本發(fā)明實施例涉及一種控制系統(tǒng)及控制方法，尤其涉及一種激光雷達的控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術：

現有技術的激光雷達在進行檢測時經常要進行方向角度的變換。舉例來說，用于測量氣溶膠顆粒的米散射偏振微脈沖激光雷達，這種激光雷達通過向大氣中發(fā)射激光并接受返回信號來檢測大氣中氣溶膠顆粒的狀態(tài)，從而得出霧霾等環(huán)境指標。在對環(huán)境進行檢測時，經常需要通過一定區(qū)域的環(huán)境進行掃描的方式來進行大氣檢測，或者需要定期進行方向角度的變換，以對不同方向的大氣進行檢測，從而獲得污染源分布情況。

發(fā)明人的實現本發(fā)明的過程中，發(fā)現現有技術存在如下缺陷：

現有技術的激光雷達在進行方向角度變換時，通過手動的方式來進行方向角度的調整，例如，操作人員在激光雷達的附近，通過肉眼直接對目標對象所在方向進行大致判斷，然后通過控制激光雷達的底座的轉動來控制激光雷達的方向和角度來大致定位。由于人所處的位置與激光雷達的實際發(fā)射的激光束存在很大的差異，并且在激光雷達附近直接通過肉眼對目標對象進行判斷也會存在很大的誤差，并且也存在極大的操作不便。

技術實現要素：

本發(fā)明實施例的目的在于提供一種激光雷達的控制系統(tǒng)及控制方法，以使激光雷達在檢測方向的調整過程中，能夠對目標對象進行精準定位，并且提高操作的便利性。

為了實現上述目的，本發(fā)明實施例提供了一種激光雷達的控制系統(tǒng)，包括激光雷達、相機、計算機以及驅動機構，

所述驅動機構用于驅動所述激光雷達進行運動；

所述相機設置在所述激光雷達上，所述相機的光軸和所述激光雷達的接收光學系統(tǒng)的光軸平行；

所述計算機與所述相機和所述驅動機構連接，用于接收并顯示所述相機拍攝的圖像，以及對所述驅動機構進行驅動控制。

本發(fā)明實施例還提供了一種激光雷達的控制方法，該控制方法基于包括激光雷達、相機、計算機以及驅動機構的控制系統(tǒng)，其中，所述相機設置在所述激光雷達上，所述相機、驅動機構均與所述計算機連接，所述相機的光軸和所述激光雷達的接收光學系統(tǒng)的光軸平行，

所述控制方法包括：

所述相機拍攝圖像并發(fā)送給所述計算機；

所述計算機接收所述相機拍攝的圖像并顯示；

所述計算機獲取所述圖像上的確定的掃描范圍端點的像素坐標；

所述計算機根據所述相機的光學參數，將所述像素坐標轉換為所述激光雷達的掃描角度信息；

所述計算機根據所述掃描角度信息，控制所述驅動機構驅動所述激光雷達進行掃描運動。

本發(fā)明實施例的激光雷達的控制系統(tǒng)及控制方法，通過將相機拍攝的圖像在遠程的計算機系統(tǒng)上進行顯示，操作人員可以方便的通過拍攝圖像進行目標對象的定位，并通過計算機來控制驅動機構來驅動激光雷達進行運動，在整個運動的過程中，可以實時通過相機拍攝的圖像進行監(jiān)測和調整，從而實現精準定位。

上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉本發(fā)明的具體實施方式。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一的激光雷達的控制系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例二的相機的成像傳感器的坐標平面示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例三的激光雷達的控制方法的流程示意圖。

附圖標號說明：

激光雷達-1、相機-2、計算機-3、驅動機構-4。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。

實施例一

如圖1所示，其為本實施例涉及的激光雷達的控制系統(tǒng)的結構示意圖，其包括激光雷達1、相機2、計算機3以及驅動機構4。其中，這里的激光雷達可以是用于測量氣溶膠顆粒的米散射偏振微脈沖激光雷達。

