一 激光的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1、基于激光雷達(dá)的智能車輛避障系統(tǒng)研究激光的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Cflirtrolieiihtrona毋ReceiverTFCuisndNerMirrorAll®*圖2-6激光雷達(dá)內(nèi)部構(gòu)造Figure2-6Interiorstructureoflaserscanner激光雷達(dá)的內(nèi)部構(gòu)造如圖2-6所示。它主要有發(fā)光二極管、反射鏡、電機(jī)、角度編碼器和控制電路等組成。它是基于飛行時(shí)間測(cè)量原理，是一種非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，它向環(huán)境中發(fā)射紅外激光和接收到反射的激光所需時(shí)間計(jì)算物體的距離。一個(gè)極短的紅外激光束射向前方物體，依據(jù)物體的反射率不同，部分光被反射回來，旋轉(zhuǎn)的鏡頭使激光束射向前方半圓形區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)

2、的精確方向是由鏡頭上的角度編碼器測(cè)量到的，許多測(cè)量點(diǎn)在一起就構(gòu)成前方區(qū)域輪廓的一個(gè)模型，工作原理如圖2-7所示。然后用實(shí)時(shí)串口RS-422或RS-232把測(cè)量的數(shù)據(jù)傳給其它的主機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。二激光的工作原理EmitterRsc&ivtrIV圍可選擇為100度和180度，角度分辨率可選擇為0.2.5°角度分辨率時(shí)，由兩個(gè)字節(jié)組成，激光雷達(dá)收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息后就會(huì)車光雷達(dá)發(fā)出的光束具有一定的尺寸大小，光斑從發(fā)射到現(xiàn)象即在飛行過程光斑會(huì)不斷擴(kuò)大當(dāng)SiCKiM光雷達(dá)掃描附角度范激1°。當(dāng)配置激光雷達(dá)為180度掃描范圍,掃描值激斑發(fā)散總共掃的過程中雷達(dá)的角5°

3、;,0.5°or苗值，每個(gè)，會(huì)發(fā)生光度分辨率為理想的光斑0.5°時(shí)，激光打在物體表面的光斑的直徑和相鄰光斑間距離如圖2-8所示24,應(yīng)該是圓形。Wang等人25使用紅外照相機(jī)獲得激光光斑形狀見圖2-9,紅色方框表示對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的光斑形狀?？梢?，因而不會(huì)導(dǎo)致由于物體形狀太小而無法測(cè)量。另外，激光雷達(dá)的測(cè)量受環(huán)境中物體的反射率影響，物體的反射率越大，反射回來的紅外光的能能量就越強(qiáng)，因而可.以檢測(cè)的距離就越遠(yuǎn)。但是，當(dāng)物體的表面過于光滑，并且具有很大的反射率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，無法獲得正確激光具有一定的發(fā)射角疾，相鄰測(cè)量點(diǎn)間存在相同的覆蓋區(qū)域，的測(cè)量。激光雷達(dá)發(fā)射的激光波長(zhǎng)為905

4、nm的近紅外線，為人眼不可見。30103000圖2-R光斑的直徑和竝離Figure二-gSpotdiameter/spotspacing圖2-9測(cè)量獲得的光斑形狀Figure二-9Footprintsofthemeasurementfi'omLMS2911020IVu密葉三激光的測(cè)量范圍激光雷達(dá)掃描物體的距離依賴于目標(biāo)物體的反射率和激光束的強(qiáng)度。一些物體的反射率如下所示(KODAKstandards)：表43物體反射率Cardboardmattblack10%Cardboardgrey20%Wood(rawpine,diity40%PVCgrey50%Papermattwhite80%

5、Aluminiumanodisedblack110.150%Steelrust-freeshiny120.150%Steel,veiyshiny140.200%Reflectors>2000%以激光雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)物體的范圍為橫坐標(biāo)，物體的反射率為縱坐標(biāo)，各個(gè)激光雷達(dá)的曲線圖如下所示：iIQ卄IQ253®”40祁50畀礙&l7Q71鹽R.vigt-mtyp,newd#Yitewi<h“電觀曲frAnrwrii-dow'h-raa-Hni-r-nejrnibbtfarrcHtyp.n*1devicewithcl#afifr*iitwn-dlowfKritvdev

6、icewithpajiutioh(wurning訂gnla«tve)phh*wdevicewithpollution(warningtiguh-Rilactive)圖2T0物體反射率和測(cè)螢范國(guó)的關(guān)系Figure2-10relationshipbetweenreflectivltyandrangewithgoodvisibility四激光性能和接口激光雷達(dá)具有四種傳輸速率：9600,19200,38400和500KBd,在前三種波特率下可以使用RS232/RS422通信接口，由于RS232方式的最高波特率為115.2KBd，所以在500KBd時(shí),使用RS422接口方式,數(shù)據(jù)線使用雙絞線

7、,連接方式需要參考接口卡的引腳分配,如要獲取最大數(shù)據(jù)量并進(jìn)行大范圍測(cè)量,激光雷達(dá)的參數(shù)設(shè)置和性能如表2-5所示。表2-5激光雷達(dá)技術(shù)秦?cái)?shù)測(cè)量距離80m角度測(cè)量范圍180°角度分辨率0.5°響應(yīng)時(shí)間26.64ms數(shù)據(jù)傳輸速率SOOKBd距離測(cè)暈分辨率lOinrn系統(tǒng)誤差（距離測(cè)暈精度）±5an激光雷達(dá)的最大上電電流為1.1A,工作電流為0.8A。前面上部有三個(gè)信號(hào)指示燈，上電時(shí)紅燈亮，待電流穩(wěn)定后變成綠燈亮。使用程序?qū)す饫走_(dá)參數(shù)進(jìn)行配置時(shí)，紅燈會(huì)亮很短的時(shí)間，待配置成功后又變成綠燈亮。如果中間的黃燈閃爍，可能是因?yàn)榄h(huán)境中物體離激光雷達(dá)的檢測(cè)距離太近，或者黑色玻璃罩

