第
17卷第1期2018年1月
北京工业职业技术学院学报
JOURNAL OF BEUIIVG POLYTECHNIC COLLEGE
No. 1 Vol. 17Jan. 2018
一种基于激光雷达无人车的障碍物探测系统设计
王会
侯勇
侯世亮
(北京工业职业技术学院机电工程学院，北京100042)
摘要:针对激光雷达具有高精度和高分辨率，非常适合在无人车上应用的特点，阐述无人车技术领域中激 光雷达探测障碍物系统的原理，并根据应用情况对激光雷达进行选型，设计一套完整的基于激光雷达数据的 障碍物信息采集系统，可对地面无人车平台的研究提供参考。关键词：无人车；障碍物探测；激光雷达
中图分类号:TP274;TN958.98 文献标识码:A
DOI：10.3969/j.issn. 1671 -6558.2018.01.002
文章编号：1671 -6558 (2018 )01 -04 -04
Desij+n of Laser Radar Obstacle Detection System for Unmanned Vehicles
WANG Hui
HOUYong
HOU Shiliang
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Polytechnic College，Beijing 100042，China)
Abstract ： Due to
the
high
precision
and
high
resoliution of laser radar，laser
radar
is
cles. This paper describes the principle of laser radar obstacle detection systemin the field of unmanned vehicle. The laser radar is selected according to its application，and a complete obstacle information acquisition system is designed based on laser radar data. This system can provide reference for the research of unmanned ground vehicle platform.Key words ： unmanned vehicle; obstacle detection ； laser radar
0引言
无人车辆和智能车辆研究领域中，大量应用了
和智能车辆研究领域中，关于行驶环境中障碍物探测 的研究，已提出了许多实施手段和算法。基于激光雷 达传感器对障碍物进行探测是其中最为重要的方法。
基于激光雷达传感器对障碍物进行探测是一种 主动型检测方法，主动式又称为接触式，检测方法主 要有基于激光雷达、毫米波雷达、声纳等方法[1]。
激光雷达是通过一个旋转的反射镜将光线发射 出去，通过测量发射光线与反射光线之间的时间间 隔，来测量间距的。激光的单色性好、亮度高、定位 精度高、分辨率高、利于克服地面杂波的干扰、灵敏
雷达作为车载传感器来探测和感知周围环境达到无 人驾驶和辅助驾驶的目的。雷达传感器采集的环境 数据信息的准确性和实时性，直接影响到无人车对 外界环境模型的建立，进而影响无人车辆自主驾驶 性能的实现。1
背景概述
无人车行驶环境中的障碍物探测是无人车辆自 主导航系统的关键技术之一。在国内外的无人车辆
收稿日期:2017-10-24
基金项目:2016年北京工业职业技术学院重点科研课题（
BGZYKYZ201602)。
作者简介:王会（1978 -),女，河北定州人，工学硕士,副教授，主要从事汽车专业教学与研究工作。
第1期王会，等：一种基于激光雷达无人车的障碍物探测系统设计5
度高，而 佳。基激 平台导航与
激
受 的 ，在黑暗的 中效果尤移
人
2测
激光雷达障碍物探测系统设计思想由
人 在
行 状态 对 方障碍物
，综合考虑
、精度和时间响应的要求
的这 点，其在 避障
广泛的应用。要求较高的场合。激光的固定位置和角度有关。由
在一^平面上扫描，因此扫描时间短，速种工况对障碍物探测器的要求，障碍物探测器的 种工作模式。这 要对本项目选用的
LMS151激 的使用参数 定设定（扫描角度180。，角度分辨率0.5。，扫描 度快，精度高，适用于对
，该平面与激 激
返回的数据代表了前方某一平面上障碍物的距离
数据量少，因此对数据准确性的要求更高，
37.5 Hz)，以
人车在一定速度下对障碍物探测进而实施避障
必须有效地消除干扰。另外要从激 返回的大量
数据进行精简， 出计算机能够理解的
。
针对这2
，人们进行了很多探索[2]。
