CN116359932A - 基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法，包括以下步骤：构建AGV小车的车体坐标系；构建激光雷达传感器的坐标系；驱动激光雷达传感器扫描障碍物，并获取障碍物在激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；以及，将激光雷达传感器的坐标系和车体坐标系进行变换，以获取障碍物在车体坐标系中的位置坐标；以及，基于障碍物在车体坐标系中的位置坐标，获取障碍物到AGV小车的车体中心的距离。

Description

基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法及装置

技术领域

本发明涉及激光雷达传感器应用技术领域，尤其是涉及一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法及装置。

背景技术

激光雷达传感器是根据飞行时间(TOF)测量原理运行的。在极高的同步时钟下，以均匀的时间间隔发射激光，激光光束遇到物体时会反射回来，扫描传感器接收到反射的光束后，通过发射和接收的时间差Δt来计算从激光传感器到物体的距离。

现有技术中，通常利用激光光束对周围进行二维扫描，获得一个环境轮廓图形；通过2D激光反馈的X、Y数据及ICP计算出来的对应的角度来实现对障碍物的大小尺寸、偏差Δx、Δy、Δθ来判断是否可以绕行、纠偏、尺寸大小等功能。

然而，激光雷达避障区域有限，且不能实时反馈障碍物的距离，机器人无法根据雷达扫描测量障碍物距离的数据，实现准确避障，物体特征识别及辅助二次辅助定位导航。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明提出了一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法及装置，以解决激光雷达避障区域有限、识别区域少以及不能实时反馈障碍物距离作为判断依据的问题。

根据本申请的第一方面实施例，提供了一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法，包括以下步骤：

构建AGV小车的车体坐标系；

构建激光雷达传感器的坐标系；

驱动所述激光雷达传感器扫描障碍物，并获取所述障碍物在所述激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；以及，将所述激光雷达传感器的坐标系和所述车体坐标系进行变换，以获取所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标；以及，基于所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标，获取所述障碍物到所述AGV小车的车体中心的距离。

在上述方法中，所述激光雷达传感器的坐标系与所述车体坐标系间的变换关系式如下：

式中：X、Y、Z为车体坐标系；x、y、z为激光雷达传感器的坐标系；α为翻滚角；β为俯仰角；θ为偏航角。

在上述方法中，所述激光雷达传感器的坐标系与所述车体坐标系间的变换通过ROS系统中的坐标变换模块TF2实现。

在上述方法中，所述障碍物的轮廓线与所述AGV小车的行进方向的夹角在-15°～+15°之间。

在上述方法中，所述障碍物的轮廓线长度大于等于0.7m。

在上述方法中，所述激光雷达传感器水平安装在所述AGV小车的插脚上。

根据本申请的第二方面实施例，提供了一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈装置，包括：

车体坐标系构建模块，用于构建AGV小车的车体坐标系；

传感器坐标系构建模块，用于构建激光雷达传感器的坐标系；

距离获取模块，用于驱动所述激光雷达传感器扫描障碍物，并获取所述障碍物在所述激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；以及，用于将所述激光雷达传感器的坐标系和所述车体坐标系进行变换，以获取所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标；以及，用于基于所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标，获取所述障碍物到所述AGV小车的车体中心的距离。

在上述装置中，所述距离获取模块包括：

第一位置坐标获取单元，用于驱动所述激光雷达传感器扫描障碍物，并获取所述障碍物在所述激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；

第二位置坐标获取单元，用于将所述激光雷达传感器的坐标系和所述车体坐标系进行变换，以获取所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标；

距离获取单元，用于基于所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标，计算获取所述障碍物到所述AGV小车的车体中心的距离。

根据本申请的第三方面实施例，提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行上述所述的基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法。

根据本申请的第四方面实施例，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在终端执行上述所述的基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法。

根据本申请所提供的技术方案，至少具有如下有益效果，通过激光雷达传感器扫描障碍物，即可实时获取障碍物在激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标，也即是障碍物相对激光雷达传感器的位置和距离；通过将激光雷达传感器的坐标系与车体坐标系进行变换，即可实时获取障碍物在车体坐标系中的位置坐标，也即是实时获取障碍物相对AGV小车的位置和距离，有利于AGV小车在行进过程中能够准确避障。采用上述反馈方法和反馈装置，在使激光雷达传感器摆脱激光避障区域限制的同时，还可以识别障碍物相对激光雷达传感器的坐标系的X轴、Y轴的偏差距离及偏差角度，以便提供精确的导航定位。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例提供的AGV小车的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反馈方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的翻滚角、俯仰角和偏航角的示意图；

