一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法，主要是通过驱动机构驱动三维的激光雷达在竖直方向上摆动，并通过融合多帧激光雷达的点云来增加低线数激光雷达在竖直方向上的点云的分辨率，在融合的过程中，本发明专利技术将每一帧的点云通过多次线性插值来矫正因激光雷达往复运动而造成的运动畸变，使得融合后的点云能够更加真实地反映环境的情况；从而使得低线数的激光雷达能实现类似高线数激光雷达的稠密点云，大大降低无人车技术的传感器成本。

A Multi-frame Fusion Method Based on Three-dimensional Laser Thickening Mechanism

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法
本专利技术涉及一种多帧融合方法，尤其涉及一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法。
技术介绍
LiDAR是英文“lightdetectionandranging”的缩写，中文译作“激光探测与测量”，多指激光雷达传感器，被广泛应用于无人驾驶技术中。通常在自动驾驶的无人车系统中会在车的四周装上多个16线的激光雷达进行点云融合，或者直接采用线数更高的激光雷达来处理环境感知的任务。二维的激光雷达相对于三维的激光雷达，获取的点云只有一个面，三维的激光雷达能够获取三维的点云图像，但是低线数的点云图像还是太稀疏，障碍物离雷达越远越稀疏，很难做障碍物识别，然而目前高线数的三维激光雷达造价不菲，64线激光雷达更是高达数十万美金，如此高昂的成本在一定程度上限制了无人驾驶汽车的普及与推广。因此，如何利用低线数激光雷达进行环境感知便成为了无人车技术普及的一个重要途径。专利技术专利《激光雷达呈三维扫描的摆动装置》(公开号：CN102393516B)。该专利技术公开了一种激光雷达呈三维扫描的摆动装置，可以改变SICK雷达在智能车辆上应用的局限性，将二位激光雷达转变为三维扫描的激光雷达；在智能车辆上得到扫描平面上的障碍物的距离(深度)和宽度信息，同时又得到高度方向上的信息。专利技术专利《一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置》(公开号：CN106154285A)。该专利技术公开了一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，其特征在于，包括激光雷达摆动机构、机构运动控制模块以及三维点云重建模块。该方法能够提供一种基于摆动激光雷达的可变视野三维重建装置，通过将激光雷达进行全向摆动扫描，并对装置的视野范围和结果点云分布进行调节，满足不同测量情况下的室外环境三维重建需求。上述提到的方法均是基于三维激光雷达进行的摆动机构的设计，在实际应用中，由于三维激光雷达的点云的稀疏性，因而摆动机构融合配准后的点云相较于高线数激光雷达来说并没有较大的优势；同时，上述的方法在点云的融合配准的过程中，均没有考虑激光雷达点云的运动畸变，因而融合配准的效果与真实环境相比会有一定程度上的失真。
技术实现思路
为了能够解决低像素激光雷达在障碍物检测问题上由于点云的稀疏性而造成的困难，本专利技术提出了一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法，通过增加三维激光雷达在竖直方向上的往复旋转，同时融合多帧激光点云，来增加激光雷达在竖直方向上的分辨率，实现类似高线数激光雷达的稠密点云，具体内容如下：一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法，所述三维激光增稠机构包括驱动机构、三维激光雷达、编码器、电机和控制系统，所述驱动机构能够驱动所述三维激光雷达在竖直方向上摆动；所述三维激光雷达与所述控制系统电性连接，所述编码器与所述控制系统电性连接，所述电机分别与所述编码器和所述控制系统电性连接，其多帧融合方法包括如下步骤：步骤1：通过所述驱动机构驱动所述三维激光雷达在竖直方向上摆动，使得所述激光雷达采集得到点云数据，并将所述点云数据输出给所述控制系统；同时，所述编码器采集得到带时间戳的激光雷达俯仰角度，并将时间戳与激光雷达的俯仰角度之间的对应关系输出给所述控制系统；步骤2：所述激光雷达将采集得到的点云数据里的每一帧点云分为84个UDP包(UDPPacket)，每个包中的点云都是由所述激光雷达内的传感器旋转(360/n)°后得到的三维激光雷达的点云的集合；步骤3：选择任一个Packet，在控制系统内查找所有的激光雷达俯仰角度中，时间上离该packet的时间戳最近的两帧点云数据所对应的激光雷达的角度值，随后对这两个角度进行线性插值得到该packet时间戳下的所述激光雷达的角度α；所述控制系统再将该Packet内的点云绕激光雷达坐标系原点旋转-α；步骤4：依次遍历每一个Packet，重复步骤3，所述激光雷达将上述旋转后的n个Packet合并成一帧点云输出，最后输出所有点云图像。优选的，所述驱动机构为曲柄连杆机构。优选的，所述曲柄连杆机构包括曲柄和连杆；所述驱动机构还包括承接板、旋转轴和旋转轴支架，所述编码器固定设置在所述承接板上，所述承接板与所述旋转轴固定连接，所述旋转轴与所述旋转轴支架转动连接；所述电机的输出轴与所述曲柄固定连接，所述连杆的一端与所述曲柄转动连接，所述连杆的另一端与所述承接板转动连接。优选的，所述电机采用无刷电机。无刷电机相较于有刷电机其寿命长，噪音小，运行稳定，符合长时间使用的要求。优选的，所述三维激光增稠机构还包括电调，所述电调分别与所述电机和所述控制系统电性连接。优选的，在所述步骤2中，n≥50。