驅動機構4用于驅動激光雷達1進行運動。這里所說的驅動機構可以是用于承載激光雷達的可轉動的底座以及直接固定激光雷達的可以使激光雷達進行俯仰運動的支架等機構(支架上可以與激光雷達通過轉軸連接)，底座以及支架等可以設置有步進電機以驅動底座轉動或者通過支架上的機構驅動激光雷達轉動。

相機2設置在激光雷達1上，相機2的光軸和激光雷達1的接收光學系統(tǒng)的光軸平行(圖1中的點劃線代表相機和激光雷達的光軸)。相機具體可以采用CCD相機。通過使相機的光軸與激光雷達的接收光學系統(tǒng)的光軸平行，使得相機的拍攝圖像與激光雷達的實際檢測方向一致，另外，由于相機直接設置于激光雷達之上，與激光雷達的接收光學系統(tǒng)距離很近，對于測量較遠區(qū)域的目標對象而言，可以大致認為相機的光軸與激光雷達的接收光學系統(tǒng)的光軸接近重合，因此，可以利用相機拍攝的圖像來實現精準的定位，即可以將相機作為一個瞄準機構來使用。

計算機3與相機2和驅動機構4連接，用于接收并顯示相機拍攝的圖像，以及對驅動機構進行驅動控制。本實施例中的計算機本身包括顯示設備，顯示設備可以實時顯示相機拍攝的圖像，操作人員可以通過觀察顯示設備上的圖像(必要時可以對圖像進行放大縮小以便于觀察)，在遠處遠程控制激光雷達的運動，從而將激光雷達對準目標對象。

需要說明的是，該計算機3也可以與激光雷達1連接(圖1中用虛線表示該連接關系)，來接收并處理激光雷達的顯示數據，當然計算機3也可以不與激光雷達1連接，針對激光雷達1的數據處理可以由其他計算機完成。

本實施例的激光雷達的控制系統(tǒng)，通過將相機拍攝的圖像在遠程的計算機系統(tǒng)上進行顯示，操作人員可以方便的通過拍攝圖像進行目標對象的定位，并通過計算機來控制驅動機構來驅動激光雷達進行運動，在整個運動的過程中，可以實時通過相機拍攝的圖像進行監(jiān)測和調整，從而實現精準定位。

實施例二

在本實施例中，著重針對激光雷達的掃描運動方式的控制來進行詳細說明。許多激光雷達需要對目標對象以掃描的方式進行檢測，例如，使用米散射偏振微脈沖激光雷達對指定區(qū)域的大氣進行掃描監(jiān)測，以確定該環(huán)境區(qū)域的污染物分布情況。

基于這樣的需求，在上述的計算機中，可以設置有掃描定位控制模塊，其用于基于相機拍攝的圖像對激光雷達的掃描范圍進行定位，并根據定位信息控制驅動機構驅動激光雷達進行掃描運動。

具體地，掃描定位控制模塊的具體操作可以包括如下操作：

a、獲取圖像上的確定的掃描范圍端點的像素坐標。這里所說的確定的掃描范圍端點即為相機拍攝的圖像上的點，該點的確定可以通過人為選擇的方式，例如，操作人員通過觀察圖像，然后通過鼠標在圖像上確定掃描范圍端點。

b、根據相機的光學參數，將像素坐標轉換為激光雷達的掃描角度信息。在本步驟的操作中，主要是將圖像上的掃描范圍端點的像素坐標轉換為激光雷達需要的掃描角度信息，掃描角度主要是指在水平方向上的轉動運動和在垂直方向上的俯仰運動的角度。

