一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法技术

本发明专利技术公开一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法，该方法在仿真过程中充分考虑激光雷达自身和周围环境中物体的运动，其中激光雷达自身的运动不仅包括其装置的整体运动，还包括其激光器的旋转扫描运动，提供了数值仿真的准确度，同时通过引入采样点集合简化了计算量，达到了使用较少计算量来提高了仿真的准确度的效果。该方法特别适用于场景中激光雷达自身和/或周围物体都处于高速运动状态时，此时该方法能实现的仿真精度较现有方法有显著提高。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法
本专利技术涉及激光雷达测距的数值仿真领域，尤其涉及一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法。
技术介绍
自动驾驶仿真技术，尤其是车辆传感器仿真技术，一直是自动驾驶领域的技术焦点之一。其中，对于激光雷达的仿真是不可或缺的重要组成部分。激光雷达的仿真方法有很多，例如黄曦在CN104268323A专利技术专利申请公开说明书中提出一种基于光线跟踪的激光雷达场景仿真方法，该方法通过模拟激光射线的反射轨迹生成具有物理真实感的仿真成像；苏虎在CN107966693A专利技术专利申请公开说明书中提出一种基于深度渲染的车载激光雷达仿真方法，该方法周期性地对测试场景进行扇形区域的深度渲染，得到仿真数据图像。然而，这些方法对激光雷达自身的运动和扫描过程，以及场景中物体的运动的仿真不够精细，在仿真过程中将一段时间内激光雷达向各个方向发出的激光都认为是在某一时刻同时发出的，且在这段时间内场景中的所有物体相对于激光雷达而言保持静止。这和实际的激光雷达的工作原理并不一致，会导致仿真误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法，该方法在仿真中考虑环境物体相对激光器的运动和激光器自身的扫描旋转方式，通过对场景采样和动态更新的方式保持了计算过程的高效率，很好地平衡的仿真准确度和仿真效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法，包括以下步骤：一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法，包括以下步骤：（1）设待仿真的机械旋转式激光雷达器为Lidar，设定其工作方式和参数如下：Lidar具有NL个激光发射器，这些激光发射器以频率f同步发射激光射线，每个激光发射器发出1条激光射线，其起点均为Lidar上的同一个点，称该点为基准点，所有激光发射器围绕着过基准点的一根直线进行定轴旋转,称该直线为转轴，垂直于转轴的平面为基准面，同一时刻激光发射器发射的NL条射线位于垂直于基准面的平面内，任选转轴一侧方向为转轴方向，这NL条激光射线与转轴方向形成的夹角依次为Q0，Q1，Q2，...，QNL-1，满足Qi<Qj,0<=i<j<NL；Lidar每个扫描周期开始时刻射出的激光射线在基准面上的垂直投影都重合于由基准点发出的一条射线，该射线称为基准线，在一个扫描周期T时间内激光发射器所旋转过的角度为Fmax=ωT，ω为在扫描周期T内激光发射器的旋转角速度，在扫描周期结束后激光发射器回到扫描周期开始时的位置与姿态；Lidar的最大探测距离为Dmax；Lidar上的基准点、基准线、基准面和转轴位置与姿态均定义在固定于Lidar的物体坐标系中；（2）选择正整数K，将扫描角度范围[0,Fmax]分成为K个扫描角度区间[F0,F1],[F1,F2]，...，[FK-1,FK],使得每个水平扫描角度区间小于180度，其中F0=0，FK=Fmax；（3）开始Lidar一个水平扫描周期的测距仿真：设此时的仿真时刻为tnT，对每个仿真时刻tk=tnT+Fk/ω，其中k∈{0,1,...K-1}，进行如下处理：（3.1）计算更新在tk时刻Lidar以及Lidar周围可反射激光的物体的位置与姿态；（3.2）采样Lidar周围可反射激光的物体表面，计算生成点集Bk,对于任意采样点q∈Bk，点q满足j(q)∈[Fk,Fk+1]、q(q)∈[Q0,QNL-1]且基准点到点q距离小于等于Dmax；其中，点q为R(q)与Lidar周围可反射激光的物体表面相交的最近的一个交点，R(q)为从基准点出发经过点q的射线，j(q)为R(q)在基准面上的投影与基准线的夹角，q(q)为R(q)与转轴方向的夹角；（3.3）生成一个具有ML列NL行的二维数据结构Ck，并将每个元素初始化为非有效值，其中ML为大于等于(Fk+1-Fk)f/ω的最小整数，对每个i∈{0,1,2...ML-1}，采用如下步骤计算Ck的第i列元素：（3.3.1）当i为0时，直接执行步骤（3.3.2）；当i大于0时，计算更新在tk+i×f-1时刻Lidar和其周围可反射激光的物体的位置与姿态；（3.3.2)遍历Bk中每个点q，根据点q所属物体的位置与姿态，计算更新在tk+i×f-1时刻点q的位置，并判断点q是否满足以下条件：（I）|j(q)-Fk-(i/ML)(Fk+1-Fk)|≤d1(II)|q(q)-Qjj|≤d2其中，d1为第一预设阈值，d2为第二预设阈值，Qjj为序列{Q0,Q1,Q2,...,QNL-1}中与q(q)最接近的值，jj是该值在序列中的序号；（3.3.3)若点q同时满足上述条件(I)(II),则用基准点与点q的距离来更新Ck的第i列第jj行元素Ck[i,jj]；若点q没有同时满足上述条件(I)(II),则检验下一个点q是否满足条件(I)(II)；（3.4）输出C0，C1,...CK-1，这些数据结构为当前扫描周期的Lidar的仿真测距结果，其中第k个数据结构Ck的第i列元素所保存的数值是仿真时刻tnT+Fk/ω+i×f-1的NL个激光发射器的仿真测距结果；（4）若仿真没有达到终止条件，执行步骤3）；否则结束仿真过程。进一步地，所述步骤（3.2)中所生成的点集Bk中的每个点包含该点在所属物体的物体坐标系内的位置坐标，以及用来直接或间接得到该点所属物体的物体坐标系位置与姿态的信息。进一步地，所述步骤（3.3.3)中用基准点与点q的距离来更新Ck的第i列第jj行元素Ck[i,jj]时，采用如下更新准则：若Ck[i,jj]为初始化时设置的非有效值，则将Ck[i,jj]设置为基准点到点q的距离；若Ck[i,jj]不是初始化时设置的非有效值且基准点与点q的距离小于Ck[i,jj]，则将Ck[i,jj]设置为基准点与点q的距离；若Ck[i,jj]不是初始化时设置的非有效值且基准点与点q的距离大于等于Ck[i,jj]，则检验下一个点q是否满足条件(I)(II)。本专利技术的有益效果是，本专利技术在仿真过程中充分考虑了激光雷达自身和周围环境中物体的运动，其中激光雷达自身的运动不仅包括其装置的整体运动，还包括其激光器的旋转扫描运动，提供了数值仿真的准确度，同时通过引入采样点集合简化了计算量，达到了使用较少计算量来提高了仿真的准确度的效果。该方法特别适用于场景中激光雷达自身和/或周围物体都处于高速运动状态时，此时该方法能实现的仿真精度较之前方法有显著提高。附图说明图1为激光雷达物体坐标系示意图；图2为激光雷达与环境物体被采样点的相互位置关系示意图；图3为多类纹理图像间的数据关联示意图；图4为本专利技术提出的激光雷达仿真方法的效果示意图。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）设待仿真的机械旋转式激光雷达器为Lidar，设定其工作方式和参数如下：Lidar具有NL个激光发射器，这些激光发射器以频率f同步发射激光射线，每个激光发射器发出1条激光射线，其起点均为Lidar上的同一个点，称该点为基准点，所有激光发射器围绕着过基准点的一根直线进行定轴旋转,称该直线为转轴，垂直于转轴的平面为基准面，同一时刻激光发射器发射的NL条射线位于垂直于基准面的平面内，任选转轴一侧方向为转轴方向，这NL条激光射线与转轴方向形成的夹角依次为Q

