基于高密度回波分析的大范围激光扫描装置及其控制系统

本发明涉及控制工程与控制系统技术领域，具体涉及一种用于移动载具的行驶路径障碍探测的激光扫描装置及基于该装置的激光扫描控制系统。

背景技术：

在激光雷达系统中，激光源照射激光雷达的反射镜面将激光信号发送至外部环境，激光与发射方向上的目标物相遇产生返回信号，激光雷达内的接收元件收到返回信号并通过计算机程序获得所需要的信息。机载激光雷达正是利用了此原理，将雷达安装在载具上形成了机载激光雷达探测系统。机载激光雷达探测技术是将位置、距离、角度等观测数据通过特殊的算法处理可以获取对象表面的三维坐标，对物体的探测能力有着强大的优势，具有空间与时间分别率高、动态探测范围大等特点。

机载激光雷达系统主要以下部分组成：

搭载载具：主要有直升飞机、固定翼飞机等等，为激光雷达系统提供必要的安装平台以及能源；

激光扫描仪：激光雷达系统的核心单元，激光扫描仪能向指定方向定向发出激光，并接收返回的信号；

定位与惯性测量单元：主要用于搭载平台定位和姿态测量，精确得到绝对位置和自身的相对姿态，用于辅助激光扫描仪调整发射方向；

控制单元：机载激光雷达系统的大脑，主要用于控制系统各部分正常协同工作，记录、处理激光扫描仪返回的信号数据。

机载激光雷达可用于各种可移动载具，典型应用在飞行载具上用于对地球物理信息获取，例如灾害监测、环境监测、资源勘察、森林调查、地形测绘等等。机载激光雷达相比较传统的雷达具有独特优势，不受日照和天气条件的限制，能全天候的对地观测。

军用直升机和小型无人机为了在威胁环境中实现任务效率，作战的重点是低空飞行，通过降低敌人的视觉、光学或电子检测定位飞机能力，利用地形来增强生存能力。在这些情况下，通常需要将飞机飞行保持在略高于地形的高度。但这会导致障碍物碰撞事故的发生率增加，在低空航行操作方面的主要限制是由于能见度低，降低了飞行人员控制飞机和识别障碍物碰撞危险的能力。

因此，需要开发一种用于检测出现在飞行轨迹中的潜在危险障碍物并向操作人员发出警告的激光扫描避障系统。为了使激光扫描避障系统有效，必须满足以下要求：第一个也是最重要的要求是在几乎所有入射角度可靠地检测所有障碍物，并具有很高的检测概率和非常低的误报率。所有障碍指地形块，建筑物，电线杆，塔楼，电缆以及可能对快速飞行造成危害的任何结构。第二个要求是具有能满足要求的最小检测范围，这将取决于飞机的速度，爬升角度的能力以及飞行员的反应时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够可靠地检测障碍物的激光扫描装置，以提高移动载具识别障碍物的能力，降低碰撞危险。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于高密度回波分析的大范围激光扫描装置，包括用于发射激光束并接收反射回波的激光测量系统，以及控制激光束偏转的激光扫描振镜，

所述激光扫描振镜包括：

对应设置的第一反射镜和第二反射镜，所述第二反射镜对激光测量系统发射的激光束进行全反射至第一反射镜；

第一旋转装置，包括支撑基座和安装于支撑基座上并可绕自身中心轴360°旋转的第一旋转轴，所述第一旋转轴由第一电机驱动旋转，所述第一反射镜固定安装于第一旋转轴上，且第一反射镜面法线与第一旋转轴的中心轴呈6°～8°夹角；

第二旋转装置，包括旋转基座和设于旋转基座内可绕自身旋转轴转动的轴承座，轴承座由第二电机驱动旋转，所述支撑基座安装于轴承座上，轴承座的旋转轴与第一旋转轴的中心轴呈40°～50°夹角，且轴承座的旋转轴不与第一反射镜面相交；

第三旋转装置，包括固定基座，所述固定基座设有一对对称布置的具有通孔的挂耳，所述旋转基座外周面设有与挂耳通孔配合且可绕自身中心轴旋转的转动轴，转动轴由第三电机驱动旋转，所述转动轴的中心轴与轴承座的旋转轴垂直。

