文｜王江峰，趙汗青，史玉鵬，喻武

一種面向無人自主靶車的感知系統(tǒng)設(shè)計及驗證

文｜王江峰，趙汗青，史玉鵬，喻武

一、引言

自主無人靶車技術(shù)是地面無人自主汽車技術(shù)的一種應(yīng)用領(lǐng)域，地面無人自主汽車是汽車主動安全技術(shù)的一個綜合體現(xiàn)平臺，集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動控制等功能于一體，具有類似于人的智能水平和行為能力，能夠在沒有人工監(jiān)測和干預(yù)的情況下保證車輛安全行駛。用于地面自主車環(huán)境感知的傳感器有多種，激光雷達(dá)由于不易受光照變化影響，測量速度快，精度高，具有良好的實時性、魯棒性。穩(wěn)定性，受到很多研究者的青睞。用于自主車的激光雷達(dá)又分為單線激光雷達(dá)、多線激光雷達(dá)和面陣激光雷達(dá)，與單線激光雷達(dá)相比，后兩種激光雷達(dá)一次掃描的數(shù)據(jù)量大能夠獲得更好的檢測結(jié)果，但由于價格昂貴、技術(shù)主要被國外公司掌握，制約了其推廣應(yīng)用。單線激光雷達(dá)價格合理，但一次掃描只能覆蓋一條線上的深度信息，與多線激光雷達(dá)相比獲取障礙物幾何形狀的能力較弱。

為了在低成本的條件下獲得可靠的測距結(jié)果和覆蓋面較大的掃描區(qū)域，我們使用兩個單線激光雷達(dá)垂直疊放，安裝在擺動支架上，支架底座固定在車輛頂部，雷達(dá)能夠在電機的帶動下做俯仰擺動，如圖1所示。當(dāng)雷達(dá)擺動起來后，激光光束就可以掃描到車體前方不同距離處，從而克服了單線激光雷達(dá)掃描覆蓋面小的缺點。

二、傳感器的配置

在雷達(dá)擺動過程中，我們既要盡量減小雷達(dá)在車頭前方的掃描盲區(qū)，又要盡量避免雷達(dá)掃描在距離太遠(yuǎn)且對環(huán)境感知沒有意義的區(qū)域。根據(jù)雷達(dá)的安裝高度、車頭與雷達(dá)的水平距離以及車頭的高度，可以計算出，雷達(dá)所能掃描到地面的最近水平距離為5.2m，對應(yīng)的最大俯仰角為-22.93度。由于本文所用激光雷達(dá)的角度分辨率為0.5度，當(dāng)掃描距離為23m時，相鄰光束的距離為20.07cm,因此，本文將激光雷達(dá)的最遠(yuǎn)掃描距離設(shè)定為23m，對應(yīng)的最小俯仰角為-4.99度。

雷達(dá)的擺動是由勻速轉(zhuǎn)動的電機通過四連桿機構(gòu)帶動的，因此，雷達(dá)的擺動角服從正弦規(guī)律，為使兩個雷達(dá)在同一時刻的掃描區(qū)域盡量不重疊，我們將兩個雷達(dá)的相位差設(shè)定為180度。利用光電碼盤可以實時采集兩個雷達(dá)的擺動角度。

圖1 激光雷達(dá)擺動角度范圍示意圖

三、雷達(dá)標(biāo)定

激光雷達(dá)的標(biāo)定涉及到以下幾個坐標(biāo)系：

1. 車體坐標(biāo)系

原點O為車體后軸中央，XOY平面為車輪中心平面，Y軸正向為車體軸線向前方向，X軸正向為垂直車體軸線向右方向，Z軸正向為垂直于車輪中心平面向上方向。

2. 激光雷達(dá)坐標(biāo)系

原點O為激光發(fā)射中心，XOY平面為激光發(fā)射平面，Y軸正向為中心光束的發(fā)射方向，X軸正向為垂直中心光束向右方向，Z軸正向為垂直于激光發(fā)射平面向上方向。

3. 輔助坐標(biāo)系

坐標(biāo)系原點與激光雷達(dá)坐標(biāo)系原點重合，X、Y、Z分別與車體坐標(biāo)系的X、Y、Z平行。

所謂激光雷達(dá)的標(biāo)定，就是求出激光雷達(dá)坐標(biāo)系相對于車體坐標(biāo)系的平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣。