8、上有灰塵。激光的配置一串口通信協(xié)議在激光雷達(dá)和控制板通過RS-422接口進(jìn)行通信之前，必須先了解各自的通信協(xié)議。激光雷達(dá)的通信協(xié)議已經(jīng)定義好，每個(gè)字節(jié)由1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位，0個(gè)奇偶位，1個(gè)停止位組成?？刂瓢宓?22通信協(xié)議可以配置成多種格式，如表3-1所示，但為了使控制板和激光雷達(dá)正常通信，協(xié)議格式應(yīng)該和激光雷達(dá)保持一致。二激光的報(bào)文結(jié)構(gòu)激光雷達(dá)要求按預(yù)定義的報(bào)文格式和接口板通信。報(bào)文以STX字節(jié)（02H）開始，每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)由16位組成，低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后。具體的報(bào)文格式如表3-2所示。報(bào)文格式的描述如表所示，報(bào)文由7個(gè)部分組成，LEN表示的是其后除了CRC外的字節(jié)個(gè)數(shù)，通過讀取L

9、EN,就可以知道激光雷達(dá)返回了多少個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。STXADRLenICMDData(Nbytes)StatusCRCDesignationDatawidthbits)DescriptionSTX8Startbyte(02H)ADR8AddressoftheLMStobecontacted.Note:TheLMSaddsthevalue80HtotheaddresswhenrespondingtotheHostComputer.Len16Numberofdatabytes(CMD+Data+Status)CMD8CommandbytesenttotheLMS.Whenresponding,LMSw

10、illsendtheorigin日Icommandbytewiththeadditionof80Htothevalue.DataNSOptional,dependsorthepreviouscommand.Status8Option自LtheLMStransmitsthestatusmessageonlywhenitissendingoutdata.WhensendingcommandtoLMS,nostatusmessageistransmitted.CRC16CRCchecksumforentiredata.三數(shù)據(jù)處理車輛在自動(dòng)駕駛的時(shí)候需要實(shí)時(shí)檢測(cè)車前方一定范圍內(nèi)的障礙物，一旦發(fā)現(xiàn)有障礙

11、物就必須控制車輛緊急制動(dòng)以免發(fā)生事故，這個(gè)障礙物檢測(cè)是由安裝在車前部的激光雷達(dá)完成的。當(dāng)UART接口接收到激光雷達(dá)一植數(shù)據(jù)732個(gè)字節(jié)后，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)數(shù)據(jù)無誤后，去掉植頭和植尾，將數(shù)據(jù)放在數(shù)組Laser_Range2里，這是一個(gè)長(zhǎng)度為361的數(shù)組，保存著激光雷達(dá)掃描后獲得的數(shù)據(jù)，每隔0.5度獲得一個(gè)距離值，Laser_Range20代表0度的距離值，Laser_Range2360代表180度的距離值，數(shù)組里的每個(gè)成員都代表了一個(gè)極坐標(biāo)的值，數(shù)組下標(biāo)表示角度，數(shù)組成員的值表示距離。車輛走直線和轉(zhuǎn)彎時(shí)，前方警戒區(qū)域的范圍是不一樣的，例如，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，如果把車輛正前方的區(qū)域都看成是警戒區(qū)域

12、，車可能會(huì)緊急停車以至于不能轉(zhuǎn)彎，所以先需要分析車輛在不同行駛情況下的警戒區(qū)域，然后再警戒區(qū)域白內(nèi)進(jìn)行障礙物檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)障礙物就通知控制系統(tǒng)緊急停車。下面分三種情況討論車輛的避撞，分別是車輛直走、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)。基于激光雷達(dá)環(huán)境信息處理的機(jī)器人定位一導(dǎo)航技術(shù)一定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1，使用光電編碼器獲得里程信息昭，用磁航向傳感器獲得航向角e。2從k時(shí)刻推算出機(jī)器人+k1時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置然后根據(jù)已知全局環(huán)境地圖中特征信息和k+1時(shí)刻機(jī)器人的預(yù)測(cè)位置，計(jì)算出環(huán)境特征在k時(shí)刻機(jī)器人局部坐標(biāo)中的預(yù)測(cè)位置。3. 利用LMS221激光雷達(dá)在k+l時(shí)刻對(duì)環(huán)境周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，提取+k1時(shí)刻環(huán)境特征信息作為實(shí)際觀測(cè)。4. 把環(huán)境特征的預(yù)測(cè)位置與實(shí)際觀測(cè)特征信息進(jìn)行匹配，并利用兩者之間差作為擴(kuò)展卡爾曼濾波的輸入信息(EKF)，用它來修正+k1時(shí)刻機(jī)器人的位置。5. 把匹配過后的環(huán)境信息加入到全局地圖中，更新全局特征地圖，進(jìn)行下個(gè)循環(huán)。激光雷達(dá)環(huán)境特征的表示、如何提取、提取過程以及最后向全局地圖中轉(zhuǎn)換激光雷達(dá)掃描的特征地