其中，相機的光學參數可以包括實時焦距為fd、基礎焦距為f₀(相機鏡頭變倍為1時的焦距)、光學放大倍率為M(這里是指在進行像素坐標轉換為激光雷達的掃描角度信息時相機所采用的光學放大倍率)，其中，相機的實時焦距fd＝M×f₀。相機的成像傳感器的尺寸為H×W，其中，H為成像傳感器的高度，W為成像傳感器的寬度，單位可以為毫米，成像傳感器的分辨率為像素分辨率為N_H×N_w，其中，N_H為垂直像素個數，N_w為水平像素個數，設像素坐標為(P_x，P_y)，其中，P_x和P_y的單位為像素的個數。

相對應地，掃描角度信息可以包括水平掃描角度范圍端點和/或俯仰掃描角度范圍端點激光雷達的當前水平方位角為當前垂直方位角為

基于相機的光學參數將像素坐標轉換為實際方位角的具體原理如下，如圖2所示，其為相機的成像傳感器(以CCD傳感器為例)的平面示意圖，如圖所示，中心點用O表示，圖中P點標識上述確定的掃描范圍端點，其坐標為(P_x，P_y)。

以O點作為原始的方位角，該P點相對于O點的水平方位角為：

該P點相對于O點的垂直方位角為：

其中，57.296＝180/3.14，其為弧度轉換角度系數。

基于上述參數和變換原理，上述的b部分的操作可以通過如下公式來進行計算：

通過如下公式確定水平掃描角度范圍端點

通過如下公式確定俯仰掃描角度范圍端點

其中，需要說明的是，上述涉及的各種角度，在水平方向和垂直方向分別使用各自統(tǒng)一的角度坐標基準。例如，在實際使用中，水平方向的轉動通過可旋轉底座來驅動激光雷達轉動，可以以其中某一個角度作為基準的0度，在規(guī)定好正負方向后，其他位置均以該0度位置為基準。同理，垂直方向的俯仰角度也可以以激光雷達處于水平狀態(tài)時作為0度，在規(guī)定好正負方向后，其他位置均以該0度位置為基準。

在實際的驅動控制中，垂直方向的俯仰運動和水平方向的水平轉動運動的驅動機構可以采用步進電機，通過計算機向步進電機發(fā)送指令來控制步進電機的運動，因此，計算機能夠實時記錄該激光雷達當前在水平方向和垂直方向所處的角度位置，即上述的當前水平方位角為當前垂直方位角為這個角度就是圖2中的O點所對應的方位角度(即前面提到的原始的方位角)。之后，當掃描范圍端點被確定后，可以根據上述公式(1)和公式(2)計算出圖2中的P點對應的方位角相對于O點對應的方位角的角度差異，即水平方向上角度差異為θ_w，垂直方向上的角度差異為θ_h，該當前方位角可以作為掃描運動的起點，然后，在獲取計算機記錄的當前的方位角度后，根據公式(3)和公式(4)，最終計算出水平掃描角度范圍端點和俯仰掃描角度范圍端點該掃描角度范圍端點可以作為掃描運動的終點。其中，和可以根據上述預先規(guī)定的正負方向來確定。

c、根據掃描角度信息，控制驅動機構驅動激光雷達進行掃描運動。在上面的操作b中，計算出最終的水平掃描角度范圍端點和俯仰掃描角度范圍端點后，計算機就可以控制驅動機構驅動激光雷達進行運動，例如可以最終轉換為針對步進電機的控制質指令來進行驅動控制。

具體地，可以以當前水平方位角為或者當前垂直方位角為掃描起始方位角，以水平掃描角度范圍端點或者俯仰掃描角度范圍端點為掃描終止方位角，操作c可以進一步包括：

c1、獲取掃描角度分辨率，其中，其中，該角度分辨率可以是預先設定好的，也可以是根據當前情況用戶自行設定的。該角度分辨率具體可以是激光雷達進行掃描檢測時，采集數據角度間隔，例如，每隔1度采集一次數據，相應地，在對激光雷達進行掃描運動的控制時，也可以以此為單位控制步進電機每轉動1度就停頓預定時間然后再進行轉動等操作。