图4为本发明实施例提供的一个应用场景图；

图5为本发明实施例提供的一个识别场景图；

图6为本发明实施例提供的另一个识别场景图；

图7为本发明实施例提供的另一个应用场景图；

图8为本发明实施例提供的反馈装置的结构框图。

附图标记：

车体坐标系构建模块10、传感器坐标系构建模块20、距离获取模块30、第一位置坐标获取单元31、第二位置坐标获取单元32、距离获取单元33

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而非用于描述特定的顺序或先后次序。若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本申请旨在提供一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法及装置，以解决现有技术中的激光雷达传感器避障区域有限，且不能实时反馈障碍物的距离的问题；本申请通过激光雷达传感器反馈的点云信息，利用自动避让的算法(ROS系统中的move_base包)计算出没有障碍物的通道宽度，判断是否满足机器人例如AGV(Automated GuidedVehicle)小车等在该区域内运行，进而使得AGV小车能够根据激光雷达传感器扫描测量的障碍物距离，实现准确避障；以及，对障碍物的物体特征进行识别并进行二次辅助定位导航。

下文以图1所示的AGV小车为例描述本申请中的基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法及装置。AGV小车是指装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。在本申请中，AGV小车的插脚下安装有激光雷达传感器。

如图2所示，本申请的第一方面实施例提供了一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法，该反馈方法包括以下步骤：

步骤S100、构建AGV小车的车体坐标系。

AGV小车的车体坐标系以车体中心为原点，X轴、Y轴和Z轴的方向如图1所示。激光雷达传感器安装在小车的插脚上后，其相对于车体坐标系存在6个自由度信息，分别是沿X轴、Y轴和Z轴的位置偏移以及绕X轴、Y轴和Z轴的旋转角，如图1和3所示，分别为翻滚Roll为α、俯仰Pitch为β和偏航Yaw为θ。

步骤S110、构建激光雷达传感器的坐标系。

步骤S120、驱动激光雷达传感器扫描障碍物，并获取障碍物在激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；以及，将激光雷达传感器的坐标系和车体坐标系进行变换，以获取障碍物在车体坐标系中的位置坐标；以及，基于障碍物在车体坐标系中的位置坐标，通过计算获取障碍物到AGV小车的车体中心的精确距离。

在该步骤中，激光雷达传感器的坐标系与车体坐标系间的变换关系式如下：

式中：X、Y、Z为车体坐标系；x、y、z为激光雷达传感器的坐标系；α为翻滚角；β为俯仰角；θ为偏航角。

上述变换关系式在ROS系统(机器人操作系统)中直接封装为坐标变换模块TF2(TransForm Frame2)。在本申请中，采用TF2静态坐标转换实现激光雷达传感器测量的数据的坐标系转换，以获取障碍物到AGV小车的车体中心的精确距离。

需要说明的是，ROS系统中是通过坐标系统开标定物体的，确切的将是通过右手坐标系来标定的。如图4所示的叉车式底盘，在底盘上安装了一个激光雷达传感器，激光雷达传感器相对于底盘O点的偏移量已知X轴偏移736mm，现激光雷达传感器检测到障碍物(墙体)的信息，可以直接获得障碍物在激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标，将障碍物在激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标转换到车体坐标系中，使得AGV小车能够准确获得障碍物的在车体坐标系中的位置坐标，进而实现避障。

需要说明的是，在ROS系统中，坐标变换模块TF2对应的是tf2和tf2_ros包，在TF2中不同类型的API实现做了分包处理。

利用TF2版静态坐标变换：rosrun tf2_ros static_transform_publisher 736(X轴偏移量对应的是偏差距离736)0(激光是安装到车体的中心线上Y轴为0)75(Z轴激光中心点离地面的高度75)0(2D平面Roll角α为0)0(俯仰Pitch角β为0)0(偏航Yaw角θ为0)/base_link/laser，根据激光反馈的坐标(x,y,z)可以直接推算车体中心点坐标为(x+736,y,z+75)。

