【光电探测】激光导航原理及应用
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这也是目前激光导航主要的研究方向。
目前在市场，各类机器视觉与激光雷达一片火热。
截至2018年10月，已经有近十家机器视觉公司完成千万级融资， 激光雷达企业速腾聚创完成由菜鸟、上汽、北汽投资的行业单笔最大融资 ——3亿。
PART
03
关键技术
PERFORMANCE ANALYSIS
3.1 移动机器人导航关键技术
lO'G xc x0 lCG yc y0
由三角形余弦定理可知：
cosCO'G lc2 lO'G2 lCG 2 2lclO'G
由和关系知： CO'G 可得为： arccos(lc2 lO'G 2 lCG 2 - )
2lclO'G
综上，最终确定的AGV位姿为(x0 , y0 , )
反光板法：在环境周围布置反光板，测量出每块板的坐标，根据三边测量定位 算法计算出激光雷达的坐标，从而实现对移动机器人的定位。
SLAM ：将移动机器人放入未知环境中，从未知位置开始运动，在运动过程中通 过反复观测地图特征进行定位并确定自身姿态，再根据当前位置构建增量式地图 ，实现自主定位与导引。
3.3 定位
移动机器人导航就是移动机器人自主地完成某项预定任务的过程。
主要问题： (1) “我现在在何处” (2) “我要去何处” (3) “我要如何去”
3.2 定位
激光导航采用光学三角测距技术，计算出被测物体到激光雷达的距离及夹角，
其定位方式有反光板法和 SLAM（simultaneous localization and mapping, 同步定位与地图创建）算法。
位姿确定示意图
3.4 地图构建
地图构建也是机器人实现自主导航行动的前提。 虽然环境地图可以通过事先人为绘制并提供给机器人设备，但由于这类人为绘制 的地图与机器人传感器所观测的数据存在区别。
相同环境下，由人工绘制的CAD图（左）和由机器人使用激光雷达自主绘制的地图（右）对比
3.4 地图构建
特征地图就是由那些从环境中提取出来的特征所构成。
----激光制导武器
基本原理：
用激光器发射激光束照射目标,装于弹体上的激光 接收装置则接收照射的激光信号或目标反射的激光 信号,算出弹体偏离照射或反射激光束的程度,不断调 整飞行轨迹,使战斗部沿着照射或反射激光前进,最终 命中目标。
激光制导
2.1 军用领域：
----激光制导武器
优点：命中精度高、捕获目标灵活、作战实效成本 低、导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单、可 同时攻击多个来袭目标（即把激光信号经过编码以 数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标）
不足：受大气及战场条件影响较大，不能全天候工 作等。
激光制导
2.2 民用领域：
----激光导航机器人
交互机器人
扫地机器人
Leabharlann Baidu
AGV
(Automated Guided Vehicle)
2.3 激光导航机器人蓬勃发展
这些机器人正在朝着更加智能化、无人化的方向演变， 其导航技术的不断发展与创新是一个非常值得关注的话题。
因此，在使用栅格地图时，为了不顾此失彼，必 须选择适合的栅格尺寸，以便能够兼顾地图精度和存 储空间与计算量的要求。
1.4 特点
激光导航优点 定位精确，反射物体无需其它定位设施，黑暗处也 可行驶路径灵活改变；
激光导航缺点 由于控制复杂及激光技术昂贵投资成本较高，反射 物体与激光传感器之间不能有障碍物，不适合空中 有物流影响的场合。
激光导航
PART
02
主要应用
Main Application
2.1 军用领域：
图3.1 由点特征表示的特征地图
3.4 地图构建
栅格地图将地图划分为一个个小的单元格（栅格），每一个栅格代表环境中的一个小的矩
形区域，其值代表该区域被物体占据的可能性。
图3.2 栅格地图
在较小的环境中，栅格地图是一种十分有效的环 境表示方法，而且直观、易于扩展和便于维护。
但是，在大规模环境中，一方面，为了获得环境 的细节，方便精确的位姿估计，栅格尺寸越小越好； 然而，另一方面，由于存储空间和计算量正比于栅格 数量，又希望栅格数量尽可能少，即栅格尺寸尽可能 大，这就形成一对矛盾。