所述第一旋转装置是令第一反射镜产生围绕第一旋转轴的第一旋转运动，所述第一旋转运动是第一反射镜面绕第一旋转轴做高速周向运动，是扫描振镜的主运动；所述第二旋转装置是令第一反射镜产生围绕第二旋转轴(轴承座的旋转轴)的第二旋转运动，所述第二旋转运动是第一反射镜面在参考水平面(prif)上从预定左极限位置向预定右极限位置做预定角度的旋转运动；所述第三旋转装置是令第一反射镜产生围绕第三旋转轴(转动轴的中心轴)的第三旋转运动，所述第三旋转运动能使第一反射镜产生相对于参考水平面(prif)的角度变化。所述参考水平面是指固定基座安装所在平面。

所述第一旋转装置、第二旋转装置、第三旋转装置、第一反射镜面组成的旋转机构，可以使机载激光扫描振镜进行左右旋转、俯仰旋转，同时通过第一反射镜面法线(an)与第一旋转装置的旋转轴的预设夹角，运动中的第一反射镜持续反射激光测量系统发射的激光束，使出射光束的方向不断变化，从而将激光测量系统发射的一维激光束转换成三维扫描式激光束，可以使激光扫描装置发射的激光产生特殊的曲线。

具体地，所述第一旋转装置的旋转轴穿过第一反射镜面的中心并与第一反射镜面的法线an呈设定角度；当第一反射镜围绕第一旋转装置旋转轴旋转时，镜面与参考水平面(prif)呈现变化的角度，通过第一反射镜面全反射的激光束以设定曲线射出。优选的，第一反射镜面法线与第一旋转轴的中心轴呈7°夹角。

进一步的，所述的第一反射镜与第一旋转轴机械连接并安装在特殊设计的减震的支撑基座上，所述支撑基座包括固定减震筒和导向基板，所述第一旋转轴的一端安装在固定减震筒内，所述固定减震筒通过若干弹性立柱固定在导向基板上，所述导向基板上与轴承座固定连接。

更进一步，所述固定减震筒为中空的圆柱形套筒，其端面设有供第一旋转轴穿过的通孔，所述通孔内壁设有用于固定第一旋转轴且保证第一旋转轴能够高速旋转的固定机构，所述固定机构可采用轴承结构。该套筒结构既能有效的固定第一旋转轴，又方便拆卸，同时可以将高速旋转产生的震动传给支撑基座，从而有效减少反射镜面的震动提高准确度。

所述固定减震筒与导向基板呈40°～50°夹角设置，两者之间通过若干弹性立柱固定，弹性立柱可以有效吸收振动。优选的，固定减震筒与导向基板呈45°夹角设置，即轴承座的旋转轴与第一旋转轴的中心轴呈45°。

进一步地，所述旋转基座与轴承座之间具有连接过渡面，所述导向基板上设有导向减震轮，所述连接过渡面上设有供导向减震轮滚动的凹槽。

更进一步，所述轴承座采用轴承结构，其内圈与导向基板固定，外圈与旋转基座固定，导向减震轮在外圈与旋转基座之间的连接过渡面上滚动。导向减震轮的设置既能起到导向的作用，使支撑基座更顺畅的旋转，又能吸收降低高速旋转引起的震动。优选地，所述导向减震轮材质为橡胶，均匀布置在导向基板的各个方向。导向减震轮呈圆形排列，为第一旋转装置提供稳定性，降低在不同角度下的震动幅度。

具体地，所述的第二旋转装置通过支撑基座和第一旋转轴与第一反射镜面相连接，可以使第一反射镜面产生围绕垂直于参考水平面(prif)的旋转运动即第二扫描运动。所述的第二旋转装置通过旋转基座与第三旋转装置机械固连，第三旋转装置的固定基座安装于参考水平面上；所述的第二扫描运动，即第一反射镜面围绕第二旋转装置的旋转轴做摇摆运动，在此过程中增加了激光扫描仪的扫描范围。

