一種一體式無人運動平臺環(huán)境理解系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種環(huán)境理解系統(tǒng)，特別涉及一種一體式無人運動平臺環(huán)境理解系統(tǒng) 及其工作方法，屬于無人運動平臺自主導航領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人運動平臺在民用、軍事、科研等各領(lǐng)域的應用前景日益廣闊，環(huán)境理解技術(shù)是 地面無人運動平臺實現(xiàn)環(huán)境感知、平臺定位、路徑規(guī)劃等平臺自主導航控制最基本的前提。 目前，無人運動平臺的研宄通常采用多種傳感器進行環(huán)境感知，以克服傳感器的數(shù)據(jù)可靠 性低、有效探測范圍小等局限性，根據(jù)各個傳感器信息在時間或空間的冗余或互補特性進 行容錯處理，實時正確獲取行駛區(qū)域目標的形狀位置等環(huán)境信息。為了獲得不同方向的環(huán) 境信息，需安裝多個攝像機檢測周圍障礙物；同時安裝用于水平掃描和垂直掃描兩個激光 雷達，其中水平掃描激光雷達用于確定凸型障礙物，垂直掃描激光雷達用于估計前方地形 高度、凹坑和陡坡等危險地形。由于無人運動平臺安裝的傳感器數(shù)量多，環(huán)境感知成本高 昂，而且分散式的安裝使用不方便，布線連接復雜，降低了系統(tǒng)的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有問題中的上述問題，提出一種集成二維激光雷達、 雙目視覺、全球定位系統(tǒng)（GPS)接收機的一體式無人運動平臺環(huán)境理解系統(tǒng)及其工作方 法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0005] 一種一體式無人運動平臺環(huán)境理解系統(tǒng)，包括嵌入式控制系統(tǒng)，其特征在于，還包 括傳感器掃描驅(qū)動裝置和環(huán)境感知傳感器，其中環(huán)境感知傳感器固定于傳感器掃描驅(qū)動裝 置，嵌入式控制系統(tǒng)通過控制線與傳感器掃描驅(qū)動裝置相連，通過數(shù)據(jù)線與環(huán)境感知傳感 器相連；所述環(huán)境感知傳感器用于獲取一體式無人運動平臺周圍的環(huán)境信息，所述傳感器 掃描驅(qū)動裝置用于調(diào)整環(huán)境感知傳感器在水平和俯仰方向的角度，所述嵌入式控制系統(tǒng)用 于接收所述環(huán)境感知傳感器通過數(shù)據(jù)線傳送的環(huán)境信息，并對環(huán)境信息進行處理后結(jié)合路 徑規(guī)劃向所述傳感器掃描驅(qū)動裝置發(fā)出進一步的運動指令，控制所述傳感器掃描驅(qū)動裝置 動作。
[0006] 作為優(yōu)選，所述傳感器掃描驅(qū)動裝置包括底座、支架a、支架b、支架c、電機a、電機 b、電機c、電機d和電機e，所述環(huán)境感知傳感器包括二維激光雷達、兩個攝像機和GPS接收 機；
[0007] 所述電機a、電機b、電機C、電機d和電機e分別與所述嵌入式控制系統(tǒng)通過控制 線相連，在所述嵌入式控制系統(tǒng)的控制下運動；
[0008] 所述二維激光雷達、兩個攝像機和GPS接收機分別與所述嵌入式控制系統(tǒng)通過數(shù) 據(jù)線相連，將獲取的環(huán)境與位置信息經(jīng)由數(shù)據(jù)線傳送給所述嵌入式控制系統(tǒng)；
[0009] 所述二維激光雷達通過所述支架a和所述支架b與所述底座相連，所述電機a安 裝在所述底座上并與所述支架a相連，所述電機b安裝在支架a上并與支架b相連，所述二 維激光雷達隨同所述電機a和所述電機b的運動相對于所述底座具有水平方向和俯仰方向 的自由度；
[0010] 所述兩個攝像機通過所述支架C與所述支架b相連，構(gòu)成雙目視覺，所述支架C與 所述電機C相連；所述兩個攝像機分別與所述電機d和所述電機e相連，隨同所述電機c、 所述電機d和所述電機e的運動相對于激光雷達具有水平方向和俯仰方向的自由度； [0011] 所述GPS接收機固定于底座上，能夠為路徑規(guī)劃提供當前位置信息和目的位置信 息。
[0012] 作為優(yōu)選，所述底座為封閉殼體結(jié)構(gòu)，頂部加工有連接軸孔，用來與所述支架a通 過旋轉(zhuǎn)軸連接；所述底座內(nèi)腔固定安裝GPS和電機a，所述電機a與所述旋轉(zhuǎn)軸相連；
[0013] 所述支架a為開口向上的U型結(jié)構(gòu)，底部及兩側(cè)加工有連接軸孔，底部軸孔用來與 所述底座連接、兩側(cè)軸孔用來與所述支架b連接，所述支架a通過與所述底座連接的所述旋 轉(zhuǎn)軸由所述電機a驅(qū)動以所述旋轉(zhuǎn)軸為軸沿水平向旋轉(zhuǎn)；
[0014] 所述支架b為C型結(jié)構(gòu)，背側(cè)固定有旋轉(zhuǎn)軸、頂部兩側(cè)加工有耳軸支座，背側(cè)的旋 轉(zhuǎn)軸與所述電機b相連，并通過所述支架a兩側(cè)的軸孔與所述支架a連接、頂部的耳軸支座 用于與所述支架c連接，所述支架b內(nèi)截參數(shù)與所述二維激光雷達參數(shù)相對應，用于將所述 二維激光雷達固定安裝于所述支架b內(nèi)，并由所述電機b驅(qū)動以旋轉(zhuǎn)軸為軸在支架a中沿 俯仰向旋轉(zhuǎn)；