--反光板法
3.3 定位
--反光板法
如图所示，以 AGV 行驶区域建立直角坐标系 XOY，点 A、B、C 表示激光雷达当前扫描到 的反光板，已知其坐标分别为(xa, ya)、 (xb,yb)、(xc,yc)，点 D 为 AGV 当前所在位置， 设其坐标为(x0, y0) ，车载激光雷达测出到 A、 B、C 三个反光板的距离分别为la、lb、lc 。 由点之间的坐标及距离关系可得:
激光导航
原理及应用
汇报人：***
概念原理 01 典型应用 02
关键算法 03 发展前景 04
CONTENTS
目 录
PART
01
什么是激光导航？
OVERALL DESCRIPRNTION
1.1 基本概念
激光导航系统是伴随激光技术不断成熟而发展起来 的一种新兴导航应用技术
适用于视线不良情况下的运行导航、野外定向勘测； 机器人、车辆等自动驾驶领域
对于一个配有激光雷达传感器的室内 AGV 而言，特征地图常采用点、直角、线段、圆弧等 几何元素来表示环境。
这些特征包含定位所需要的位置和方向等必要的信息，如点特征可用其在二维坐标系下的坐 标(x,y)表示，直角特征可用其顶点坐标(x,y) 和其中一条边的方向θ表示。
信息简洁高效、兼容性强 无法精细地表现环境的细节
激光三点定位原理图
3.3 定位
--反光板法
对上式进一步化简：
消去参数：
激光三点定位原理图
3.3 定位
--反光板法
如图所示，为机器人位姿示意图，其中 XOY 为全局直角坐标系 ，X’O’Y’是以机器人车体建立的局部坐标系，规定X’正方向为车 辆当前行驶方向。 反光板 C 在局部坐标系中的方位角为α，求解 AGV 位姿问题转化 为求 X’轴与 X 轴夹角问题，即图中β值，具体求解过程如下。
民用、军用领域蓬勃发展
1.2 主要原理
利用激光的准直性和不发散性对需要导航物体所
处的位置进行精确定位以达到指导需要导航物体前 进的方向，行驶路径的周围需要可以反射的物体， 需要导航物体通过发射激光束，同时采集由反射物 体反射的激光束，来确定其当前的位置和方向。
激光
1.3 不同导航方式对比
激光导航
目前在市场，各类机器视觉与激光雷达一片火热。
截至2018年10月，已经有近十家机器视觉公司完成千万级融资， 激光雷达企业速腾聚创完成由菜鸟、上汽、北汽投资的行业单笔最大融资 ——3亿。
PART
03
关键技术
PERFORMANCE ANALYSIS
3.1 移动机器人导航关键技术
lO'G xc x0 lCG yc y0
由三角形余弦定理可知：
cosCO'G lc2 lO'G2 lCG 2 2lclO'G
由和关系知： CO'G 可得为： arccos(lc2 lO'G 2 lCG 2 - )
2lclO'G
综上，最终确定的AGV位姿为(x0 , y0 , )
反光板法：在环境周围布置反光板，测量出每块板的坐标，根据三边测量定位 算法计算出激光雷达的坐标，从而实现对移动机器人的定位。
SLAM ：将移动机器人放入未知环境中，从未知位置开始运动，在运动过程中通 过反复观测地图特征进行定位并确定自身姿态，再根据当前位置构建增量式地图 ，实现自主定位与导引。
3.3 定位
移动机器人导航就是移动机器人自主地完成某项预定任务的过程。
主要问题： (1) “我现在在何处” (2) “我要去何处” (3) “我要如何去”
3.2 定位
激光导航采用光学三角测距技术，计算出被测物体到激光雷达的距离及夹角，
其定位方式有反光板法和 SLAM（simultaneous localization and mapping, 同步定位与地图创建）算法。
位姿确定示意图
3.4 地图构建
地图构建也是机器人实现自主导航行动的前提。 虽然环境地图可以通过事先人为绘制并提供给机器人设备，但由于这类人为绘制 的地图与机器人传感器所观测的数据存在区别。
相同环境下，由人工绘制的CAD图（左）和由机器人使用激光雷达自主绘制的地图（右）对比
3.4 地图构建
特征地图就是由那些从环境中提取出来的特征所构成。
----激光制导武器
基本原理：