具体地，所述的第三旋转装置通过旋转基座与第二旋转装置相联系；所述旋转基座通过轴承座与第一旋转装置相连接，第三旋转装置固定安装于扫描装置内，第三电机驱动旋转基座的转动轴工作，即第一反射镜面产生相对于参考水平面的俯仰运动，在此过程可以弥补由于载具姿态发生变化而导致的扫描丢失的情况。

进一步地，第一旋转装置、第二旋转装置、第三旋转装置的转动由各自的步进电机驱动，第一电机连接第一旋转轴，第二电机连接轴承座内圈，第三电机与旋转基座的转动轴关联。所述激光扫描装置还包括分别检测第一电机、第二电机和第三电机旋转角度的第一编码器、第二编码器和第三编码器。

所述激光测量系统可发射激光束并接收反射回波，用于测量激光发射点到目标反射点的距离。所述激光测量系统包括激光发射装置、激光接收装置、光路调整装置以及数据处理模块。所述激光发射装置产生并射出激光；所述激光接收装置接收障碍物反射的激光回波；所述光路调整装置包括透镜单元和光束调整单元，其位于激光发射装置发射光路上，用于对发射激光光束面积的调整以及发射光路的调整；所述数据处理模块处理激光发射角度、时间以及回波接收时间，并传输给核心处理器系统。

本发明还提供了一种基于上述激光扫描装置的激光扫描控制系统，该系统还包括核心处理器系统和上位机，

所述核心处理器系统包括：

usb通讯模块，接收激光测量系统数据、激光扫描振镜各电机旋转角度数据；

数据采集模块，采集由所述usb通讯模块接收的数据并处理；

网络通讯模块，与上位机通讯，传送数据采集模块采集并处理的数据，并接收上位机的控制命令；

控制模块，向激光扫描振镜输出控制信号控制各电机的转速和转向。

所述的激光扫描控制系统还包括对载具实时角度姿态数据进行采集的陀螺仪，所述陀螺仪向核心处理器系统传输数据。

核心处理器系统是整个控制系统的核心器件，采用arm处理器作为主设备，usb通讯模块直接与激光扫描装置相连建立主从设备关系，通过usb通讯模块核心处理器将会获得激光测量系统数据以及激光扫描振镜装置的第一、第二、第三角度编码器数据；数据采集模块负责采集由usb通讯模块接收的数据并处理；网络通讯模块负责与上位机通讯，传送核心处理器接收并处理的数据；激光扫描振镜装置的第一电机、第二电机和第三电机与核心处理系统的控制模块电连接，控制模块根据上位机的控制命令向电机驱动及细分模块输出pwm控制信号控制电机的转速和转向。

上位机系统接收和处理核心处理器系统传输的数据，实现点云数据接收、点云数据显示、点云数据存储。

进一步地，所述处理为包括执行车辆轨迹算法和视线中心算法生成控制决策命令。更进一步，上位机系统被布置执行用于估计车辆轨迹的算法，根据计算的轨迹做出控制决策命令并向核心处理器系统发送控制命令，控制所述第一，第二和第三旋转轴的旋转运动。

具体地，本发明提供了一种用于计算车辆轨迹的估计算法：

所述轨迹算法使上位机系统端模块计算出接收数据之后的20秒内车辆将要遵循的路径。直线路径时可以通过瞬时速度矢量获得第一估计近似值，该瞬时速度矢量在两个维度上与飞行矢量一致。但是，后者在弯曲路径期间始终在初始瞬间指向折弯本身的切线，因此有必要阐述一种能够预测弯曲轨迹的算法。该算法使用惯性系统提供的数据计算轨迹，并使用考虑了车辆动力学的频段进行过滤。

曲率半径r被定义为速度模量和侧倾角θ的函数，以补偿在运动过程中车辆受到的离心力fc和重力fg。弯道中作用在车辆上的合外力fm的分力分别平衡重力和补偿向心力，产生以下公式，该公式将侧倾角θ和速度与轨迹的曲率半径r相关联。

