多台激光雷达同步扫描控制系统及方法与流程

本发明涉及激光雷达控制领域，尤其涉及一种多台激光雷达同步扫描控制系统及方法。

背景技术：

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达通过向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹及车辆等目标进行探测、跟踪和识别。

在实际应用中，一台扫描式激光雷达越来越无法满足应用需求，通常需要采用多台激光器进行同步数据采集配合使用。但现有技术在实现多台激光雷达控制过程中，由于多台激光雷达之间扫描角度不同步，会导致算法时序出现混乱，为车型计算、车道区分和车辆定位带来极大的困难，降低了交通控制效率。例如在交通自由流控制中，为实现车型识别，车型定位等功能，需采用多台扫描式激光雷达进行车辆扫描。多台激光雷达可组成多个扫描截面的扫描区域，当车辆进入扫描区后，首先应由第一个扫描截面扫描到车辆，然后建立新的车型识别，如果扫描角度不同步，则可能发生第一台激光雷达没有扫描到车辆，而第二个扫描截面扫描到了车辆的情况。此时，由于第一个扫描截面没有扫描到车辆，无法建立车型识别，故第二个扫描截面扫描到的数据也就无法进行处理。此外，在某些特定的应用场合，多台激光雷达的扫描区域会出现重合，由于激光雷达的扫描角度的不确定性，多台激光雷达之间会出现激光干扰现象， 直接影响了激光雷达扫描性能。

同时，由于多台激光雷达之间的扫描频率不同步，会影响扫描数据的整合处理，即导致激光雷达个体之间扫描数据量产生差异，以及导致激光雷达个体之间扫描周期不同，这些均为后期数据处理带来困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何实现多台激光雷达的扫描频率及扫描角度同步。

为此目的，本发明一方面提出了一种多台激光雷达同步扫描控制系统，该系统包括激光雷达主机和至少一台激光雷达从机；

所述激光雷达从机用于获取自身的第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述激光雷达主机的第一扫描角度信息，并根据所述第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述第一扫描角度信息确定第二扫描频率控制信息，根据所述第二扫描频率控制信息控制该激光雷达从机的扫描频率，以使自身的扫描频率与所述激光雷达主机的扫描频率同步，以及使自身的扫描角度与所述激光雷达主机的扫描角度同步或以一定差值同步。

优选地，所述激光雷达主机用于获取自身的第一扫描频率信息，根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息确定该激光雷达主机的第一扫描频率控制信息，以根据该第一扫描频率控制信息控制该激光雷达主机的扫描频率与预设扫描频率信息同步。

优选地，所述激光雷达主机进一步用于根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息，通过闭环控制算法确定该激光雷达主机的第一扫描频率控制信息。

优选地，所述激光雷达从机进一步用于根据所述第一扫描角度信息和所述第二扫描角度信息，通过闭环控制算法确定扫描角度调节信息，并根据所述扫描角度调节信息和所述预设扫描频率信息确定扫描 频率补偿信息，根据所述第二扫描频率信息通过闭环控制算法确定第二闭环扫描频率信息，根据所述第二闭环扫描频率信息、所述扫描频率补偿信息和所述预设扫描频率信息确定该激光雷达从机的第二扫描频率控制信息。

优选地，所述激光雷达从机进一步用于利用公式f_α＝(1+α/2π)F计算扫描频率补偿信息，其中，所述α为所述扫描角度调节信息，f_α为所述扫描频率补偿信息，F为所述预设扫描频率信息。

优选地，所述激光雷达从机进一步用于根据所述第二闭环扫描频率信息、所述扫描频率补偿信息以及预设扫描角度调节时间确定所述第二扫描频率控制信息。

另一方面，本发明还提供了一种多台激光雷达同步扫描控制方法，该方法包括：

激光雷达从机获取自身的第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及激光雷达主机的第一扫描角度信息，并根据所述第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述第一扫描角度信息确定第二扫描频率控制信息，根据所述第二扫描频率控制信息控制该激光雷达从机的扫描频率，以使自身的扫描频率与所述激光雷达主机的扫描频率同步，以及使自身的扫描角度与所述激光雷达主机的扫描角度同步或以一定差值同步。

优选地，还包括：

所述激光雷达从机获取自身的第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及激光雷达主机的第一扫描角度信息之前，该方法还包括：