优选的，所述编码器为磁电编码器。本专利技术的有益效果如下：本专利技术面向无人驾驶环境，提出一种新颖的三维激光增稠机构的结构，主要是通过驱动机构驱动三维的激光雷达在竖直方向上摆动，并通过融合多帧激光雷达的点云来增加低线数激光雷达在竖直方向上的点云的分辨率，在融合的过程中，本专利技术将每一帧的点云通过多次线性插值来矫正因激光雷达往复运动而造成的运动畸变，使得融合后的点云能够更加真实地反映环境的情况。本专利技术能够利用低线数激光雷达进行无人车环境的感知与三维重建等任务，有利于降低无人车技术的传感器成本。附图说明图1为本专利技术三维激光增稠机构的示意图；图2为本专利技术控制系统的电路拓扑图；图3为本专利技术编码器输出转角与数据个数之间的对应关系图；图4为本专利技术的二维聚类地图；图5a为矫正畸变前的轿车点云；图5b为矫正畸变后的轿车点云；图6a为矫正畸变前的楼窗点云；图6b为矫正畸变后的楼窗点云。图中各附图标记所指代的技术特征如下：1、驱动机构；2、三维激光雷达；3、电机；4、编码器；5、miniPC；6、电调；7、嵌入式开发板；16、每帧点云；17、每个UDPPacket的点云；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法，所述三维激光增稠机构的示意图如图1所示，包括驱动机构1，三维激光雷达2、电机3、编码器4以及控制系统(图中未示出)；所述电机3采用无刷电机，无刷电机相较于有刷电机其寿命长，噪音小，运行稳定，符合长时间使用的要求。所述驱动机构1用于驱动所述三维激光雷达2在竖直方向上摆动，所述驱动机构1为曲柄连杆机构；曲柄连杆机构相较于直接用舵机摆动所述激光雷达，曲柄连杆机构有如下有点：1、换向平滑，电机3只需要一直向同一方向旋转，曲柄连杆机构就能够自动换向，并且输出的角度近似正弦曲线；2、对电机的负担较小，仅需要较小并且较为恒定的转矩就能够驱动较大的负载做往复运动；3、对控制系统的要求低，在本专利技术所提到的三维激光增稠机构中，电机3只要输出恒定的转矩就能够完成三维激光雷达在竖直方向上的摆动，并且经过验证，其角度输出近似正弦曲线，如图3所示，并没有较大的换向震动；而如果采用舵机结构，要想得到相近的角度曲线，则对舵机的控制系统提出了较高的要求；所以，本专利技术选择曲柄连杆机构1作为驱动机构。所述曲柄连杆机构包括曲柄和连杆，所述驱动机构还包括承接板、旋转轴和旋转轴支架，所述编码器固定设置在所述承接板上，所述承接板与所述旋转轴固定连接，在所述旋转轴支架的两侧设置有安装孔，所述旋转轴的两侧分别插入在所述安装孔内，并与所述旋转轴支架转动连接；所述电机的输出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法，其特征在于：三维激光增稠机构包括驱动机构、三维激光雷达、编码器、电机和控制系统，所述驱动机构能够驱动所述三维激光雷达在竖直方向上摆动；所述三维激光雷达与所述控制系统电性连接，所述编码器与所述控制系统电性连接，所述电机分别与所述编码器和所述控制系统电性连接，其多帧融合方法包括如下步骤：步骤1：通过所述驱动机构驱动所述三维激光雷达在竖直方向上摆动，使得所述激光雷达采集得到点云数据，并将所述点云数据输出给所述控制系统；同时，所述编码器采集得到带时间戳的激光雷达俯仰角度，并将时间戳与激光雷达的俯仰角度之间的对应关系输出给所述控制系统；步骤2：所述激光雷达将采集得到的点云数据里的每一帧点云分为n个UDP Packet，每个包中的点云都是由所述激光雷达内的传感器旋转(360/n)°后得到的三维激光雷达的点云的集合；步骤3：选择任一个Packet，在控制系统内查找所有的激光雷达俯仰角度中，时间上离该packet的时间戳最近的两帧点云数据所对应的激光雷达的角度值，随后对这两个角度进行线性插值得到该packet时间戳下的所述激光雷达的角度α；所述控制系统再将该Packet内的点云绕激光雷达坐标系原点旋转‑α；步骤4：依次遍历每一个Packet，重复步骤3，所述激光雷达将上述旋转后的n个Packet合并成一帧点云输出，最后输出所有点云图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光增稠机构的多帧融合方法，其特征在于：三维激光增稠机构包括驱动机构、三维激光雷达、编码器、电机和控制系统，所述驱动机构能够驱动所述三维激光雷达在竖直方向上摆动；所述三维激光雷达与所述控制系统电性连接，所述编码器与所述控制系统电性连接，所述电机分别与所述编码器和所述控制系统电性连接，其多帧融合方法包括如下步骤：步骤1：通过所述驱动机构驱动所述三维激光雷达在竖直方向上摆动，使得所述激光雷达采集得到点云数据，并将所述点云数据输出给所述控制系统；同时，所述编码器采集得到带时间戳的激光雷达俯仰角度，并将时间戳与激光雷达的俯仰角度之间的对应关系输出给所述控制系统；步骤2：所述激光雷达将采集得到的点云数据里的每一帧点云分为n个UDPPacket，每个包中的点云都是由所述激光雷达内的传感器旋转(360/n)°后得到的三维激光雷达的点云的集合；步骤3：选择任一个Packet，在控制系统内查找所有的激光雷达俯仰角度中，时间上离该packet的时间戳最近的两帧点云数据所对应的激光雷达的角度值，随后对这两个角度进行线性插值得到该packet时间戳下的所述激光雷达的角度α；所述控制系统再将该Packet内的点云绕激光雷达坐标系原点旋转-...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹明，苏鹏鹏，李四林，陈浩耀，刘云辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东,44