将离心加速度定义为ac，将重力加速度定义为g，得到以下关系：

其中具有曲率半径r和线速度v的圆周运动加速度ac由以下关系给出：

从而有载具曲线运动半径公式：

如此确定的轨迹被位于水平面上。随后，添加由速度矢量vx和vy的分量确定的运动，该运动包含代表车辆可能的打滑或高度变化的信息。

参照图10，轨迹可以被存储为从与激光扫描设备的远程控制单元相关联的控制面板选择的距离的割线，或者被存储为三维空间中的点的几何集合。

为了简单地以二维表示估计轨迹，类似于飞行矢量，确定了在控制面板上选定距离处计算出的割线所指向的方位角，将其在水平面上旋转为侧倾角的函数，以及飞行矢量方位坐标被添加到检测的点。

具体地，本发明提供了一种用于确定视线估计算法：

所述视线中心方向算法，参照图11与图12，扫描图每0.5秒覆盖(，30×40)°的视场fv，车辆轨迹t落入该视场。可以在横坐标x轴和激光避障与监控系统的纵坐标y轴上相对中心分别增加视场20°，以便能够分析(，70×80)°的视场fr。

离开视野所花费的时间计算，参考图10，在检测器视野具有例如由角度α限定的开口的情况下，具有曲率半径为r的轨迹在覆盖由拱形结构包围的拱形之后从上述视野出射。拱形ab的长度l的长度有：

l＝r·β＝r·2·α＝2αr

因此，如果车辆以速度v覆盖曲率半径为r的圆形轨迹，则它会在一段时间t之后离开检测器视野，这由以下关系式给出：

视场开度作为倾斜角的函数计算，现在参考图13和图14，它们显示了投影在垂直于车辆(直升机)运动方向的平面上的扫描视场的示例：θ是直升机相对于水平面倾斜的侧倾角，x和y是扫描视野相对于飞行方向的开口(分别是方位角和仰角)，α是水平面上的相应开口。如果y1＜y(低侧倾角，如图13中的示例)，则有以下关系：

如果y1＞＝y(高侧倾角，如图14所示)，则以下关系有效：

对于以上的两个系统，x和y具有以下值：

losazimut＝20°

losazimut＝15°

此外值得指出的是，激光扫描装置的扫描检测能检测到预定距离dist的障碍物。此时如果车辆轨迹具有较大的曲率半径r，则在以下情况下轨迹本身会退出视场：

其中dist表示最大检测距离。当车辆视线覆盖半径为r的圆周且由角度β包围的拱形时，就会出现上述情况。证明以下关系是有效的：

从而有：

则此时圆周角的拱形被角度β所包围的的长度l为：

另一方面，所述上位机会根据相关范围所代表的风险自动对检测到的障碍物进行优先级排序，并可以在多功能显示器上提供及时的警告和检测到的障碍物信息，以便机组人员实施有效的避让措施。

本发明具备的有益效果：

(1)本发明提供的激光扫描装置通过第一旋转装置、第二旋转装置和第三旋转装置的设置实现了在反射镜自转的情况下其水平和竖直方向进行周向旋转，可形成以该扫描装置为中心的多角度、多方位的三维激光扫描。同时在上述机械结构上设计减震结构，可以有效避免由于高速旋转带来的机械震动从而延长使用寿命并提高探测精度。

(2)本发明提供了一种控制系统，用于激光扫描装置的运动控制，并设计了计算载具轨迹及其视线的算法帮助上位机系统做出决策命令。

(3)本发明提供的激光扫描控制系统可以安装在移动载具上，用于检测行驶路线上的障碍物并自动对检测到的障碍物进行优先级排序，在多功能显示器上提供及时的警告和检测到的障碍物信息，以便机组人员实施有效的避让措施。

附图说明

图1为激光扫描装置的整体示意图。

图2为激光扫描系统组成示意图。

图3为激光扫描振镜的立体结构示意图。

图4为激光扫描振镜的侧视图。

图5为第一反射镜与第一旋转装置组合结构示意图。

图6为支撑基座结构示意图。

图7为激光测量系统组成示意图。

图8为核心处理器组成示意图。

图9为激光扫描系统控制流程图。

图10为本发明轨迹算法中车辆轨迹割线及方位角示意图。

图11为本发明视线中心方向算法中载具视线中心视场示意图。

图12为本发明视线中心方向算法中载具垂直(上)和水平(下)视线场示意图。

图13为本发明视线中心方向算法中载具低侧倾角扫描视场示意图。

图14为本发明视线中心方向算法中载具高侧倾角扫描视场示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明更进一步地说明，但本发明并不局限于此。

