一种全向可变旋转步进角的激光雷达及其扫描方法与流程

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种全向可变旋转步进角的激光雷达及其扫描方法。

背景技术：

近年来，随着无人驾驶技术的兴起，激光雷达被认为是用来探测无人驾驶车周围环境的最佳技术手段之一，并结合其他传感系统来实现自动驾驶。激光雷达具有测量精度高、速度快和空间分辨率高，以及适用场景范围广泛的特点。

目前，激光雷达为了实现全向360°探测，普遍采用机械旋转的方式来实现其对周围环境的扫描探测。其中，典型的扫描方法为利用机械的旋转带动激光发射机和接收机共同旋转来实现360°全向扫描，其有效探测距离一般在200m以内，扫描旋转空间角度分辨率为0.05°-0.5°，转动频率为5hz-20hz。同理，在水平扫描的基础上也可以实现俯仰扫描，目前为了提高扫描效率，俯仰方向普遍采用多线(多角度)独立扫描获取数据，例如16线、32线、64线等。每秒能够采集上百万个的空间分布数据点。

通过激光雷达获取周围环境数据，意味着有大量的空间点阵需要扫描，同时会产生海量的数据并需要及时处理，生成三维矢量图为系统应用服务。目前的技术方案普遍按照空间点云分布逐点进行扫描，将会占用大量的扫描资源和数据处理资源。如此获得的空间点数据，必定包含了大量非有效目标，即无效目标。所谓的无效目标就是在激光雷达测量范围内，没有障碍物体，这样测量形成的数据将占用和浪费了大量的资源，并降低了效率，提高了成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为解决激光雷达以空间点云分布逐点进行扫描产生大量需要处理的扫描数据，造成资源浪费、运转效率低的问题，提供了一种全向可变旋转步进角的激光雷达及其扫描方法。通过使激光雷达以非匀速扫描的方式进行目标探测，降低了对无效目标的扫描，并保持了对有效目标的均匀扫描，从而降低了激光雷达数据的冗余，降低了激光雷达的数据处理量，提成了资源利用效率，降低了成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种全向可变旋转步进角的激光雷达，所述激光雷达包括：

旋转扫描子系统，以可变旋转步进角进行360°全向扫描；

激光雷达测距子系统，在旋转扫描子系统扫描的同时，在有效探测距离内进行测距，并判断测量目标为有效目标还是无效目标；

扫描控制子系统，通过启停开关控制激光雷达的开启和关闭，根据激光雷达测距子系统对测量目标的判断结果控制旋转扫描子系统下一次的扫描动作。

一种包含全向可变旋转步进角的激光雷达的扫描方法，包括以下步骤：

步骤1.初始化激光雷达的测量参数，包括最小旋转步进角δ、最大旋转步进角δ、激光雷达测距的有效探测距离l和往返时间上限t；

步骤2.激光雷达在有效探测距离l内，以最小旋转步进角δ开始扫描测距，记激光雷达发射激光和收到回波的时间差为t；其中，t＝2l/c，l表示有效探测距离，c表示光速；

步骤3.若t小于或等于t，测量目标为有效目标(5)，则执行步骤2；若t大于t，测量目标为无效目标(4)，则执行步骤4；

步骤4.将当前扫描的旋转步进角乘以2，并判断该旋转步进角是否大于或等于最大旋转步进角δ，若是，则跳转至步骤2；若否，则激光雷达以该旋转步进角作为扫描的旋转步进角继续扫描测距，再判断测量目标是否为有效目标(4)，若是，则跳转至步骤2；若否，则再次执行步骤4。

进一步地，所述激光雷达测距子系统采用激光脉冲测距方法或激光相位测距方法进行测距。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过设定有效探测距离，以有效探测区域内的测量目标为对象，其他区域均设为无效目标。激光雷达在进行全向360°扫描时，将在有效探测区域内扫描到的有效目标作为测量依据，将该次探测的数据作为有效数据并记录，并以最小旋转步进角继续扫描测距。若扫描到的测量目标为无效目标，则成倍加大旋转步进角后继续扫描测距，直至扫描到有效目标时，再将最小旋转步进角作为旋转步进角继续扫描测距。本发明通过优化激光雷达的扫描方法，降低了激光雷达漏过测量目标的概率，同时有效降低了扫描的空间点数量，进而减少了激光雷达数据的处理量，提高了激光雷达的扫描效率和性价比。