所述激光雷达主机获取自身的第一扫描频率信息，根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息确定该激光雷达主机的第一扫描频率控制信息，以根据该第一扫描频率控制信息控制该激光雷达主机的扫描频率与预设扫描频率信息同步。

优选地，所述根据所述第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述第一扫描角度信息确定第二扫描频率控制信息，具体为：

根据所述第一扫描角度信息和所述第二扫描角度信息，通过闭环控制算法确定扫描角度调节信息，并根据所述扫描角度调节信息和所述预设扫描频率信息确定扫描频率补偿信息，根据所述第二扫描频率信息通过闭环控制算法确定第二闭环扫描频率信息，根据所述第二闭环扫描频率信息、所述扫描频率补偿信息和所述预设扫描频率信息确定该激光雷达从机的第二扫描频率控制信息。

优选地，所述根据所述扫描角度调节信息和所述预设扫描频率信息确定扫描频率补偿信息，具体为：

利用公式f_α＝(1+α/2π)F计算扫描频率补偿信息，其中，所述α为所述扫描角度调节信息，f_α为所述扫描频率补偿信息，F为所述预设扫描频率信息。

本发明采用双闭环控制，可实现多台激光雷达协同工作时，保证扫描频率和扫描角度分别同步或以一定的差值分别同步，防止多台激光雷达之间发生扫描干扰进而提升协同工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统的结构框图；

图2示出了本发明一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统的方法流程图；

图3示出了本发明另一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系 统的方法流程图；

图4示出了本发明一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统的具体结构示意图；

图5示出了本发明一个实施例的激光雷达主机和激光雷达主机的扫描角度状态示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统的结构框图；如图1所示，该系统包括激光雷达主机11和至少一台激光雷达从机12；

所述的激光雷达从机12用于获取自身的第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述激光雷达主机11的第一扫描角度信息，并根据所述第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述第一扫描角度信息确定第二扫描频率控制信息，根据所述第二扫描频率控制信息控制该激光雷达从机12的扫描频率，以使自身的扫描频率与所述激光雷达主机11的扫描频率同步，以及自身的扫描角度与所述激光雷达主机11的扫描角度同步或以一定差值同步。

本实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统可实现多台激光雷达协同工作时，保证扫描频率和扫描角度分别同步或以一定的差值分别同步，防止多台激光雷达之间发生扫描干扰进而提升协同工作效率。

作为优选，上述激光雷达主机11可进一步用于获取自身的第一扫 描频率信息，根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息确定该激光雷达主机11的第一扫描频率控制信息，以根据该第一扫描频率控制信息控制该激光雷达主机11的扫描频率与预设扫描频率信息同步。

进一步地，所述的激光雷达主机11可用于根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息，通过闭环控制算法确定该激光雷达主机11的第一扫描频率控制信息。

作为本实施例的优选，所述的激光雷达从机12进一步用于根据所述第一扫描角度信息和所述第二扫描角度信息，通过闭环控制算法确定扫描角度调节信息，并根据所述扫描角度调节信息和所述预设扫描频率信息确定扫描频率补偿信息，根据所述第二扫描频率信息通过闭环控制算法确定第二闭环扫描频率信息，根据所述第二闭环扫描频率信息、所述扫描频率补偿信息和所述预设扫描频率信息确定该激光雷达从机的第二扫描频率控制信息。

在此基础上，所述激光雷达从机12进一步用于利用公式f_α＝(1+α/2π)F计算扫描频率补偿信息，其中，所述α为所述扫描角度调节信息，f_α为所述扫描频率补偿信息，F为所述预设扫描频率信息。

优选地，所述激光雷达从机12还可进一步用于根据所述第二闭环扫描频率信息、所述扫描频率补偿信息以及预设扫描角度调节时间确定所述第二扫描频率控制信息。

本实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统在实现多台激光雷达同步扫描协同控制工作的同时，还能够保证多台激光雷达的扫描频率和扫描角度的控制精度，更大程度上的降低多台激光雷达之间的扫描干扰，并进一步地提升协同工作效率。

图2示出了本发明一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统的方法流程图。如图2所示，该方法包括：

S1：激光雷达从机获取自身的第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及激光雷达主机的第一扫描角度信息，并根据所述第二闭 环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述第一扫描角度信息确定第二扫描频率控制信息，根据所述第二扫描频率控制信息控制该激光雷达从机的扫描频率，以使自身的扫描频率与所述激光雷达主机的扫描频率同步，以及使自身的扫描角度与所述激光雷达主机的扫描角度同步或以一定差值同步。