实施例1

本实施例提供了一种用于车载运行中对行驶路线上的障碍物进行扫描检测的激光扫描系统，包括保护外壳，设置内壳体内的激光扫描装置以及基于激光扫描装置的控制系统，如图1、图2所示。

激光扫描装置包括激光扫描振镜和激光测量系统。如图3、图4所示，所述激光扫描振镜，包括第一旋转装置1、第二旋转装置2、第三旋转装置3和固定安装在第一旋转装置1上的第一反射镜4。

第一旋转装置1包括支撑基座11和安装于支撑基座11上并可绕自身中心轴(a1)360°旋转的第一旋转轴12，第一旋转轴12由第一电机驱动旋转。第一反射镜4固定安装于第一旋转轴12一端，具体地，第一旋转轴12的旋转轴穿过第一反射镜4镜面的中心并与第一反射镜面4的法线(an)呈7°夹角。

如图5、图6所示，支撑基座11包括固定减震筒111和导向基板112，固定减震筒111为中空的圆柱形套筒，其端面设有供第一旋转轴12穿过的通孔，通孔内壁设有用于固定第一旋转轴12且保证第一旋转轴12能够高速旋转的轴承结构，该固定机构既能有效的固定第一旋转轴，又方便拆卸，同时可以将高速旋转产生的震动传给支撑基座，从而有效的减少反射镜面的震动提高准确度。固定减震筒111与导向基板112呈45°夹角设置，两者之间通过若干弹性立柱113固定，弹性立柱113可以有效吸收振动。

第二旋转装置2，包括旋转基座21和设于旋转基座21内可绕自身旋转轴转动的轴承座22，轴承座22由第二电机驱动旋转，轴承座22采用轴承结构，其内圈与导向基板112固定，外圈与旋转基座21固定。在第二电机驱动下，第一旋转装置1绕轴承座22的旋转轴(a2)转动。轴承座22的旋转轴与第一旋转轴12的中心轴呈45°夹角，且轴承座22的旋转轴(a2)不与第一反射镜面4相交。

旋转基座21与轴承座22之间具有连接过渡面，导向基板112上设有导向减震轮13，导向减震轮13材质为橡胶，均匀布置在导向基板112的各个方向，呈圆形排列，连接过渡面上设有供导向减震轮13滚动的凹槽。导向减震轮13的设置既能起到导向的作用，使支撑基座11更顺畅的旋转，又能吸收降低高速旋转引起的震动。

第三旋转装置3，包括固定基座31，固定基座31设有一对对称布置的具有通孔的挂耳32，旋转基座21外周面设有与挂耳32通孔配合且可绕自身中心轴(a3)旋转的转动轴23，转动轴23由第三电机驱动旋转，转动轴23的中心轴与轴承座22的旋转轴垂直。在第三电机的驱动下，第二旋转装置2绕转动轴23的中心轴转动。

固定基座31安装于保护外壳壳体内，以此安装面作为参考水平面(prif)。第一旋转装置1是令第一反射镜4产生围绕第一旋转轴(a1)的第一旋转运动，所述第一旋转运动是第一反射镜4镜面绕第一旋转轴做高速周向运动，是扫描振镜的主运动；第二旋转装置2是令第一反射镜4产生围绕第二旋转轴(a2)的第二旋转运动，所述第二旋转运动是第一反射镜4镜面在参考水平面上从预定左极限位置向预定右极限位置做预定角度的旋转运动，即第一反射镜面围绕第二旋转装置2的旋转轴做摇摆运动，在此过程中增加了激光扫描仪的扫描范围；第三旋转装置3是令第一反射镜4产生围绕第三旋转轴(a3)的第三旋转运动，所述第三旋转运动能使第一反射镜4产生相对于参考水平面的角度变化，即第一反射镜面产生相对于参考水平面的俯仰运动，此过程可以弥补由于载具姿态发生变化而导致的扫描丢失的情况。

