[發明專利]一種適用于旋軸激光雷達的優化方法

在審

• 申請號: 202110995505.6
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113534097A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 賈克斌;陳嘉平;王志舉
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發明提供了一種適用于旋軸激光雷達的優化方法，該方法通過步進電機的位姿、步進電機的角度、激光雷達自身重力和其固定位置動態設置趨向參數。根據趨向參數，對激光雷達點云幀所對應的步進電機的角度數據進行縮放以校正步進電機的角度數據，然后計算點云幀校正位姿，并優化點云幀校正位姿獲得點云幀優化位姿。通過該方法能夠有效解決外部旋軸在作業時由所受到的來自激光雷達的重力帶來的力矩擾動所造成的掃描點云的畸變問題，提高了建圖的質量和精度。

技術領域

本發明涉及激光掃描領域，尤其是涉及一種適用于旋軸激光雷達的優化方法。

背景技術

隨著自動化和三維激光掃描技術的發展，社會各界對于大視界、長距離、高分辨率的三維激光自動化技術的需求越來越廣泛。為了克服傳統激光雷達技術有限的激光掃描線束造成的分辨率局限性，為激光雷達外部增加的旋轉軸成為了激光雷達三維掃描成像領域中一條高效可靠的技術路線。

增加外部旋軸的技術手段是采用在外部增加步進電機控制器的方式旋轉激光雷達，增加了激光雷達的一個自由度，能夠有效的增加其視場角和分辨率，提高其在三維掃描中的效率和分辨率，擴大其應用場景。

旋軸激光雷達由于其自身重力的影響，為連接其上的步進電機的電機軸帶來了轉動慣量的影響，增加了力矩擾動，增加了點云畸變的來源。力矩擾動增加的點云畸變是指激光雷達在旋轉的時候，由重力對旋轉的角度和到達目標角度的速率的影響帶來的點云幀位姿偏差，從而造成的點云成像的扭曲或斷裂等現象。其中點云幀是激光雷達輸出的基本數據幀，點云成像是根據激光雷達點云幀和其對應的位姿信息成像而來。

點云幀的位姿由世界坐標系中的旋軸激光雷達裝置位姿和步進電機帶動激光雷達旋轉的角度共同得到。

旋軸激光雷達掃描成像的結果是采用掃描期間的多點云幀進行配準得到，在點云幀的逐幀配準過程中會引入累積誤差，與傳統激光雷達點云幀的累積誤差相比多了力矩擾動帶來的影響。

回環檢測是現有的消除累積誤差的一種有效的算法，回環檢測指的是在檢測到重復掃描同一環境的時候認為是一個回環并對位姿進行優化，通過消除一定程度上的累積誤差提高掃描的質量。

當前優化算法的研究和應用主要利用點云數據進行優化，旋軸激光雷達力矩擾動帶來的累積誤差與傳統雷達掃描的累積誤差相比具有周期性的特點，難以直接應用。

發明內容

本發明用于解決旋軸激光雷達由于重力造成的力矩擾動而帶來的成像畸變問題。本發明針對畸變的來源，創新性的提出了一種適用于旋軸激光雷達的優化方法，根據趨向參數，對點云幀所對應的位姿進行自適應放縮然后進行優化。有效的填補了旋軸激光雷達其中的一項短板，提高了旋軸雷達的適用性和掃描精度，減小了點云三維成像和點云地圖構建中的畸變。

本發明的技術解決方案是:一種適用于旋軸激光雷達的優化方法,包括以下步驟：

S1旋軸激光雷達利用步進電機帶動激光雷達旋轉掃描獲得環境掃描數據，包括激光雷達點云幀、步進電機角度、步進電機位姿。

S2根據步進電機位姿、步進電機角度和激光雷達的固定位置，計算激光雷達點云幀的位姿，并結合激光雷達自身所受的重力和重心位置計算步進電機的電機軸所受到的力矩擾動。

S3根據力矩擾動、步進電機角度設置趨向參數，具體的，所設置趨向參數的數值與力矩擾動的數值線性相關，所設置趨向參數的符號與力矩擾動的數值的變化方向對應。

S4根據趨向參數對步進電機角度進行校正，并重新根據步進電機位姿、校正后的步進電機角度和激光雷達的固定位置計算激光雷達點云幀校正位姿。最后根據回環檢測算法優化點云幀校正位姿，獲得點云幀優化位姿。

所述旋軸激光雷達設備通過步進電機的電機軸與激光雷達連接，電機軸的軸向垂直于激光雷達內部旋轉的軸線。

所述步進電機與慣性導航元件固定連接。