c2、根據掃描角度分辨率、掃描起始方位角以及掃描終止方位角在掃描范圍內進行線性插值，獲得每個掃描點對應的水平方位角或者垂直方位角。插值的目的是確定最終的掃描點的角度，以便對激光雷達的掃描運動進行控制。

c3、根據每個掃描點對應的水平方位角或者垂直方位角，驅動激光雷達進行水平轉動或者俯仰運動。

此外，需要指出的是，上面說明了水平方向和垂直方向的角度計算和驅動控制，不過本領域技術人員應當理解，上述的掃描運動可以只在水平方向或者只在垂直方向，相應地，上述掃描角度計算也可以只計算水平方向的方位角或者垂直方向的方位角。

在本實施例中，通過獲取圖像上的確定的掃描范圍端點的像素坐標，并基于該像素坐標進行激光雷達的掃描驅動控制，能夠更加精準地進行激光雷達的掃描定位，實現提高激光雷達的掃描控制的便捷性，并且還可以充分利用計算機的圖像處理技術，對拍攝的圖像進行進一步地識別，從而能夠更加合理地確定掃描范圍端點。

實施例三

本實施例涉及的激光雷達的控制方法，該控制方法基于實施例一的控制系統(tǒng)，其具體包括激光雷達、相機、計算機以及驅動機構的控制系統(tǒng)，其中，相機設置在激光雷達上，相機、驅動機構均與計算機連接，相機的光軸和激光雷達的接收光學系統(tǒng)的光軸平行，如圖3所示，本實施例的控制方法包括：

步驟101：相機拍攝圖像并發(fā)送給計算機。

步驟102：計算機接收相機拍攝的圖像并顯示。

步驟103：計算機獲取圖像上的確定的掃描范圍端點的像素坐標。這里所說的確定的掃描范圍端點即為相機拍攝的圖像上的點，該點的確定可以通過人為選擇的方式，例如，操作人員通過觀察圖像，然后通過鼠標在圖像上確定掃描范圍端點。

步驟104：計算機根據相機的光學參數，將像素坐標轉換為激光雷達的掃描角度信息。

在步驟的操作中，主要是將圖像上的掃描范圍端點的像素坐標轉換為激光雷達需要的掃描角度信息，掃描角度主要是在水平方向上的轉動運動和在垂直方向上的俯仰運動。

其中，相機的光學參數可以包括實時焦距為fd、基礎焦距為f₀(相機鏡頭變倍為1時的焦距)、光學放大倍率為M(這里是指在進行像素坐標轉換為激光雷達的掃描角度信息時相機所采用的光學放大倍率)，其中，相機的實時焦距fd＝M×f₀。相機的成像傳感器的尺寸為H×W，其中，H為成像傳感器的高度，W為成像傳感器的寬度，單位可以為毫米，成像傳感器的分辨率為像素分辨率為N_H×N_w，其中，N_H為垂直像素個數，N_w為水平像素個數，設像素坐標為(P_x，P_y)，其中，P_x和P_y的單位為像素的個數。

相對應地，掃描角度信息可以包括水平掃描角度范圍端點和/或俯仰掃描角度范圍端點激光雷達的當前水平方位角為當前垂直方位角為

基于相機的光學參數將像素坐標轉換為實際方位角的具體原理在實施例二中已經進行了充分說明，在此不再贅述。

基于上述參數和實施例二中所說明的變換原理，在步驟104中，可以通過上述公式(3)和公式(4)計算出掃描角度信息，即計算出水平掃描角度范圍端點和/或俯仰掃描角度范圍端點

其中，需要說明的是，上述涉及的各種角度，在水平方向和垂直方向分別使用各自統(tǒng)一的角度坐標基準。例如，在實際使用中，水平方向的轉動通過可旋轉底座來驅動激光雷達轉動，可以以其中某一個角度作為基準的0度，在規(guī)定好正負方向后，其他位置均以該0度位置為基準。同理，垂直方向的俯仰角度也可以以激光雷達處于水平狀態(tài)時作為0度，在規(guī)定好正負方向后，其他位置均以該0度位置為基準。