2、本发明中，以有效目标作为测量依据，通过合理设置最小旋转步进角和最大旋转步进角，并辅以优化扫描算法。激光雷达通过进行非匀速扫描，降低了对无效目标的扫描，并保证了对有效目标的扫描，从而减少了激光雷达数据处理量，提升了激光雷达的运转效率和数据处理的有效性，提升了资源利用效率，降低了成本，为激光雷达提供了一种新的扫描技术方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的激光雷达进行全向可变旋转步进扫描的结构示意图；

图2为本发明的扫描算法的流程图；

图3为本发明的实施例1的全向可变旋转步进扫描示意图；

图中标记：1-旋转扫描子系统、2-扫描控制子系统、3-激光雷达测距子系统、4-无效目标、5-有效目标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件，可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种全向可变旋转步进角的激光雷达，所述激光雷达包括：

旋转扫描子系统1，以可变旋转步进角进行360°全向扫描，即以最小旋转步进角δ的2ⁿ(n为正整数)倍数进行旋转步进扫描，且旋转步进扫描的步进角的角度范围在最小旋转步进角δ至最大旋转步进角δ之间。

激光雷达测距子系统3，在旋转扫描子系统1扫描的同时，在有效探测距离内进行测距，并判断测量目标为有效目标还是无效目标。激光雷达测距子系统3测距的方法包括但不限于激光脉冲测距方法、激光相位测距方法。

扫描控制子系统2，通过启停开关控制激光雷达的开启和关闭，根据激光雷达测距子系统3对测量目标的判断结果控制旋转扫描子系统1下一次的扫描动作。

包含全向可变旋转步进角的激光雷达的扫描方法，包括以下步骤：

步骤1.初始化激光雷达的测量参数，包括最小旋转步进角δ、最大旋转步进角δ、激光雷达测距的有效探测距离l和往返时间上限t；其中，t＝2l/c，l表示有效探测距离，c表示光速；

步骤2.激光雷达在有效探测距离l内，以最小旋转步进角δ开始扫描测距，记激光雷达发射激光和收到回波的时间差为t；

步骤3.若t小于或等于t，测量目标为有效目标(5)，则执行步骤2；若t大于t，测量目标为无效目标(4)，则执行步骤4；

步骤4.将当前扫描的旋转步进角乘以2，并判断该旋转步进角是否大于或等于最大旋转步进角δ，若是，则跳转至步骤2；若否，则激光雷达以该旋转步进角作为扫描的旋转步进角继续扫描测距，再判断测量目标是否为有效目标(4)，若是，则跳转至步骤2；若否，则再次执行步骤4。