[0015] 所述支架c為平板結(jié)構(gòu)，在平板上加工有一對對稱的連接軸孔，用來與所述兩個 攝像機通過旋轉(zhuǎn)軸連接，平板底面兩側(cè)各固定有一個L形連桿，用于通過所述支架b的耳軸 支座與支架b相連，并將兩個L形連桿的外端部與所述電機c相連，由所述電機c驅(qū)動沿俯 仰向旋轉(zhuǎn)；
[0016] 所述兩個攝像機分別通過支架c上的2個連接軸孔與旋轉(zhuǎn)軸的一端相連，旋轉(zhuǎn)軸 的另一端分別連接所述電機d和所述電機e，由所述電機d和電機e驅(qū)動以各自的旋轉(zhuǎn)軸為 軸沿水平向旋轉(zhuǎn)。
[0017] 作為優(yōu)選，所述底座為圓臺狀封閉殼體結(jié)構(gòu)。
[0018] 一種一體式無人運動平臺環(huán)境理解系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟一、環(huán)境理解系統(tǒng)標定；
[0020] 所述一體式無人運動平臺環(huán)境理解系統(tǒng)安裝于無人運動平臺后對所述雙目視覺 和所述二維激光雷達分別進行如下所述單獨標定和聯(lián)合標定，分別獲得所述雙目視覺的 內(nèi)外參數(shù)、所述二維激光雷達的內(nèi)部參數(shù)以及所述雙目視覺和所述二維激光雷達的對應關(guān) 系：
[0021] 對雙目視覺單獨標定，分別得到攝像機A和B的有效焦距f、圖像主點坐標 (u0, vO)、尺度因子fx和fy等內(nèi)參數(shù)，以及其各自正交旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量t等外參數(shù)， 并通過外參數(shù)計算得到攝像機A13和B14之間的相對位置關(guān)系；
[0022] 對激光雷達單獨標定，獲得點Otl在激光雷達坐標系IOldJ中的偏移坐標 (X。，y〇, Ztl)，將坐標系IOldJ沿向量（Xtl, y(l，Ztl)平移得到坐標系{0J，其中Otl為實際的激光 雷達原點，〇1&為實際的激光雷達俯仰掃描旋轉(zhuǎn)中心軸原點，坐標系IOldJ的Z軸垂直于激 光雷達掃描平面，Y軸沿激光雷達正前方，X、Y、Z軸構(gòu)成右手系；
[0023] 對雙目視覺和激光雷達進行聯(lián)合標定，根據(jù)攝像機成像的線性理論，通過測量三 維標定板上參考點在激光雷達坐標系IOldJ中的坐標，計算出坐標系IOldJ到攝像機A和 攝像機 B 坐標系的投影矩陣 Pa= [p AijII4x4和 Pb= [P']4Χ4, (i, j = 1，2, 3, 4)。
[0024] 步驟二、激光雷達信息采集與處理；
[0025] 采集：在無人運動平臺運動過程中，嵌入式控制系統(tǒng)根據(jù)獲取的所述環(huán)境感知傳 感器信息選擇合適的控制策略，控制電機a旋轉(zhuǎn)以改變掃描方位角，控制電機b實時旋轉(zhuǎn)使 二維激光雷達在該方位角沿俯仰向勻速掃描，獲取無人運動平臺周圍環(huán)境激光點云數(shù)據(jù)， 即激光雷達測距數(shù)據(jù)Ρ(Ρυ_，Si j)，其中p u表示到激光雷達原點心的距離，Θ u表示掃 描方向到主掃描方向角度，i表示數(shù)據(jù)幀的編號，j是測距數(shù)據(jù)在同一幀數(shù)據(jù)包中的排列序 號；
[0026] 處理：將激光雷達極坐標數(shù)據(jù)P ( P u，Θ u)轉(zhuǎn)化為齊次坐標Ω ( p w cos Θ i, 』P MC〇S0 μ 〇 1)τ，并通過如下空間坐標轉(zhuǎn)換公式將齊次坐標Dci轉(zhuǎn)化為其在激光雷達 坐標系IOldJ對應的三維齊次坐標D1，從而得到數(shù)據(jù)點P的三維空間坐標（X，Y，Z) |ld,:
[0027]
[0028]
[0029] 其中（α，γ)為激光雷達7的俯仰和水平旋轉(zhuǎn)角度，S表示正弦函數(shù)sin〇, C表 示余弦函數(shù)COS 0 ;
[0030] 步驟三、雙目攝像機信息采集與處理；
[0031] 采集：無人運動平臺行駛過程中，嵌入式控制系統(tǒng)根據(jù)獲取的傳感器信息選擇合 適的控制策略，控制電機C、電機d、電機e旋轉(zhuǎn)來改變攝像機A和B的俯仰角、方位角及其 光軸的夾角，采集無人運動平臺周圍環(huán)境雙目數(shù)字圖像信息；
[0032] 處理：首先對雙目圖像信息/f和進行邊緣分割、特征提取、立體匹配處理，得 到空間點P (X，Y，Z)在兩幅數(shù)字圖像中對應的像素點坐標對〈(xA，yA) (xB，yB) >，其中（xA，yA) 和（xB，yB)分別為空間點P在攝像機A和攝像機B坐標系中的坐標，然后根據(jù)下式采用最小 二乘法求解得到空間點P在坐標系IOldJ中的三維坐標（X，Y，Z) |_:
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