杂志汇中国信息化

自主无人靶车技术是地面无人自主汽车技术的一种应用领域，地面无人自主汽车是汽车主动安全技术的一个综合体现平台，集环境感知、路径规划、自动控制等功能于一体，具有类似于人的智能水平和行为能力，能够在没有人工监测和干预的情况下保证车辆安全行驶。用于地面自主车环境感知的传感器有多种，激光雷达由于不易受光照变化影响，测量速度快，精度高，具有良好的实时性、鲁棒性。稳定性，受到很多研究者的青睐。用于自主车的激光雷达又分为单线激光雷达、多线激光雷达和面阵激光雷达，与单线激光雷达相比，后两种激光雷达一次扫描的数据量大能够获得更好的检测结果，但由于价格昂贵、技术主要被国外公司掌握，制约了其推广应用。单线激光雷达价格合理，但一次扫描只能覆盖一条线上的深度信息，与多线激光雷达相比获取障碍物几何形状的能力较弱。

为了在低成本的条件下获得可靠的测距结果和覆盖面较大的扫描区域，我们使用两个单线激光雷达垂直叠放，安装在摆动支架上，支架底座固定在车辆顶部，雷达能够在电机的带动下做俯仰摆动，如图1所示。当雷达摆动起来后，激光光束就可以扫描到车体前方不同距离处，从而克服了单线激光雷达扫描覆盖面小的缺点。

二、传感器的配置

在雷达摆动过程中，我们既要尽量减小雷达在车头前方的扫描盲区，又要尽量避免雷达扫描在距离太远且对环境感知没有意义的区域。根据雷达的安装高度、车头与雷达的水平距离以及车头的高度，可以计算出，雷达所能扫描到地面的最近水平距离为5.2m，对应的最大俯仰角为-22.93度。由于本文所用激光雷达的角度分辨率为0.5度，当扫描距离为23m时，相邻光束的距离为20.07cm,因此，本文将激光雷达的最远扫描距离设定为23m，对应的最小俯仰角为-4.99度。

雷达的摆动是由匀速转动的电机通过四连杆机构带动的，因此，雷达的摆动角服从正弦规律，为使两个雷达在同一时刻的扫描区域尽量不重叠，我们将两个雷达的相位差设定为180度。利用光电码盘可以实时采集两个雷达的摆动角度。

图1 激光雷达摆动角度范围示意图三、雷达标定

激光雷达的标定涉及到以下几个坐标系：

1. 车体坐标系原点O为车体后轴中央，XOY平面为车轮中心平面，Y轴正向为车体轴线向前方向，X轴正向为垂直车体轴线向右方向，Z轴正向为垂直于车轮中心平面向上方向。

2. 激光雷达坐标系原点O为激光发射中心，XOY平面为激光发射平面，Y轴正向为中心光束的发射方向，X轴正向为垂直中心光束向右方向，Z轴正向为垂直于激光发射平面向上方向。

3. 辅助坐标系坐标系原点与激光雷达坐标系原点重合，X、Y、Z分别与车体坐标系的X、Y、Z平行。

所谓激光雷达的标定，就是求出激光雷达坐标系相对于车体坐标系的平移向量和旋转矩阵。

学者们已提出多种激光雷达的标定方法，比较著名的有利用圆柱杆子进行标定和利用双平行平面进行标定两种。前者在水平面上不同的位置树立圆柱杆，用激光雷达进行扫描，得到圆柱杆的扫描距离和扫描角度，进而得到扫描点在激光雷达坐标系中的坐标，再根据扫描距离及圆柱杆在水平面上的位置计算出扫描点在车体坐标系中的坐标，建立关于激光雷达的航向角、俯仰角、横滚角的方程组，然后对方程组求取最优解，即为标定结果，此方法工作量大，且每次都需要手工测量圆柱杆在车体坐标系中的坐标，测量误差大，难以保证标定精度；后者用激光雷达扫描两个平行平面，利用激光雷达在两个平行平面的扫描点进行标定，为了保证标定精度，两个平面必须具有很高的平行度，而且两个平面之间的距离必须足够大，这给平行平面的制作和搬运带来很大困难。

本文所采用的激光雷达安装在一个摆动支架上，雷达在摆动过程中只改变俯仰角，而不会改变航向角和横滚角，针对此特殊结构，本文设计了一种简单而且标定精度较高的标定方法。平移向量T为激光雷达发射中心在车体坐标系的安装位置，可以通过手工测量直接获取，下面主要论述俯仰角、横滚角以及航向角的标定。

将自主车开到一片空旷平坦的地面，地面在一个平面上并且与辅助坐标系的平面平行，将激光雷达摆动起来后在地面上测量一系列扫描点，由于激光雷达的中心光束位于激光雷达坐标系的Y轴上，因此，将中心光束的扫描点变换到辅助坐标系后，其竖坐标值只受俯仰角的影响，而不受横滚角和航向角的影响。由于地面与辅助坐标系平面平行，因此理论上Z恒为一定值。由于系统存在各种误差，实际上Z在一定范围内变化，本文采用最小二乘法求取最优的俯仰角。

利用已标定的俯仰角，将激光雷达在各个方向的扫描点投影到辅助坐标系中，其竖坐标值在理论上也应该为一恒定值，利用同样的方法可标定出横滚角。

为了标定出航向角，将自主车正对一平行于辅助坐标系平面的光滑平面，然后使激光雷达在摆动过程中对着此平面进行扫描，理论上，落在此平面上的点在辅助坐标系中的纵坐标值Y为一定值。利用已标定的俯仰角和横滚角，采用同样的方法，可以标定出激光雷达的航向角。

四、标定实验

使用本文方法，在自主平台实车上进行雷达标定实验。将实验车辆停放在较为平整的路面上，将标定步骤过程中雷达数据记录下来，通过matlab查看标定结果。试验结果与理论分析一致，验证了标定结果的准确性。

五、结束语

本文提出了一种低成本的无人自主车感知系统架构，使用单线激光雷达垂直叠置加摆动机构的低成本传感器配置方式，并提出了快速的数据标定方法。实验结果表明：本文的传感器配置方式以及数据标定方法可以很好的满足自主平台对周围环境的感知，由于使用成本较低的单线激光雷达基本达到了多线激光雷达的探测效果，更适合应用于对成本限制较大的商用无人自主车系统中。