本实施例所述的多台激光雷达同步扫描控制系统的方法可以用于具体应用上述系统实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图3示出了本发明另一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统的方法流程图。如图3所示，作为优选，步骤S1中所述激光雷达从机获取自身的第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及激光雷达主机的第一扫描角度信息之前，该方法还包括：

S0：所述激光雷达主机获取自身的第一扫描频率信息，根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息确定该激光雷达主机的第一扫描频率控制信息，以根据该第一扫描频率控制信息控制该激光雷达主机的扫描频率与预设扫描频率信息同步。

优选地，上述根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息确定该激光雷达主机的第一扫描频率控制信息，具体为：

根据所述第一扫描频率信息和预设扫描频率信息，通过闭环控制算法确定该激光雷达主机的第一扫描频率控制信息。

在此基础上，步骤S1中所述根据所述第二闭环扫描频率信息、第二扫描角度信息以及所述第一扫描角度信息确定第二扫描频率控制信息，具体为：

根据所述第一扫描角度信息和所述第二扫描角度信息，通过闭环控制算法确定扫描角度调节信息，并根据所述扫描角度调节信息和所述预设扫描频率信息确定扫描频率补偿信息，根据所述第二扫描频率信息通过闭环控制算法确定第二闭环扫描频率信息，根据所述第二闭 环扫描频率信息、所述扫描频率补偿信息和所述预设扫描频率信息确定该激光雷达从机的第二扫描频率控制信息。

进一步地，上述根据所述扫描角度调节信息和所述预设扫描频率信息确定扫描频率补偿信息，可具体为：

利用公式f_α＝(1+α/2π)F计算扫描频率补偿信息，其中，所述α为所述扫描角度调节信息，f_α为所述扫描频率补偿信息，F为所述预设扫描频率信息。

此外，作为优选，上述根据所述第二闭环扫描频率信息、所述扫描频率补偿信息和所述预设扫描频率信息确定该激光雷达从机的第二扫描频率控制信息，包括：

根据所述第二闭环扫描频率信息f_c、所述扫描频率补偿信息f_α以及预设扫描角度调节时间T/N确定所述第二扫描频率控制信息f，其中，T为调节周期，N为预设常数。例如，在系统调节时刻，首先输出f_α进行扫描角度同步调节，同时开启定时器，当定时时间到达T/N时，输出f_c进行扫描频率同步调节，同时关闭定时器，其中T为调节周期；N为可调数值，根据不同的系统选取不同值。

优选地，本实施例中可采用的控制算法为工程实际中应用最为广泛的比例—积分—微分控制，简称PID控制律。PID控制律以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。本实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对该实施例采用的控制率进行修改，或者对其进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实施例技术方案的精神和范围。

本实施例所述的多台激光雷达同步扫描控制系统的方法可以用于具体应用上述系统实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

图4示出了本发明一个实施例的多台激光雷达同步扫描控制系统的具体结构示意图。下面结合图4具体说明本发明的多台激光雷达同步扫描控制系统及方法的具体应用过程。如图4所示，该系统包括1台激光雷达主机和多台激光雷达从机，由于每台激光雷达从机与激光雷达主机的同步方法均相同，故本实施例以激光雷达主机100和激光雷达从机200为例，说明具体的同步扫描控制方法。需要说明的是，本实施例的所述激光雷达主机和多台激光雷达从机均可采用扫描式激光雷达，且多台扫描式激光雷达的硬件组成完全相同，多台扫描式激光雷达之间采用总线连接。

所述的激光雷达主机100，可优选地包括第一描脉冲驱动模块102，第一激光模块103，第一扫描频率闭环控制模块101和第一扫描信息检测模块104。

其中，第一描脉冲驱动模块102，用于接收第一扫描频率闭环控制模块101发送的第一扫描频率控制信息f_PID，输出频率为f_PID的扫描脉冲；

第一激光模块103，包括激光二极管，用于接收第一描脉冲驱动模块102发送的扫描脉冲进行发光；

第一扫描信息检测模块104，用于检测并输出第一激光模块103实时的第一扫描频率信息和第一扫描角度信息；

第一扫描频率闭环控制模块101，用于接收第一扫描信息检测模块104发送的第一扫描频率信息，闭环控制输出第一扫描频率控制信息f_PID。

所述的扫描式激光雷达从机200，包括第二扫描脉冲驱动模块203，第二激光模块204，第二扫描信息检测模块205，第二扫描频 率闭环控制模块201，扫描角度闭环控制模块206和扫描频率补偿模块202。

