基于激光雷達的三維車載掃描儀系統(tǒng)研究

潘明夷　才家華　龍星宇

摘 要：該文針對樹木靶標外形輪廓等的外形探測問題，介紹一種可移動式的三維激光掃描系統(tǒng)。將激光雷達搭載可移動的車載平臺，通過激光雷達掃描獲取距離數(shù)據(jù)和車載掃描平臺的位移數(shù)據(jù)完成空間三維信息的采集。借助串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，經(jīng)Visual studio 2008設計編寫的數(shù)據(jù)處理軟件，最終在上位機可實現(xiàn)實時描繪平臺激光雷達所在剖面的空間輪廓。采集獲取的三維點云數(shù)據(jù)可為物體的三維建模提供技術支持。

關鍵詞：激光雷達 靶標探測 三維數(shù)據(jù) 輪廓掃描

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0017-05

Abstract： A moving 3D laser scanning system is introduced in this paper， aiming at the contour detection of the contour shape of the tree target. The laser radar is equipped with a movable vehicle platform， and the spatial 3D information is collected by the distance data obtained from the laser radar scanning and the displacement data of the vehicle scanning platform. The data is sent to the host computer by serial communication， and the data processing software is designed and written by Visual Studio 2008. Finally， the spatial profile of the laser radar profile in the upper computer is realized. The 3D cloud data acquired can provide technical support for 3D modeling of objects.

Key Words： LADAR； Target detection； Three-dimensional data； Profile scanning

自20世紀以來，激光掃描技術愈加受到重視。隨著硬件技術的不斷發(fā)展和點云處理技術的不斷進步，激光掃描在越來越多的領域得到了應用。在林業(yè)資源勘查領域，往往采用人工測量方法測量樹木胸徑的信息，測量材積時更是需要將整棵樹伐倒，造成了諸多的不便。

由于上述問題的存在，三維激光掃描技術在林業(yè)方面有了越來越多的應用，北京林業(yè)大學在2004年組織實驗，首次將三維激光掃描系統(tǒng)引入森林資源調查，對單株樣木的測量因子進行了三維激光掃描檢測方法和傳統(tǒng)的中央斷面區(qū)分求積法實測材積，發(fā)現(xiàn)精度滿足森林資源調查的精度要求[1]。劉偉樂等人利用三維激光掃描儀對樣地的楊樹進行掃描，利用得到的點云數(shù)據(jù)提出一種自動、高效提取單木胸徑的算法[2]。韋雪花等人針對樹冠形狀不規(guī)則，樹冠體積難以測量和計算的問題，提出一種基于三維激光掃描點云的樹冠體積計算方法——體元模擬法[3]。王佳等人利用三維激光掃描儀獲取單株樹木的點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)的處理提取測樹因子，經(jīng)實驗結果發(fā)現(xiàn)此方法與傳統(tǒng)方法相比更符合樹木實際情況[4]。

以上所提出的利用三維激光掃描儀測取樹木數(shù)據(jù)的方法，均采用地面三維激光掃描儀，此類激光掃描儀造價高、體積大、攜帶不便；同時需要在多點多站采集數(shù)據(jù)，單木的數(shù)據(jù)采集工作量就已十分龐大。雖減少了對樹木的損傷，但仍十分不便。吳賓等人利用車載激光掃描儀，獲取多株行道樹的點云數(shù)據(jù)，提出一種基于分層網(wǎng)格點密度的單株樹信息提取方法[5]。上述研究將地面三維激光掃描儀與汽車相結合，提高了采集效率，但也增加了設備成本，難以普及，在某些領域仍使用不便。

該文采用普通二維激光掃描儀配合自行設計的車載平臺方案，體積小巧，操控簡便，可以進入林木覆蓋較為密集的樹林內部進行單木的輪廓掃描作業(yè)，解決了室內環(huán)境、樹木輪廓等點云數(shù)據(jù)的獲取與處理的問題，以較低的成本實現(xiàn)了較高精度的三維激光掃描。

1 車載激光雷達掃描儀的系統(tǒng)設計與分析

1.1 車載激光雷達掃描系統(tǒng)的測量原理

激光雷達發(fā)射的激光束對Y-Z平面進行點掃描，獲取的剖面數(shù)據(jù)作為Y軸和Z軸數(shù)據(jù)，車載平臺上的姿態(tài)傳感器和車速計算后得到的距離數(shù)據(jù)作為X軸數(shù)據(jù)，相結合組成整套系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)部分。通過運動控制和激光雷達的掃描，可得到物體的三維坐標數(shù)據(jù)。

1.2 車載激光雷達掃描系統(tǒng)硬件設計

車載激光雷達掃描系統(tǒng)是將低成本二維激光掃描儀與可移動的車載平臺相結合，實現(xiàn)空間三維信息的采集，其主要是由激光雷達、車載控制板、無線通信模塊、姿態(tài)傳感器、電源與總線接口模塊、四軸驅動器、伺服電機、底盤支架等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。

該系統(tǒng)使用的掃描儀可在6 m范圍內完成360°掃描。使用的STM32F407VET6高性能32位處理器的車載控制板，可以讀取姿態(tài)傳感器MPU6050的測量數(shù)據(jù)，實時獲取車載平臺行進過程中的姿態(tài)角。激光雷達掃描獲取的剖面數(shù)據(jù)以及姿態(tài)傳感器和車速計算后得到的距離數(shù)據(jù)相結合，組成整套系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

