一种用于动态跟踪的调频连续波激光雷达系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于动态跟踪的调频连续波激光雷达系统及方法，该系统包括：单腿机器人以及调频连续波激光雷达系统；单腿机器人包括第一电机、第二电机、髋关节和膝关节，第一电机和第二电机分别设置在髋关节的两侧，髋关节上设置有第一谐波减速器、第一绝对编码器，第一谐波减速器、第一绝对编码器与第一电机连接，第一电机驱动髋关节带动大腿运动；膝关节上设置有第二谐波减速器，第二电机通过皮带与第二谐波减速器传动连接，第二电机上连接有第二绝对编码器，准直透镜通过转接件安装在膝关节下部连接的小腿上；本发明专利技术通过激光雷达系统减少FMCW测量的非线性校正消耗的时间，实时分辨的雷达系统呈现了单腿机器人的腿部伸展和着陆的精确跟踪。着陆的精确跟踪。着陆的精确跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种用于动态跟踪的调频连续波激光雷达系统及方法


[0001]本专利技术涉及动态监测
,更具体的说是涉及一种用于动态跟踪的调频连续波激光雷达系统及方法。

技术介绍

[0002]由于人类和动物的视觉感知较慢，大概是50ms,而肌肉感知通过肌肉神经反射与肌电信号能够获取底层非意识的感知能力,响应速度快至约1ms、抗干扰能力强；为了获得像动物一样优异的环境适应能力，提升仿生机器人(如仿人双足机器人、仿动物多足机器人)感知技术是关键，特别是响应速度快、抗干扰能力强、能与机器人进行底层融合的传感器技术。
[0003]现有的腿式机器人具有强大的运动能力，能够克服具有挑战性的地形；腿式机器人行走、小跑或跳跃时，它的脚会触地并周期性摆动，撞击地面时足端在垂直于地面方向的高速运动会引起腿部的碰撞和震动，高动态机器人(腿足机器人)配备的内部传感器，如编码器、加速度计等，无法为其提供高实时运动状态监测。尤其在没有环境感知的情况下，腿式机器人无法快速响应以避免碰撞和冲击；
[0004]因此，对高速度和高加速度进行高实时分辨和精确跟踪对于表征高动态机器人的动态运动非常关键。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种用于动态跟踪的调频连续波激光雷达系统及方法，通过在单腿机器人上安装激光雷达，跟踪跳跃单腿机器人足端的位置、速度和加速度，实现对高动态机器人的高实时分辨和精确跟踪。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种用于动态跟踪的调频连续波(FMCW)激光雷达系统，其特征在于，包括：单腿机器人以及调频连续波激光雷达系统，所述调频连续波激光雷达系统包括：FMCW光源、第一耦合器、光环形器、准直透镜、第二耦合器、平衡光电探测器、数据采集卡以及处理器；FMCW光源、光环形器、准直透镜通过光纤依次连接，光环形器、第一耦合器连接到第二耦合器，第二耦合器、平衡光电探测器、数据采集卡以及处理器依次连接，FMCW光源通过信号电缆与数据采集卡连接；
[0008]所述准直透镜安装在所述单腿机器人上；所述单腿机器人包括第一电机、第二电机、髋关节和膝关节，所述第一电机和第二电机分别设置在所述髋关节的两侧，所述髋关节上设置有第一谐波减速器、第一绝对编码器，所述第一谐波减速器、第一绝对编码器与所述第一电机连接，所述第一电机驱动所述髋关节带动大腿运动；所述膝关节上设置有第二谐波减速器，所述第二电机通过皮带与所述第二谐波减速器传动连接，用于驱动所述膝关节，所述第二电机上连接有第二绝对编码器；所述膝关节下部连接小腿，所述准直透镜通过转接件安装在所述小腿上。
[0009]优选的，所述FMCW光源，用于发出连续调频激光以及同步电压信号，所述连续调频激光通过光纤入射到第一耦合器，第一耦合器将连续调频激光分成两束激光，其中，一束激光作为参考信号通过光纤入射到第二耦合器，另一束激光作为测量信号入射到光环形器，之后通过准直透镜发射到目标，并沿原始路径反射回来，得到测距信号；
[0010]所述准直透镜，采集测距信号，并经光环形器将测距信号入射到第二耦合器；
[0011]所述第二耦合器，将测距信号与参考信号耦合，得到混频光信号；
[0012]所述平衡光电探测器，与第二耦合器连接，形成拍频信号；所述平衡光电探测器包括光电探测二极管以及跨阻放大器；
[0013]所述数据采集卡，具有两个通道，同时记录混频光信号和同步电压信号，传输给处理器；
[0014]所述处理器，用于执行以下步骤：
[0015]设置激光源的注入电流的调制波形为对称三角波；
[0016]将测距信号与注入电流的对称三角波进行同步，同时离线获得激光频率与时间的非线性关系，其中，所述测距信号为测量信号经待测目标反射回来的信号；
[0017]在激光调制的每次向上扫描和向下扫描中，通过激光频率随时间变化的数值重采样进行激光频率与时间的非线性关系的线性化处理，并插入超过1000个间隔来校正非线性；
[0018]校正后的测距信号在设定周期中被拉伸或压缩，最后将校正后的测距信号恢复为在时域中均匀的波形。