【技术特征摘要】
1.一种考虑速度因素的激光雷达测距的快速数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）设待仿真的机械旋转式激光雷达器为Lidar，设定其工作方式和参数如下：Lidar具有NL个激光发射器，这些激光发射器以频率f同步发射激光射线，每个激光发射器发出1条激光射线，其起点均为Lidar上的同一个点，称该点为基准点，所有激光发射器围绕着过基准点的一根直线进行定轴旋转,称该直线为转轴，垂直于转轴的平面为基准面，同一时刻激光发射器发射的NL条射线位于垂直于基准面的平面内，任选转轴一侧方向为转轴方向，这NL条激光射线与转轴方向形成的夹角依次为Q0，Q1，Q2，...，QNL-1，满足Qi<Qj,0<=i<j<NL；Lidar每个扫描周期开始时刻射出的激光射线在基准面上的垂直投影都重合于由基准点发出的一条射线，该射线称为基准线，在一个扫描周期T时间内激光发射器所旋转过的角度为Fmax=ωT，ω为在扫描周期T内激光发射器的旋转角速度，在扫描周期结束后激光发射器回到扫描周期开始时的位置与姿态；Lidar的最大探测距离为Dmax；Lidar上的基准点、基准线、基准面和转轴位置与姿态均定义在固定于Lidar的物体坐标系中；
（2）选择正整数K，将扫描角度范围[0,Fmax]分成为K个扫描角度区间[F0，F1],[F1，F2]，...，[FK-1,FK],使得每个水平扫描角度区间小于180度，其中F0=0，FK=Fmax；
（3）开始Lidar一个水平扫描周期的测距仿真：设此时的仿真时刻为tnT，对每个仿真时刻tk=tnT+Fk/ω，其中k∈{0,1,...K-1}，进行如下处理：
（3.1）计算更新在tk时刻Lidar以及Lidar周围可反射激光的物体的位置与姿态；
（3.2）采样Lidar周围可反射激光的物体表面，计算生成点集Bk,对于任意采样点q∈Bk，点q满足j(q)∈[Fk,Fk+1]、q(q)∈[Q0,QNL-1]且基准点到点q距离小于等于Dmax；其中，点q为R(q)与Lidar周围可反射激光的物体表面相交的最近的一个交点，R(q)为从基准点出发经过点q的射线，j(q)为R(q)在基准面上的投影与基准线的夹角，q(q)为R(q)与转轴方向的夹角；
（3.3）生成一个具有ML列NL行的二维数据结构Ck，并将每个元素初始化为非有效值，其中ML为...

【专利技术属性】
技术研发人员：华炜，高健健，谢天，李融，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：浙江;33