以本申请的一个使用场景为例，执行上述障碍物距离反馈方法。在货架环境中，AGV小车上的激光雷达传感器识别左右两边货架的支架或者板子来确认左右两边货架的中间位置，使得AGV小车在行进过程中实现始终沿中线行走。

如图5所示，激光雷达传感器朝X方向(前)安装，激光雷达传感器与货架间的夹角a的角度越大，激光雷达传感器识别货架的位置的效果就越好。因为受激光雷达传感器发射出去的点云的角度的影响，角度越大点云越平稳；在逆向工程中通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据集合称之为点云。需要识别的货架与X方向(即AGV小车的行进方向)的夹角b要保持在-15°～+15°之间才能被识别计算。如果需要识别的货架与X方向的夹角b超过这个角度范围，则会反馈定位失败信息，不再进行货架识别。

当AGV小车行进过程中，遇到一个障碍物(例如第一货架)时，工控机根据激光雷达传感器返回的第一货架的轮廓的点云数据计算出激光雷达传感器到第一货架的垂直距离及夹角a的角度并发送给AGV小车的控制器，AGV小车的控制器接收后向工控机发送对应的识别方式，识别方式包括左侧轮廓识别方式、右侧轮廓识别方式和左右两侧轮廓同时识别方式；工控机接收到对应的识别方式后，根据该识别方式实时测量激光雷达传感器与识别出来的第一货架的架身线段的距离；工控机再将该距离数据发送给AGV小车的控制器，AGV小车的控制器再控制AGV小车行走。

当AGV小车在两个障碍物(例如第一货架和第二货架)之间行进时，工控机根据激光雷达传感器返回的第一货架和第二货架的轮廓的点云数据计算出激光雷达传感器分别到第一货架和第二货架的垂直距离及夹角a的角度并发送给AGV小车的控制器，AGV小车的控制器接收后向工控机发送对应的识别方式，识别方式包括左侧轮廓识别方式、右侧轮廓识别方式和左右两侧轮廓同时识别方式；工控机接收对应的识别方式后，根据该识别方式实时测量激光雷达传感器分别与识别出来的第一货架和第二货架的架身线段的距离并计算这两个距离的中间值；工控机再将该中间值发送给AGV小车的控制器，AGV小车的控制器再控制AGV小车沿第一货架和第二货架之间的中线行走。

需要说明的是，如图6中a所示，待识别的第一货架的架身线段不得小于0.7m；如图6中b所示，为保证识别的准确性，第一货架的架身线段周围0.5m处不应有其它超过0.2m的点云；如图6中c所示，激光雷达传感器需要水平安装，光学防护罩应与被测线水平。

以本申请的一个使用场景为例，执行上述障碍物距离反馈方法。如图7所示，AGV小车在装载插板(盛放货物的工件)时，通过激光雷达传感器识别插板轮廓，判断插板上的插孔位置并引导AGV小车装载插板。

具体地，激光雷达传感器对插板所在的区域进行扫描以便获取扫描数据并将该扫描数据传送至工控机；工控机提取该扫描数据中的有效数据计算插板的倾斜度和截距B；工控机通过抓取光束穿过插板的两个插孔的宽度数值计算匹配率；工控机根据插板的倾斜度、截距B和匹配率以获得插板当前的姿态；工控机结合当前AGV小车的位置姿态判断插板当前是否符合叉取要求；若符合叉取要求，则工控机向AGV小车的控制器发送动作指令，AGV小车进行叉取插板的动作；若不符合叉取要求，工控机向AGV小车的控制器发送调整车体位置的指令，AGV小车根据插板的当前姿态进行适应性的车体位置调整，然后重复执行上述过程；当AGV小车进入两侧有物料的装卸区域时，工控机根据激光雷达传感器传送的数据计算通道的宽度以及通道的中间位置数据，并将通道的宽度以及通道的中间位置数据发送给AGV小车的控制器，AGV小车的控制器再控制AGV小车沿通道的中线行走。

如图8所示，本申请的第二方面实施例提供了一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈装置，包括车体坐标系构建模块10、传感器坐标系构建模块20和距离获取模块30。

