第二俯仰电机编码器(1-8)连接并与自导航算法执行计算机(2-1)进行数据通信;

所述数据采集单元(1)的惯性测量imu模块(1-9)与自导航算法执行计算机(2-1)进行数据通信;

所述车体运动控制单元(4)的驱动电机驱动单元(4-1)与驱动电机(4-3)、驱动电机编码器(4-5)连接,并与自导航算法执行计算机(2-1)进行数据通信;

所述车体运动控制单元(4)的转向电机驱动单元(4-2)与转向电机(4-4)、转向电机编码器(4-6)连接,并与自导航算法执行计算机(2-1)进行数据通信。

2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述连接,具体为:电性线连接。

3.如权利要求1所述系统,其特征在于,所述自导航算法控制单元(2)的自导航算法执行计算机(2-1),与数据采集单元(1)和车体运动控制单元(4)内设备进行数据通信,根据采集的数据对周围环境进行建图、车体运动轨迹监测以及运动控制。

4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述前激光雷达(1-1)、后激光雷达(1-2)选用相同设备并对称安装在车体(3)前后两端。

5.一种基于双一线激光雷达自导航定位方法,其特征在于,包括:

系统控制第一俯仰电机(1-3)、第二俯仰电机(1-7),以及各自配合使用的俯仰电机编码器、俯仰电机驱动单元带动前激光雷达和后激光雷达按相同的预设频率及速度往复进行俯仰运动,对环境数据进行采集;

将采集到的环境数据与俯仰电机编码器输出的角度数据进行耦合,得到3d点云数据;

俯仰电机带动激光雷达完成一次往复运动即完成一帧数据的采集,利用orb算法提取3d点云数据的图像特征,并对连续两帧数据的图像特征进行匹配,计算两帧数据相同的特征元素之间的位移关系,得到两帧数据间隔期间的小车位移数据,获取车体实际行进轨迹;

系统采用前后双一线激光雷达,车体在行走超过预设距离进行回环监测,减小累计误差;

将车体实际行进轨迹与预设行进路径进行比对,获得路径误差,通过增量式pid算法按预设行进路径,进行转向和前进方向参数修正,控制车体按预设进行路径行进。

6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述将采集到的环境数据与俯仰电机编码器输出的角度数据进行耦合,得到3d点云数据,包括:

采集激光雷达测取的距离l,激光雷达测量光线与激光雷达中心线的水平夹角α,激光雷达往复摆动的俯仰角度β;

则激光雷达测得物体的3d点云数据的坐标u=(x,y,z),按如下方式进行计算:

7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述将采集到的环境数据与俯仰电机编码器输出的角度数据进行耦合,得到3d点云数据,还包括:

对车体行进过程中采集的数据进行修正;

根据系统惯性测量imu模块采集车体运动过程中的3d点云数据的u=(x,y,z)加速度数据,在采样间隔δt内,位移数据δu=(δx,δy,δz);

修正后的3d点云数据形式为:u+δu=(x+δx,y+δy,z+δz)。

8.如权利要求5所述的方法,其特征在于,俯仰电机带动激光雷达完成一次往复运动即完成一帧数据的采集,利用orb算法提取3d点云数据的图像特征,并对连续两帧数据的图像特征进行匹配,计算两帧数据相同的特征元素之间的位移关系,得到两帧数据间隔期间的小车位移数据,获取车体实际行进轨迹,包括:

在相邻的数据帧中提取图像特征,使用orb算法,获取3d点云数据的关键点fast和描述子brief;

采用图像金字塔方法对图像数据进行不同层次的降采样,以实现关键点的尺度变换,采用灰度质心法得到图像特征关键点的方向信息;

在提取出每一帧图像特征后,在帧与帧之间对这些特征进行匹配计算,采用快速近似最近邻flann算法计算出相同特征点;

完成图像特征匹配计算后,可计算出两帧图像间小车移动的距离和方向变化,根据车体出发点位置,采用迭代最近点icp方法进行计算,求解出小车当前的位置和方向,获取车体实际行进轨迹。

9.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述将车体实际行进轨迹与预设行进路径进行比对,获得路径误差,通过增量式pid算法按预设行进路径进行转向和前进方向参数修正,控制车体按预设进行路径行进,具体为:增量式pid控制算法为:

δu(k)=u(k)-u(k-1)

=kp[e(k)-e(k-1)]+ki*e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

其中,kp,ki,kd为pid控制参数,e(k)为第k次误差值,u(k)为控制量。

10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序,所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行,以实现前述权利要求5至9中任一项所述的一种基于双一线激光雷达自导航定位方法。


技术总结
本发明提供一种基于双一线激光雷达的自导航定位系统、方法及存储介质,涉及机器视觉领域,采用双一线激光雷达的设置,车体在行进过程中俯仰电机、俯仰电机编码器、俯仰电机驱动单元,带动一前一后对称设置的前、后激光雷达进行往复俯仰运动,激光雷达以及惯性测量IMU模块完成数据采集以及修正工作,自导航算法控制单元的自导航算法执行计算机,获取激光雷达采集的数据,执行双一线激光雷达自导航定位算法,对车体行进轨迹进行评估并下达行进及转向参数给车体运动控制单元的驱动电机及转向电机,进而根据预设轨迹修正车体实际行进轨迹,完成在车体行进过程中对周围环境的多角度扫描、实现对周围环境快速建图、并提高了自导航定位精度。

技术研发人员:张培荣;王虹杰;方岳龙;宋超;商允良;刘玉;李乐政
受保护的技术使用者:杨一品
技术研发日:2020.08.19
技术公布日:2020.11.24
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