激光扫描装置还包括分别检测第一电机、第二电机和第三电机旋转角度的第一编码器、第二编码器和第三编码器。编码器将检测到的角度数据传输给控制系统。

如图7所示，激光测量系统，包括激光发射装置5、激光接收装置、光路调整装置以及数据处理模块。

激光发射装置5产生并射出激光；激光发射装置5发射的激光经激光扫描振镜的第一反射镜4折射后向外界射出，激光扫描振镜第一旋转装置1、第二旋转装置2、第三旋转装置3组成的旋转机构，可以使机载激光扫描振镜进行左右旋转、俯仰旋转，同时通过第一反射镜面4法线(an)与第一旋转装置1的旋转轴的预设夹角，运动中的第一反射镜4持续反射激光测量系统发射的激光束，使出射光束的方向不断变化，从而将激光测量系统发射的一维激光束转换成三维扫描式激光束，可以使激光扫描装置发射的激光产生特殊的曲线。

激光发射装置5与第一反射镜4之间的光路上设有对光束全发射的第二反射镜6。

激光接收装置接收障碍物反射的激光回波；光路调整装置包括透镜单元和光束调整单元，其位于激光发射装置发射光路上，用于对发射激光光束面积的调整以及发射光路的调整；数据处理模块处理激光发射角度、时间以及回波接收时间，并传输给控制系统。

所述基于激光扫描装置的控制系统，包括核心处理器系统、上位机系统、多功能显示系统和向整个激光扫描系统供能的电源模块。

如图8所示，核心处理器系统包括usb通讯模块、数据采集模块、网络通讯模块以及控制模块。核心处理器系统是整个控制系统的核心器件，采用arm处理器作为主设备，usb通讯模块直接与激光扫描装置相连建立主从设备关系，通过usb通讯模块核心处理器将会获得激光测量系统数据以及激光扫描振镜装置的第一、第二、第三角度编码器数据；数据采集模块负责采集由usb通讯模块接收的数据并处理；网络通讯模块负责与上位机通讯，传送核心处理器接收并处理的数据，并接收上位机的控制命令；控制模块根据上位机的控制命令向电机驱动及细分模块输出pwm控制信号控制电机的转速和转向。

上位机系统接收和处理核心处理器系统传输的数据，实现点云数据接收、点云数据显示、点云数据存储。

具体的，所述上位机系统被布置为基于表示第一旋转轴的倾斜度的信息来执行由激光扫描装置产生的扫描图形的控制算法。进一步，上位机系统的结果被布置为执行用于估计车辆轨迹的算法，再进一步，上位机系统被布置为根据估计的轨迹控制激光扫描振镜第一，第二和第三旋转轴的旋转运动。所述上位机系统还被布置为执行对扫描装置的视线的中心方向的计算算法。

另外，上位机系统会根据相关范围所代表的风险自动对检测到的障碍物进行优先级排序，并可以在多功能显示系统上提供及时的警告和检测到的障碍物信息，以便机组人员实施有效的避让措施。

本实施例的激光扫描系统还包括对移动载具实时角度姿态数据进行采集的陀螺仪，陀螺仪将采集的数据传输给核心处理器系统，辅助核心处理器控制系统做出控制决策。

如图9所示，上述激光扫描装置控制流程如下：在车载运行中，先由激光测量系统发射一维激光束，进而激光扫描振镜的机械旋转装置以三路电机带动第一反射镜三维旋转运动，运动中的第一反射镜不断反射激光测量系统发射的一维激光，从而将激光测量系统发射的一维激光转换成三维扫描式激光束以获得环境的三维状态；在车载运行中如果遇到障碍物，核心处理器系统将不断接受激光测量系统发射与接收激光的时间差数据以及三个角度编码器反馈的数据以得到目标反射点的坐标，并将获得的数据传输给上位机系统，辅助其做出决策；上位机系统根据核心处理器系统处理并传输的数据，执行设定好的车辆轨迹算法、视线中心算法处理数据并由此做出控制决策命令，核心处理器系统接受上位机系统的决策命令，以pwm波控制电机转速和转向，机械旋转装置执行命令，由此完成整个控制循环。