[0019]优选的，所述转接件包括第一管夹结构、圆盘结构、第二管夹结构，所述第一管夹结构安装在所述小腿上，所述圆盘结构固定连接在所述第一管夹结构上，所述第二管夹结构可转动设置在所述圆盘结构上，所述准直透镜设置在所述第二管夹结构上；第二管夹结构相对于所述圆盘结构201的安装位置可调，通过调整所述安装位置调整准直透镜的安装角度，使所述单腿机器人以不同初始姿态跳跃时，准直透镜所发射的激光束垂直于地面。
[0020]优选的，所述圆盘结构上对称设置有两个圆弧槽，所述第二管夹结构的固定端通过两个螺钉分别穿设在两个圆弧槽上，通过调节所述螺钉，调节所述第二管夹结构相对于所述圆盘结构的安装位置，调整准直透镜的安装角度。
[0021]优选的，所述第一耦合器的耦合比为99：1，所述第二耦合器的耦合比为50：50。
[0022]本专利技术还提供一种用于动态跟踪的调频连续波(FMCW)激光雷达的方法，包括如下步骤：
[0023]设置FMCW光源的注入电流从160mA调制到480mA，获得160GHz的激光调频带宽，注入电流呈对称三角波，重复频率为20kHz；
[0024]将测距信号与注入电流的对称三角波进行同步，同时离线获得激光频率与时间的非线性关系，其中，所述测距信号为测量信号经待测目标反射回来的信号；
[0025]在激光调制的每次向上扫描和向下扫描中，通过激光频率随时间变化的数值重采样进行激光频率与时间的非线性关系的线性化处理；
[0026]测距信号在单腿机器人每个跳跃周期中被拉伸或压缩，根据激光频率的同步线性化对测距信号进行校正；
[0027]在校正后的频谱上获得清晰且稳健的拍频。
[0028]优选的，所述系统还包括：在一个跳跃周期内，每50μs获取一次距离、速度和加速度。
[0029]优选的，所述每个跳跃周期中计划的足部轨迹，包括腿部伸展、腿部收缩和足端着地。
[0030]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0031]本专利技术通过安装在单腿机器人小腿上的准直透镜，在单腿机器人移动的过程中通过FMCW光源通过向准直透镜发射目标信号，得到测距信号，并通过安装在电机上的绝对编码器测量电机的转速，从而获得单腿机器人的移动速度信号；通过本专利技术的激光雷达系统准确的测量可以为运动控制提供及时的预防措施，以减少碰撞，通过激光雷达系统放宽了激光源对相干性和线性度的严格要求，并减少FMCW光源测量的同步非线性校正所消耗的时间，实时分辨的雷达系统呈现了单腿机器人的腿部伸展和着陆的精确跟踪。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于动态跟踪的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，包括：单腿机器人以及调频连续波激光雷达系统，所述调频连续波激光雷达系统包括：FMCW光源、第一耦合器(113)、光环形器、准直透镜、第二耦合器(114)、平衡光电探测器、数据采集卡以及处理器；FMCW光源、光环形器、准直透镜通过光纤依次连接，光环形器、第一耦合器(113)连接到第二耦合器(114)，第二耦合器(114)、平衡光电探测器、数据采集卡以及处理器依次连接，FMCW光源通过信号电缆与数据采集卡连接；所述准直透镜(112)安装在所述单腿机器人上；所述单腿机器人包括第一电机(101)、第二电机(104)、髋关节和膝关节，所述第一电机(101)和第二电机(104)分别设置在所述髋关节的两侧，所述髋关节上设置有第一谐波减速器(102)、第一绝对编码器(103)，所述第一谐波减速器(102)、第一绝对编码器(103)与所述第一电机(101)连接，所述第一电机(101)驱动所述髋关节带动大腿运动；所述膝关节上设置有第二谐波减速器(105)，所述第二电机(104)通过皮带(108)与所述第二谐波减速器(105)传动连接，用于驱动所述膝关节带动小腿运动，所述第二电机(104)上连接有第二绝对编码器(106)；所述膝关节下部连接小腿(111)，所述准直透镜(112)通过转接件安装在所述小腿(111)上。2.根据权利要求1所述的用于动态跟踪的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述FMCW光源，用于发出连续调频激光以及同步电压信号，所述连续调频激光通过光纤入射到第一耦合器(113)，第一耦合器(113)将连续调频激光分成两束激光，其中，一束激光作为参考信号通过光纤入射到第二耦合器(114)，另一束激光作为测量信号入射到光环形器，之后通过准直透镜发射到目标，并沿原始路径反射回来，得到测距信号；所述准直透镜(112)，采集测距信号，并经光环形器将测距信号入射到第二耦合器(114)；所述第二耦合器(114)，将测距信号与参考信号耦合，得到混频光信号；所述平衡光电探测器，与第二耦合器(114)连接，形成拍频信号；所述平衡光电探测器包括光电探测二极管以及跨阻放大器；所述数据采集卡，具有两个通道，同时记录混频光信号和同步电压信号，传输给处理器；所述处理器，用于执行以下步骤：设置激光源的注入电流的调制波形为对称三角波；将测距信号与注入电流的对称三角波进行同步，同时离线获得激光频率与时间的非线性关系，其中，所述测距信号为测量信号经待测目标反射回来的信号；在激光调制的每次向上扫描和...

【专利技术属性】
技术研发人员：林静，叶树生，孙彩明，石武，张爱东，
申请(专利权)人：香港中文大学深圳，
类型：发明
国别省市：