其中，

车体坐标系构建模块10，用于构建AGV小车的车体坐标系；

传感器坐标系构建模块20，用于构建激光雷达传感器的坐标系；

距离获取模块30，用于驱动激光雷达传感器扫描障碍物，并获取障碍物在激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；以及，用于将激光雷达传感器的坐标系和车体坐标系进行变换，以获取障碍物在车体坐标系中的位置坐标；以及，用于基于障碍物在车体坐标系中的位置坐标，获取障碍物到AGV小车的车体中心的距离。

在本申请的一些具体实施例中，距离获取模块30还包括第一位置坐标获取单元31、第二位置坐标获取单元32和距离获取单元33。

其中，

第一位置坐标获取单元31，用于驱动激光雷达传感器扫描障碍物，并获取障碍物在激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；

第二位置坐标获取单元32，用于将激光雷达传感器的坐标系和车体坐标系进行变换，以获取障碍物在车体坐标系中的位置坐标；

距离获取单元33，用于基于障碍物在车体坐标系中的位置坐标，计算获取障碍物到AGV小车的车体中心的距离。

采用上述技术方案中的基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法及装置，利用激光雷达传感器识别障碍物的轮廓后即可反解出障碍物的位置姿态，AGV小车通过实时获得的障碍物的位置姿态并与障碍物对接以实现高精度定位。

本申请的第三方面实施例还提供了一种终端，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器运行计算机程序时执行上述基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法。

具体地，处理器可以是CPU，通用处理器，DSP，ASIC，FPGA或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

具体地，处理器通过总线与存储器连接，总线可包括通路，以用于传送信息。总线可以是PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

存储器可以是ROM或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。

可选的，存储器用于存储执行本申请方案的计算机程序的代码，并由处理器来控制执行。处理器用于执行存储器中存储的应用程序代码，以实现上述基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈装置的动作。

本申请的第四方面实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在计算机程序被处理器运行时控制存储介质所在终端执行上述基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建AGV小车的车体坐标系；

构建激光雷达传感器的坐标系；

驱动所述激光雷达传感器扫描障碍物，并获取所述障碍物在所述激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；以及，将所述激光雷达传感器的坐标系和所述车体坐标系进行变换，以获取所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标；以及，基于所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标，获取所述障碍物到所述AGV小车的车体中心的距离。

2.根据权利要求1所述的反馈方法，其特征在于，所述激光雷达传感器的坐标系与所述车体坐标系间的变换关系式如下：

式中：X、Y、Z为车体坐标系；x、y、z为激光雷达传感器的坐标系；α为翻滚角；β为俯仰角；θ为偏航角。

3.根据权利要求1所述的反馈方法，其特征在于，所述激光雷达传感器的坐标系与所述车体坐标系间的变换通过ROS系统中的坐标变换模块TF2实现。

4.根据权利要求1所述的反馈方法，其特征在于，所述障碍物的轮廓线与所述AGV小车的行进方向的夹角在-15°～+15°之间。

5.根据权利要求1所述的反演方法，其特征在于，所述障碍物的轮廓线长度大于等于0.7m。

6.根据权利要求1所述的反演方法，其特征在于，所述激光雷达传感器水平安装在所述AGV小车的插脚上。

7.一种基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈装置，其特征在于，包括：

车体坐标系构建模块，用于构建AGV小车的车体坐标系；

传感器坐标系构建模块，用于构建激光雷达传感器的坐标系；

距离获取模块，用于驱动所述激光雷达传感器扫描障碍物，并获取所述障碍物在所述激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；以及，用于将所述激光雷达传感器的坐标系和所述车体坐标系进行变换，以获取所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标；以及，用于基于所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标，获取所述障碍物到所述AGV小车的车体中心的距离。

8.根据权利要求7所述的反馈装置，其特征在于，所述距离获取模块包括：

第一位置坐标获取单元，用于驱动所述激光雷达传感器扫描障碍物，并获取所述障碍物在所述激光雷达传感器的坐标系中的位置坐标；

第二位置坐标获取单元，用于将所述激光雷达传感器的坐标系和所述车体坐标系进行变换，以获取所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标；

距离获取单元，用于基于所述障碍物在所述车体坐标系中的位置坐标，计算获取所述障碍物到所述AGV小车的车体中心的距离。

9.一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行权利要求1至6中任意一项所述的基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在终端执行权利要求1至6中任意一项所述的基于激光雷达传感器的障碍物距离反馈方法。

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