段琢华等对激 出一种鲁棒测量模型。
首先利用分段 的方法对激
的异常测量射
线进行检测并滤除；然
出逆向射线跟踪技术用
计算扫描射线的期望距离以及似然概率;最选 择高似然度的射线计算整体似然概率，从而滤除被 态障碍干扰的射线[3]。
于金霞等人基于 SOM ( Self - Organizing Feature
Mapping)方
出 种 征 的方法。通
过激 X对运行前方 的扫描获得的 障碍
，利用近邻方法对障碍空间分类进行特征 的方法进行评估。在此基础上，将SOM方法应用于 激 中的线段、角点等特征提取，实验结果表
方法的
[)_5]。
激 旋转的且转速可调的
激光发生器，发出的激光脉冲以放射状扫过LMS
(Laser Measurement System)单兀前面一■定范围。基
间飞行原理，在激 测量 之内，当障碍
物将激光脉冲反射回来之后，即可计算出障碍物与
激
之间的距离，即可标定激
方
2维测量区域。
1 示。
图1激光雷达工作原理
作的要求。另外，如果要 的
避障作，激 测到的障碍物数据必须
在一
控制
以上的数据采集、处理和传
。
3传感器的设计 3.1传感器的选型
由 干式激
对激
（Laser Di-Oe)的要求很高，因此很少使用。目
，国外的激 测距 使用较多的是脉冲式和 式激光测距。而
式激光测距 测距精度较高，但由
理上的缺陷，存在二义
，因此测量距
离受到最大调制 长的，且其测量速度慢于
脉冲式激
。
在无人 主导航中，需要注意的 大
在 方1 m 100 m的 。与要注意的
，0. 1 m的距离分辨
全能够满足实
障碍物探测需要。因此，对激 的选择重要的是探测 而不是探测精度，脉冲式激光雷
更适合
人
的障碍物探测
。经合
，在人车辆的自主导航 中，脉冲式激光
是最佳选择。考虑
、
、
的稳定性等因素，本研选用了在无人
应用最为广泛的德国施克（SICK)公司的LMS151 距离型室外型激 作为障碍物检测手
段。该激 的特点是&(1) 距离远，最大
可达50 m# 角度 大，最大可达180°;(2)
角度测量精度高，可 0.25。（3)扫描时间短，最
大扫描
50Hz，可以 较高 的实要求；（4) 校
，对
线变
敏感，适用
外 。
LMS151
标 表 1 示。
6
北京工业职业技术学院学报
第17卷
表1 LMS151激光雷达性能指标表最大探测距离\"50 m角度分辨率#0.25 °扫描频率\"50 Hz系统误差#30 mm数据接口以太网
防护等级IP65以上
激光安全等级1工作温度
-10 j -50 j
LMS151激光雷达数据输出支持网口通讯模
式，支持 9600 Zps、19200 Zps、38400 bps 和 500 kbps 的波特率，雷达上电后默认为9600 Zps，之后可以用 应用软件设置为其他波特率。
3.2传感器参数设定
LMS151激光测距雷达传输的数据由起始字
节、地址、数据长度、指令码、测量数据、传感器状态
码、CRC校验码等部分组成。在连续测量、传输全 部数据的情况下，每次扫描包括361点的数据，每个 测量点的距离值以2个字节表示，再加上起始标志、 地址码、数据长度标志位、传感器状态码、CRC校验数
据，一共为5856 Z;
。而每个扫描周期为37.5 Hz，为
保证数据的及时传输，通讯接口最低传输速率应该为 5856 x37.5 =219.6 kBAU8。如表！所示。
表！激光雷达的数据组成
STXADRLenCMDDataLen
Data . . . StatusCRC
8
8
16
8
16
nx16(n = 361)
8
16
为了满足实时性的需要，激光雷达探测到的障 碍物数据的传输速率必须至少大于！1& */08,并 且还要考虑留有一定的余量。
最终激光雷达的实用参数设置为扫描角度 180°，角度分辨率0.5°，扫描频率50 Hz。3.3雷达数据的滤波处理
激光雷达测距数据中包含的噪声干扰主要源自 环境中与激光雷达相近频率成分的光源干扰和混合 像素干扰。同时，也存在测量目标反射率太小或者 入射角较大造成的数据丢失；障碍遮挡造成的扫描 盲区;激光雷达扫描线之间的间隙而未能扫描的空 间区域。在导航过程中，由于以上影响激光雷达测 距精度的因素存在，可能导致不精确的障碍检测，因
此需要对其进行滤波处理。
激光雷达的测距数据表现为在每个极坐标测量 角度方向上相邻时刻的测量值具有相关性;同时，在 同一组测量的相邻扫描角度上的测量值也存在较大 相关性。因此，采用在线滚动的动态自适应滤波 8AF (Dynamic Adaptive Filter)消除障碍检测中的噪 声干扰。
针对极坐标表示的激光雷达测距数据（P'， %')，建立以P'为中心的3 x3的数据分析窗口：
