基于三角測距原理的3維激光雷達的設(shè)計

谷汝楠+許宗陽+張宸+張雨閣+李枝亮

摘 要：該文針對傳統(tǒng)的工業(yè)激光雷達成本較高，操作復(fù)雜等不足，提出了成本較低的基于三角測距原理的3維激光雷達的設(shè)計。通過實際掃描實驗顯示3維激光雷達在10 m內(nèi)都能正確識別物體形狀，誤差水平在5 mm左右。因此，完全可以在大多數(shù)場合下替代傳統(tǒng)的工業(yè)激光雷達使用。

關(guān)鍵詞：三角測距 激光雷達 點云 光點提取

中圖分類號：O439 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（a）-0003-02

激光雷達通過激光主動探測即可快速獲取物體表面的信息數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代測量技術(shù)的新手段。同時激光雷達的點云數(shù)據(jù)的重建在多媒體、產(chǎn)品設(shè)計、醫(yī)學(xué)、動畫業(yè)等許多領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛應(yīng)用。但是市面上的激光雷達系統(tǒng)普遍價格高昂，這對普及激光雷達的使用帶來了極大的阻礙。針對這一現(xiàn)狀該文研制了基于三角測距原理的3維激光雷達，這一系統(tǒng)成本極低、使用方便、適應(yīng)性強，因此能夠極大的普及激光雷達的使用。

1 3維激光雷達掃描測量原理

激光雷達現(xiàn)在普遍采用的測量方法有兩種：第一種是利用相位差和時間差進行的TOF測距，第二種是三角測距。因為第一種方式所要實現(xiàn)的硬件設(shè)備成本較高，所以該文采用的是第二種成本較低的三角測距。這也是該文實現(xiàn)低成本激光測距的關(guān)鍵，因為三角測距不需要用到TOF測距所要求的復(fù)雜硬件設(shè)備，并且在一定范圍之內(nèi)，三角測距也可以達到與TOF測距相媲美的測距精度和分辨率。

1.1 激光雷達三角測距原理

圖1中展示了對測量對象（Object）距離激光器的距離為d的示意圖。圖1中的Imager是攝像頭，Laser是點狀激光器，標(biāo)有s的線段可以看成是一個固定攝像頭和激光器的平面。攝像頭成像平面與該固定平面平行，而激光器發(fā)出的射線與該平面夾角beta僅存在于圖中的視圖中。所以由圖1可以得到如下公式：

公式1中的s 為激光器中心與攝像頭中心點距離；f 為攝像頭的焦距；x 為物體上激光光點在攝像頭感光元件上的成像到一側(cè)邊緣的距離。公式（1）和（2）就是三角測距的基本原理。

2 3維激光雷達電子系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2中的流程圖，該文所設(shè)計的3維激光雷達的電子系統(tǒng)主要由三大部分組成。第一部分是由鍵盤輸入、串口通信、數(shù)碼管顯示、供電電源模塊組成的子模塊系統(tǒng)；第二部分是STM32單片機為內(nèi)核的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；第三部分為線性激光器和攝像頭、舵機組成的掃描系統(tǒng)。其中子模塊系統(tǒng)組成十分簡單，在此不做贅述。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6這一款芯片，它擁有高速的處理速度，是當(dāng)前嵌入式產(chǎn)品的一款主流芯片。由線性激光器掃描得到的距離數(shù)據(jù)和攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)在STM32單片機中進行初步的處理和擬合然后才能被送到PC中進行最后的處理和顯示。

掃描系統(tǒng)是通過控制舵機步進轉(zhuǎn)動來配合攝像頭與線性激光器來得到一組點云數(shù)據(jù)。首先打開線性激光器，線性激光和被測物體表面相交形成一條起伏變化的亮線。這條亮線最終成像在攝像機的感光元件面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變成電信號后，再送入STM32單片機中由三角測距原理測出這條亮線上各點的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。再由舵機帶動線性激光器做步進轉(zhuǎn)動，使激光平面在物體表面上掃描，從而得到關(guān)于被測物體表面信息的一組點云數(shù)據(jù)。

機械結(jié)構(gòu)主要為舵機云臺的搭建，要注意線性激光器與s平面的夾角beta不能過大，在70～90 deg之間最好，該文選取的是83 deg。同時需要移除攝像頭的紅外截止濾光片，不然攝像頭對紅外光的感應(yīng)很弱，無法進行正常的信息采集。

3 3維激光雷達的圖像處理與矯正

通過線性激光器和攝像頭掃描得到的原始數(shù)據(jù)激光光點信息不明確，如果直接進行數(shù)據(jù)重建很容易出現(xiàn)錯誤。故需要知道激光光點的準(zhǔn)確坐標(biāo)。對于一般的點狀激光器可以通過質(zhì)心法進行求解，當(dāng)然對于線性激光器也可以通過類似的過程應(yīng)用線性插值求質(zhì)心的方法求得相應(yīng)的一列激光光點坐標(biāo)。不過過程較為復(fù)雜且運算量較大。因此該文采用了一種新的求激光光點坐標(biāo)的方法。即將激光亮線看成是符合高斯分布的，通過計算這個高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的過零點坐標(biāo)，即為原高斯函數(shù)的峰值，也就是需要求取的光點坐標(biāo)。

因為該設(shè)計采用的是廣角無畸變攝像頭，故攝像頭畸變矯正較為簡單，該文采取了傳統(tǒng)的棋盤法進行矯正，并將矯正數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB的Camera Calibration Toolbox工具箱中進行數(shù)據(jù)擬合從而得到矯正后的攝像頭數(shù)據(jù)。

對測距參數(shù)的矯正采用實測法，即通過實際測量的距離數(shù)據(jù)與線性激光器所測得的距離數(shù)據(jù)進行擬合來達到對線性激光器測距參數(shù)進行矯正的目的。

最后將矯正處理過后所測得的點云數(shù)據(jù)通過公式（3）進行激光光點的計算后導(dǎo)入到PC中的MeshLab軟件中進行數(shù)據(jù)重建和三維渲染即可的到最后的3維圖像。

4 結(jié)語

該文在2維激光掃描測量的基礎(chǔ)上，利用線性激光掃描技術(shù)，可得到被測物體的完整三維數(shù)字模型。并介紹了3維激光雷達掃描的基本原理和其激光光點的計算方法。經(jīng)過實際掃描實驗顯示該設(shè)計掃描精度高，掃描速度快且該設(shè)計成本極，故將極大的普及激光雷達的使用。

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