本发明的工作原理如下：

首先，根据激光雷达设定的有效探测距离l得到激光信号往返时间上限t，同时设定步进扫描的最小旋转步进角δ和最大旋转步进角δ。然后，激光雷达在有效探测距离l内以最小旋转步进角δ开始扫描测距，并判断自身发射激光和收到回波的时间差t与往返时间上限t之间的大小关系。若时间差t小于或等于往返时间上限t，则测量目标为有效目标，根据时间差t得到有效目标与激光雷达的距离，将该次探测的数据作为有效数据并记录，然后以最小旋转步进角δ继续进行扫描测距。若时间差t大于往返时间上限t，则测量目标为无效目标，同时将旋转步进角扩大为最小旋转步进角的2倍并继续进行扫描测距，若下一次扫描测距的时间差t仍大于往返时间上限t，则将旋转步进角扩大为最小旋转步进角的4倍并继续进行扫描测距，以此类推。当扫描到的测量目标仍判定为无效目标，而当前旋转步进角放大2倍后的值大于或等于最大旋转步进角δ时，则将下一次扫描的旋转步进角回复至最小旋转步进角δ，然后再进行扫描测距。当上一次判断结果判定为无效目标、而此次扫描结果判定为有效目标时，激光雷达的旋转步进角也恢复到最小旋转步进角δ，然后再继续进行扫描测距。以此循环，往复完成激光雷达全向扫描。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种全向可变旋转步进角的激光雷达及其扫描方法，如图1所示，激光雷达由旋转扫描子系统1、激光雷达测距子系统3和扫描控制子系统2组成。其中，旋转扫描子系统1中设置的最小旋转步进角δ为0.2°、最大旋转步进角δ为6°，初始化从0°开始，可实现360°全向扫描。激光雷达测距子系统3在旋转扫描子系统1扫描的同时，能够完成在有效探测距离l为200m内的测距工作，且能够判断有效目标和无效目标。扫描控制子系统2通过启停开关控制激光雷达的开启和关闭，并依据激光雷达测距子系统3的判断结果和扫描算法来实施下一步扫描的动作。本实施例中，如图3所示，假设在以激光雷达为中心的200m范围内，在坐标位置为(0°-5°，150m)，(45°-47°，100m)、(90°-93°，50m)、(130°-133°，40m)、(180°-185°，130m)、(268°-272°，100m)、(302°-307°，160m)的7处均有有效目标。以本发明提出的扫描方法进行工作，按照以下步骤进行扫描；

步骤(1)：开启激光雷达，激光雷达从坐标0°开始，以0.2°作为旋转步进角开始扫描测距，该次扫描的判断结果为有效目标，再增加0.2°，判断结果为有效目标，再旋转0.2°.....，经过25个循环，合计旋转了5°，此时，旋转至坐标5°，产生了26组数据。

步骤(2)：继续增加0.2°，判断结果为无效目标，按照扫描算法旋转步进角加倍为0.4°，判断结果为无效目标，继续加倍旋转步进角0.8°，1.6°，3.2°，判断结果均为无效目标；合计旋转了6.2°，产生了5组数据，此时，旋转至坐标11.2°。

步骤(3)：加倍旋转步进角为6.4°，大于设定的最大旋转步进角6°，因此，扫描的旋转步进角恢复为0.2°，继续扫描，判断结果为无效目标，重复步骤(2)，合计旋转了6.2°，产生了5组数据，此时，旋转至坐标17.4°。

步骤(4)：重复步骤(2)(3)(2)(3)，合计旋转了24.8°，产生了20组数据，此时，旋转至坐标42.2°。

步骤(5)：重复步骤(2)，旋转0.2°，再旋转0.4°，再旋转0.8°，判断结果均为无目标，按照扫描算法再旋转1.6°，判断结果为有效目标；合计旋转了3°，产生了4组数据，此时，旋转至坐标45.2°。

步骤(6)：重复步骤(1)，激光雷达扫描的旋转步进角恢复至0.2°，判断结果为有效目标，再旋转0.2°......，经过9个循环，合计旋转了1.8°；此时，旋转至坐标47°，产生了9组数据。

步骤(7)：重复步骤(2)(3)(2)(3)(2)(3)，合计旋转了37.2°；此时，旋转至坐标84.2°，产生了30组数据。

步骤(8)：重复步骤(2)，旋转0.2°，再旋转0.4°，再旋转0.8°，再旋转1.6°，判断结果均为无效目标，按照扫描算法再旋转3.2°，判断结果为有效目标；合计旋转了6.2°，产生了5组数据，此时，旋转至坐标90.4°。

步骤(9)：重复步骤(1)，激光雷达扫描的旋转步进角恢复至0.2°，判断结果为有效目标，再旋转0.2°......，经过13个循环，合计旋转了2.6°，产生13组数据，此时，旋转至坐标93°。