在實際的驅動控制中，垂直方向的俯仰運動和水平方向的水平轉動運動的驅動機構可以采用步進電機，通過計算機向步進電機發(fā)送指令來控制步進電機的運動，因此，計算機能夠實時記錄該激光雷達當前在水平方向和垂直方向所處的角度位置，即上述的當前水平方位角為當前垂直方位角為這個角度就是圖2中的O點所對應的方位角度(即前面提到的原始的方位角)。之后，當掃描范圍端點被確定后，可以根據上述公式(1)和公式(2)計算出圖2中的P點對應的方位角相對于O點對應的方位角的角度差異，即水平方向上角度差異為θ_w，垂直方向上的角度差異為θ_h，該當前方位角可以作為掃描運動的起點，然后，在獲取計算機記錄的當前的方位角度后，根據公式(3)和公式(4)，最終計算出水平掃描角度范圍端點和俯仰掃描角度范圍端點該掃描角度范圍端點可以作為掃描運動的終點。其中，和可以根據上述預先規(guī)定的正負方向來確定。

步驟105：計算機根據掃描角度信息，控制驅動機構驅動激光雷達進行掃描運動。在上面的步驟104中，計算出最終的水平掃描角度范圍端點和俯仰掃描角度范圍端點后，計算機就可以控制驅動機構驅動激光雷達進行運動，例如可以最終轉換為針對步進電機的控制質指令來進行驅動控制。

具體地，可以以當前水平方位角為或者當前垂直方位角為掃描起始方位角，以水平掃描角度范圍端點或者俯仰掃描角度范圍端點為掃描終止方位角，該步驟105可以進一步包括：

1051、獲取掃描角度分辨率，其中，該角度分辨率可以是預先設定好的，也可以是根據當前情況用戶自行設定的。該角度分辨率具體可以是激光雷達進行掃描檢測時，采集數據角度間隔，例如，每隔1度采集一次數據，相應地，在對激光雷達進行掃描運動的控制時，也可以以此為單位控制步進電機每轉動1度就停頓預定時間然后再進行轉動等操作。

1052、根據掃描角度分辨率、掃描起始方位角以及掃描終止方位角在掃描范圍內進行線性插值，獲得每個掃描點對應的水平方位角或者垂直方位角。插值的目的是確定最終的掃描點的角度，以便對激光雷達的掃描運動進行控制。

1053、根據每個掃描點對應的水平方位角或者垂直方位角，驅動激光雷達進行水平轉動或者俯仰運動。

此外，需要指出的是，上面說明了水平方向和垂直方向的角度計算和驅動控制，不過本領域技術人員應當理解，上述的掃描運動可以只在水平方向或者只在垂直方向，相應地，上述掃描角度計算也可以只計算水平方向的方位角或者垂直方向的方位角。

本實施例的激光雷達的控制方法，通過將相機拍攝的圖像在遠程的計算機系統(tǒng)上進行顯示，操作人員可以方便的通過拍攝圖像進行目標對象的定位，并通過計算機來控制驅動機構來驅動激光雷達進行運動，在整個運動的過程中，可以實時通過相機拍攝的圖像進行監(jiān)測和調整，從而實現精準定位。進一步地，在本實施例中，通過獲取圖像上的確定的掃描范圍端點的像素坐標，并基于該像素坐標進行激光雷達的掃描驅動控制，能夠更加精準地進行激光雷達的掃描定位，實現提高激光雷達的掃描控制的便捷性，并且還可以充分利用計算機的圖像處理技術，對拍攝的圖像進行進一步地識別，從而能夠更加合理地確定掃描范圍端點。

本領域普通技術人員可以理解：實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成。前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括：ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。