其中，第二扫描脉冲驱动模块203，用于接收扫描频率补偿模块202发送的第二扫描频率控制信息f，输出频率为f的扫描脉冲；

第二激光模块204，包括激光二极管，用于接收第二扫描脉冲驱动模块203发送的扫描脉冲进行发光；

第二扫描信息检测模块205，用于检测并输出第二激光模块204实时的第二扫描频率信息和第二扫描角度信息。

第二扫描频率闭环控制模块201，用于接收第二扫描信息检测模块205发送的第二扫描频率信息，闭环控制(例如PID控制)输出第二闭环扫描频率信息f_c；扫描角度闭环控制模块206，用于接收扫描式激光雷达主机100发送的第一扫描角度信息(即，扫描角度同步信息)α_主，同时接收第二扫描信息检测模块205发送的第二扫描角度信息α_从，闭环控制输出扫描角度调节信息α_PID；扫描频率补偿模块202，用于接收第二扫描频率闭环控制模块201发送的第二扫描频率闭环调节信息f_c和扫描角度闭环控制模块206发送的扫描角度调节信息α_PID，计算输出所述激光雷达从机进行同步扫描所需的第二扫描频率控制信息f。

具体地，在进行扫描角度闭环控制时，激光雷达从机200的扫描角度闭环控制模块206收到激光雷达主机100发送的扫描角度同步信息后，记录该同步角度信息为α_主，并触发扫描角度闭环控制模块206接收第二扫描信息检测模块205发送的第二扫描角度信息，记录此时第二扫描信息检测模块205发送的第二扫描角度信息为α_从，则扫描式激光雷达主机100与扫描式激光雷达从机200在一个调节周期内的同步角度差α_p＝α_从-α_主，若α_p>π，则α_p＝α_p-2π。利用所述扫描角度差值进行同步PID闭环控制，计算输出闭环调节 后的扫描角度调节信息α_PID。

在进行扫描频率补偿计算时，激光雷达从机200的扫描频率补偿模块202通过公式f_α＝(1+α_PID/2π)F将扫描角度调节信息α_PID转化为扫描频率补偿信息f_α，根据f_α与第二扫描频率闭环控制模块201输出的扫描频率调节信息f_c，确定单次调节最终的第二扫描频率控制信息f，通过第二扫描脉冲驱动模块203驱动第二激光模块204的激光模组按照设定扫描频率发光。

具体地，图5示出了本发明一个实施例的激光雷达主机和激光雷达主机的扫描角度状态示意图。如图5所示，在一个调节周期内，如果多台激光雷达的扫描频率和扫描角度处于同步状态，到达同步调节时刻时，扫描式激光雷达主机100和扫描式激光雷达从机200的扫描角度相同(例如，激光雷达主机100的扫描角度处于301状态，激光雷达从机200的扫描角度处于302状态)，此时，同步角度差α_p＝0，单次调节最终的扫描频率f＝F。

另一种情况，若多台激光雷达的扫描频率和扫描角度处于非同步状态(例如，激光雷达主机100的扫描角度处于301状态时，激光雷达从机200的扫描角度处于303状态或304状态)，到达同步调节时刻时，激光雷达从机200的扫描频率补偿模块202输出的扫描角度调节信息α_PID，通过公式f_α＝(1+α_PID/2π)F将扫描角度调节信息α_PID转化为扫描频率补偿信息f_α，然后通过扫描频率补偿信息f_α与第二扫描频率闭环控制模块201输出的扫描频率调节信息f_c，确定扫描频率补偿模块202输出单次调节的扫描频率。进一步地，激光雷达从机200可根据扫描频率调节信息f_c、扫描频率补偿信息f_α以及预设扫描角度调节时间T/N确定单次调节最终的第二扫描频率控制信息f。例如，在系统调节时刻，首先输出f_α进行扫描角度同步调节，同时开启定时器，当定时时间到达T/N时，输出f_c扫描频率同步调节，同时关闭定时器，其中T为调节周期；N为可调数值，根据不 同的系统选取不同值。

本发明能够可实现多台激光雷达协同工作时，保证扫描频率和扫描角度分别同步或以一定的差值分别同步，并且能够保证扫描频率和扫描角度的控制精度，更大程度上的降低多台激光雷达之间的扫描干扰，并进一步地提升协同工作效率。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。