步骤(10)：重复步骤(2)(3)(2)(3)(2)，合计旋转了31°，产生25组数据，此时，旋转至坐标124°。

步骤(11)：重复步骤(3)，旋转0.2°，再旋转0.4°，再旋转0.8°，再旋转1.6°，判断结果均为无效目标，按照扫描算法再旋转3.2°，判断结果为有效目标；合计旋转了6.2°，产生了5组数据，旋转至坐标130.2°。

步骤(12)：重复步骤(1)，激光雷达扫描的旋转步进角恢复至0.2°，判断结果为有效目标，再旋转0.2°......，经过13个循环，合计旋转了2.8°，产生14组数据，此时，旋转至坐标133°。

步骤(13)：重复步骤(2)(3)(2)(3)(2)(3)(2)，合计旋转了43.4°，产生了35组数据，此时，旋转至坐标176.4°。

步骤(14)：重复步骤(3)，旋转0.2°，再旋转0.4°，再旋转0.8°，再旋转1.6°，判断结果均为无效目标，按照扫描算法再旋转3.2°，判断结果为有效目标；合计旋转了6.2°，产生了5组数据，旋转至坐标坐标182.6°。

步骤(15)：重复步骤(1)，激光雷达扫描的旋转步进角恢复至0.2°，判断结果为有效目标，再旋转0.2°......，经过12个循环，合计旋转了2.4°，产生12组数据，此时，旋转至坐标185°。

步骤(16)：重复步骤(2)(3)(2)(3)(2)(3)(2)(3)(2)(3)(2)(3)(2)，合计旋转了80.6°，产生65组数据，此时，旋转至坐标265.6°。

步骤(17)：重复步骤(3)，旋转0.2°，再旋转0.4°，再旋转0.8°，判断结果均为无效目标，按照扫描算法再旋转1.6°，判断结果为有效目标；合计旋转了3°，产生了4组数据，旋转至坐标268.6°。

步骤(18)：重复步骤(1)，激光雷达扫描的旋转步进角恢复至0.2°，判断结果为有效目标，再旋转0.2°......，经过17个循环，合计旋转了3.4°，产生17组数据，此时，旋转至坐标272°。

步骤(19)：重复步骤(2)(3)(2)(3)，合计旋转了24.8°，产生了20组数据，此时，旋转至坐标296.8°。

步骤(20)：重复步骤(2)，旋转0.2°，再旋转0.4°，再旋转0.8°，再旋转1.6°，判断结果均为无效目标，按照扫描算法再旋转3.2°，判断结果为有效目标；合计旋转了6.2°，产生了5组数据.旋转至坐标303°。

步骤(21)：重复步骤(1)，激光雷达扫描的旋转步进角恢复至0.2°，判断结果为有效目标，再旋转0.2°......，经过20个循环，合计旋转了4°，产生20组数据，此时，旋转至坐标307°。

步骤(22)：重复步骤(2)(3)(2)(3)(2)(3)(2)(3)，合计旋转了49.6°，产生40组数据，此时，旋转至坐标356.6°。

步骤(23)：重复步骤(2)，旋转0.2°，再旋转0.4°，再旋转0.8°，再旋转1.6°，判断结果均为无效目标，按照扫描算法再旋转3.2°，判断结果为有效目标；合计旋转了6.2°，产生了5组数据，旋转至坐标362.8°。

图1和图3中，标记4代表无效目标，标记5代表有效目标，即：填充为点状的区域均为无效目标，填充为线状的区域均为有效目标。在激光雷达扫描的过程中，可随时通过关闭启停开关使激光雷达停止工作。经过步骤(1)至步骤(23)后，激光雷达完成了360度全向扫描，若激光雷达继续重复步骤(1)(2)(3)，就可周而复始的进行扫描测距。本次探测利用本发明的扫描算法进行360度扫描，合计进行了389次激光雷达测量，得到了389组的数据。若采用现有的激光雷达扫描测量方法，以0.2°作为旋转步进角，完成360度的扫描需要测量1800次，需对1800组数据进行处理，由此可知，本发明的扫描方法有效地提高了扫描测量的效率，从而提升了激光雷达的运转效率和数据处理的有效性，提升了资源利用效率，降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。