學(xué)者們已提出多種激光雷達(dá)的標(biāo)定方法，比較著名的有利用圓柱桿子進(jìn)行標(biāo)定和利用雙平行平面進(jìn)行標(biāo)定兩種。前者在水平面上不同的位置樹立圓柱桿，用激光雷達(dá)進(jìn)行掃描，得到圓柱桿的掃描距離和掃描角度，進(jìn)而得到掃描點在激光雷達(dá)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，再根據(jù)掃描距離及圓柱桿在水平面上的位置計算出掃描點在車體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，建立關(guān)于激光雷達(dá)的航向角、俯仰角、橫滾角的方程組，然后對方程組求取最優(yōu)解，即為標(biāo)定結(jié)果，此方法工作量大，且每次都需要手工測量圓柱桿在車體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，測量誤差大，難以保證標(biāo)定精度；后者用激光雷達(dá)掃描兩個平行平面，利用激光雷達(dá)在兩個平行平面的掃描點進(jìn)行標(biāo)定，為了保證標(biāo)定精度，兩個平面必須具有很高的平行度，而且兩個平面之間的距離必須足夠大，這給平行平面的制作和搬運帶來很大困難。

本文所采用的激光雷達(dá)安裝在一個擺動支架上，雷達(dá)在擺動過程中只改變俯仰角，而不會改變航向角和橫滾角，針對此特殊結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了一種簡單而且標(biāo)定精度較高的標(biāo)定方法。平移向量T為激光雷達(dá)發(fā)射中心在車體坐標(biāo)系的安裝位置，可以通過手工測量直接獲取，下面主要論述俯仰角、橫滾角以及航向角的標(biāo)定。

將自主車開到一片空曠平坦的地面，地面在一個平面上并且與輔助坐標(biāo)系的平面平行，將激光雷達(dá)擺動起來后在地面上測量一系列掃描點，由于激光雷達(dá)的中心光束位于激光雷達(dá)坐標(biāo)系的Y軸上，因此，將中心光束的掃描點變換到輔助坐標(biāo)系后，其豎坐標(biāo)值只受俯仰角的影響，而不受橫滾角和航向角的影響。由于地面與輔助坐標(biāo)系平面平行，因此理論上Z恒為一定值。由于系統(tǒng)存在各種誤差，實際上Z在一定范圍內(nèi)變化，本文采用最小二乘法求取最優(yōu)的俯仰角。

利用已標(biāo)定的俯仰角，將激光雷達(dá)在各個方向的掃描點投影到輔助坐標(biāo)系中，其豎坐標(biāo)值在理論上也應(yīng)該為一恒定值，利用同樣的方法可標(biāo)定出橫滾角。

為了標(biāo)定出航向角，將自主車正對一平行于輔助坐標(biāo)系平面的光滑平面，然后使激光雷達(dá)在擺動過程中對著此平面進(jìn)行掃描，理論上，落在此平面上的點在輔助坐標(biāo)系中的縱坐標(biāo)值Y為一定值。利用已標(biāo)定的俯仰角和橫滾角，采用同樣的方法，可以標(biāo)定出激光雷達(dá)的航向角。

四、標(biāo)定實驗

使用本文方法，在自主平臺實車上進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)定實驗。將實驗車輛停放在較為平整的路面上，將標(biāo)定步驟過程中雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄下來，通過matlab查看標(biāo)定結(jié)果。試驗結(jié)果與理論分析一致，驗證了標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

五、結(jié)束語

本文提出了一種低成本的無人自主車感知系統(tǒng)架構(gòu)，使用單線激光雷達(dá)垂直疊置加擺動機構(gòu)的低成本傳感器配置方式，并提出了快速的數(shù)據(jù)標(biāo)定方法。實驗結(jié)果表明：本文的傳感器配置方式以及數(shù)據(jù)標(biāo)定方法可以很好的滿足自主平臺對周圍環(huán)境的感知，由于使用成本較低的單線激光雷達(dá)基本達(dá)到了多線激光雷達(dá)的探測效果，更適合應(yīng)用于對成本限制較大的商用無人自主車系統(tǒng)中。

王江峰，趙汗青：裝甲兵工程學(xué)院科研部，史玉鵬：裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系喻武：裝甲兵工程學(xué)院機械工程系

中國云力量

作 者：吳玉征, 鄭凱

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征稿啟事

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