Pi-1，j-1 yPi-1,jyPi-1,J + 1P'-1，$，4 $，41P'1，y-1，P'1\"，P'1，y + 1
其中，P'表示从扫描光心到第；个障碍的距离； %'表示从第j个障碍扫描方向到主扫描方向（05 的角度;下标i是测距数据的采样时刻y是测距数 据在同一组数据包中的排列序号，则在数据分析窗 口中的9个测距数据具有时间与空间上最大的相关 。
P'与邻近测距数据之差为
!$mn =m;+ IP'6 + S -P'l，67 二―1，0，1，且 67
不同时为0丨 （1)
是时间与空间上相邻测距数据的最小差
值，简称邻近差值。如果！$；>&，则测距数据
就当作测量噪声而不进入障碍的检测评估。其中，8 表示探测的距离，&是激光雷达测距系统误差值， 通过对激光雷达在不同距离测距数据的统计分析获 表3。
表3
不同距离测距系统误差值
8#5
5 < 8#10
10 30 < d# 508d = 0. 03 8d = 0. 036Sd = 0. 04Sd 二 095Sd = 0. 06
采用8AF能够有效地滤除各类脉冲干扰噪声 与大部分的混合像素干扰。
4
测距软件开发
激光雷达测距软件基于数据采集计算机，应用
C语言开发，该软件主要实现以下几方面的功能：
(1)建立和管理计算机与激光雷达的数据通
讯；（2)对激光雷达进行设置和控制；（3)实时采集 激光雷达的测距数据，并对采集数据进行处理；（4) 以图形的形式显示测距结果，并以文本的形式输出 具体的测距结果；（5)将测距结果发送给规划计算 机。
第1期王会，等：一种基于激光雷达无人车的障碍物探测系统设计7
测距 包括高 通讯、 置和控制、
块。向激光
序号
12345
表4激光雷达扫描模式
数据采集和处理、通讯、软件界面等
扫描
180 0180 0100 〇100 〇100 〇
角度辨
1 〇0.5 〇1020.5 00.25 0
每扫描测距数
181361101201401
4.1雷达的设置和控制
的设置和控制模块通过工控机 发
置、扫描模式设置、开测距和停
测距的 。 置可以设置 为
9600 bps, 19200 bps, 38400 bps 或 500 kbps,其中 500 kbps为常用模式。激 所示。开测距 使激 通过 发 测距数 , 的测距扫描。
的扫描模式如表4开始测距扫描，并
测距 激
通
发 的。激
，通过使用上位计算机向激 ，可以
激
上电之后的通信步
2所示。
达
种模式的目
图2激光雷达上电之后的通信流程
4.2激光雷达与数据采集计算机
激 必须将其转
的
的建立为9600 bps，的
发
为，将返回确应后发置转和响
500 kbps，设置过程如下&
(1)数采集计算机设定
9600 bps;(2)计算机通过 向
定为设置模式#(3)
，
成500 kbps;(5)
接
和响应数据；（4)计算机
的通
接到命令后返回
应数据;（6)计算机进一步设置扫描角度，角度分辨 率等 ，设置 。4.3数 和处理
数据采集和处理模块是测距 中的
采用消息机制，
，然由数据接
的核心内容。数
发送消开始
数处理。扫描模式，每
中不包括角度值，其角
坐标，
采数
c
扫描测距数据数。每测距数据是从 的依次的测距值数列，数 的
标，可以用公式转
程 3 示。
度值由其在数列中的位置确定，测距值是相对
数据处理结束）
图3
雷达采集数据流程图
(下转第22页）
22
参考文献
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型在上海国际旅游度假区某主
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(责任编辑：刘莉宏）
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
(上接第7页）
检测的实际效果如图4所示。
面无人车平台提出了可 够 的
引玉，并对 作用。
考的体
，希望
的相关设计人 定
参考文献
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[4] 金霞，
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兴，段琢华.基于激
的环境特征提取
通过激 测的 果图可以看出，激的激光雷达数据采集
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1552.
的选型合理，避障
果。
5
结论
[5] 于金霞，蔡自兴，段琢华.基于激光雷达的移动机器人运
目标检测与跟踪[J].电子器件，2007,30(6):2301 -
2306.
依
基于激
研究的成果，设计 数据的障碍物
采
套 的
，针对地
(责任编辑：刘莉宏）