用激光器发射激光束照射目标,装于弹体上的激光 接收装置则接收照射的激光信号或目标反射的激光 信号,算出弹体偏离照射或反射激光束的程度,不断调 整飞行轨迹,使战斗部沿着照射或反射激光前进,最终 命中目标。
激光制导
2.1 军用领域：
----激光制导武器
优点：命中精度高、捕获目标灵活、作战实效成本 低、导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单、可 同时攻击多个来袭目标（即把激光信号经过编码以 数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标）
不足：受大气及战场条件影响较大，不能全天候工 作等。
激光制导
2.2 民用领域：
----激光导航机器人
交互机器人
扫地机器人
Leabharlann Baidu
AGV
(Automated Guided Vehicle)
2.3 激光导航机器人蓬勃发展
这些机器人正在朝着更加智能化、无人化的方向演变， 其导航技术的不断发展与创新是一个非常值得关注的话题。
因此，在使用栅格地图时，为了不顾此失彼，必 须选择适合的栅格尺寸，以便能够兼顾地图精度和存 储空间与计算量的要求。
1.4 特点
激光导航优点 定位精确，反射物体无需其它定位设施，黑暗处也 可行驶路径灵活改变；
激光导航缺点 由于控制复杂及激光技术昂贵投资成本较高，反射 物体与激光传感器之间不能有障碍物，不适合空中 有物流影响的场合。
激光导航
PART
02
主要应用
Main Application
2.1 军用领域：
图3.1 由点特征表示的特征地图
3.4 地图构建
栅格地图将地图划分为一个个小的单元格（栅格），每一个栅格代表环境中的一个小的矩
形区域，其值代表该区域被物体占据的可能性。
图3.2 栅格地图
在较小的环境中，栅格地图是一种十分有效的环 境表示方法，而且直观、易于扩展和便于维护。
但是，在大规模环境中，一方面，为了获得环境 的细节，方便精确的位姿估计，栅格尺寸越小越好； 然而，另一方面，由于存储空间和计算量正比于栅格 数量，又希望栅格数量尽可能少，即栅格尺寸尽可能 大，这就形成一对矛盾。
--反光板法
3.3 定位
--反光板法
如图所示，以 AGV 行驶区域建立直角坐标系 XOY，点 A、B、C 表示激光雷达当前扫描到 的反光板，已知其坐标分别为(xa, ya)、 (xb,yb)、(xc,yc)，点 D 为 AGV 当前所在位置， 设其坐标为(x0, y0) ，车载激光雷达测出到 A、 B、C 三个反光板的距离分别为la、lb、lc 。 由点之间的坐标及距离关系可得:
激光导航
原理及应用
汇报人：***
概念原理 01 典型应用 02
关键算法 03 发展前景 04
CONTENTS
目 录
PART
01
什么是激光导航？
OVERALL DESCRIPRNTION
1.1 基本概念
激光导航系统是伴随激光技术不断成熟而发展起来 的一种新兴导航应用技术
适用于视线不良情况下的运行导航、野外定向勘测； 机器人、车辆等自动驾驶领域
对于一个配有激光雷达传感器的室内 AGV 而言，特征地图常采用点、直角、线段、圆弧等 几何元素来表示环境。
这些特征包含定位所需要的位置和方向等必要的信息，如点特征可用其在二维坐标系下的坐 标(x,y)表示，直角特征可用其顶点坐标(x,y) 和其中一条边的方向θ表示。
信息简洁高效、兼容性强 无法精细地表现环境的细节
激光三点定位原理图
3.3 定位
--反光板法
对上式进一步化简：
消去参数：
激光三点定位原理图
3.3 定位
--反光板法
如图所示，为机器人位姿示意图，其中 XOY 为全局直角坐标系 ，X’O’Y’是以机器人车体建立的局部坐标系，规定X’正方向为车 辆当前行驶方向。 反光板 C 在局部坐标系中的方位角为α，求解 AGV 位姿问题转化 为求 X’轴与 X 轴夹角问题，即图中β值，具体求解过程如下。
民用、军用领域蓬勃发展
1.2 主要原理
利用激光的准直性和不发散性对需要导航物体所
处的位置进行精确定位以达到指导需要导航物体前 进的方向，行驶路径的周围需要可以反射的物体， 需要导航物体通过发射激光束，同时采集由反射物 体反射的激光束，来确定其当前的位置和方向。
激光
1.3 不同导航方式对比
激光导航