（2）通信模塊。

系統(tǒng)使用的車載控制板可通過無線通信模塊nRF24L01接受無線手柄的遙控指令，控制車載平臺的移動速度和方向，使用的通信模塊HC-05和上位機進行串口通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。

（3）電機驅動模塊。

底盤采用45號鋼制作而成，強度較高，可原地轉彎，可適應室內、室外普通路面及泥濘路面。車載底盤搭載的四軸驅動器模塊用于驅動四路直流有刷伺服電機，集成了四輪差動運動控制算法，可以通過RS232串口、CAN總線通信，實現(xiàn)對底盤整體或單個電機的運動控制。

1.3 車載激光雷達掃描系統(tǒng)軟件設計

（1）下位機程序。

平臺下位機由Keil uVision4編寫。車載掃描平臺里的車載控制板可接受無線手柄遙控的行動指令，控制車載平臺的移動速度和方向，通過激光雷達采集空間坐標信息，并與上位機、手柄進行串口通信，可將掃描獲取數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，完成數(shù)據(jù)采集功能。下位機程序流程圖如圖2所示。

（2）上位機程序。

上位機數(shù)據(jù)處理軟件由Visual studio 2008設計編寫，主要對收集數(shù)據(jù)進行簡單的處理，點擊上位機數(shù)據(jù)處理軟件選擇串口，設置高度和角度，點擊啟動測試按鈕，可在線實時描繪掃描平臺所在剖面的空間輪廓，上位機程序流程圖如圖3所示。

1.4 車載激光雷達掃描系統(tǒng)的實驗與分析

掃描系統(tǒng)所使用的激光掃描儀有效探測距離為6 m，而且室內的空間環(huán)境較為復雜，不同形狀的物體會造成不同程度的遮擋，所以，在進行室內模擬實驗時，應選擇鐵柜和走廊等較為典型的物體進行實驗。

首先進行系統(tǒng)平臺穩(wěn)定度的探究。以走廊環(huán)境為掃描對象，選定一起點，開啟掃描角度180°～360°，控制平臺以0.2 m/s的速度沿直線向前行進10 m，掃描圖像保持不變，如圖4所示。

為探究掃描系統(tǒng)的可行性與探測精度，選取鐵柜為掃描對象，如圖5所示，并以不同的平臺運行速度進行檢測，將掃描結果與人工精確測量的結果相對比，研究平臺的測量精度，掃描結果如圖6所示。

表1為物體掃描實驗結果，先人工測量相關參數(shù)，再將系統(tǒng)進行10次掃描獲得數(shù)據(jù)求取平均值作為掃描結果，通過分析實驗結果可知，掃描系統(tǒng)的測量精度較高，保持在93%以上。

為進一步探測系統(tǒng)對非規(guī)則物體輪廓的探測情況，對連續(xù)盆栽進行輪廓掃描實驗。將多個盆栽間隔20 cm擺放成列，另一側為平整玻璃或墻壁，使平臺可以從中間形成的通道中穿過。車載平臺從一端出發(fā)，沿盆栽列以0.2 m/s的速度勻速前進，依次通過三個盆栽后停止，在上位機軟件上可以在線顯示出來盆栽的外形輪廓，如圖7所示。

根據(jù)上位機軟件顯示的圖像可以發(fā)現(xiàn)，當平臺運行速度較小時，掃描到的數(shù)據(jù)很穩(wěn)定且精度很高，表明平臺與系統(tǒng)運行可靠且測量精度高。

1.5 車載激光雷達掃描系統(tǒng)的創(chuàng)新點

（1）可靠性好，測量精度高。車載激光雷達掃描儀將一般的低成本二維激光掃描儀與可移動的車載平臺相結合，以較低價格實現(xiàn)空間三維信息的獲取。在模擬實驗測試過程中，根據(jù)上位機軟件顯示的圖像可以發(fā)現(xiàn)，當車載掃描平臺運行速度較小時，掃描到的數(shù)據(jù)很穩(wěn)定且精度很高，測量誤差在93%以上。

（2）反饋及時、掃描范圍可控。通過串口通信，可將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，借助設計的數(shù)據(jù)處理軟件，可以實時動態(tài)觀測掃描對象的外形輪廓。顯示范圍可以對顯示框進行放縮，角度調節(jié)選擇關閉或開放某一角度的掃描圖像，方便及時調整平臺的掃描角度。

（3）無需可見光源。車載激光掃描儀使用的激光雷達，采用的是三角測距原理，無需可見光源，能在各類室內環(huán)境及無日光照射的環(huán)境下工作，拓寬了工作適用范圍。

2 結語

該文提出的車載三維激光掃描儀實現(xiàn)了對豎直平面的切割掃描，靈活地利用二維激光掃描儀實現(xiàn)了三維激光掃描儀的功能，可應用于管道、室內房間、林業(yè)勘查等領域的點云數(shù)據(jù)的獲取與處理，為三維激光掃描點云數(shù)據(jù)采集領域提供一種新的思路。然而，該方案還有許多不足之處，例如：車載底盤由于缺少水平方向的點云信息，仍需手動遙控行進；車載底盤不夠靈活且定位修正能力仍有欠缺等，對此，仍有許多方面有待改進，如，加入車載底盤自動算法，使得車載地盤實現(xiàn)簡單自主移動；可以將車載底盤設計地更加緊湊，采用圓形底盤，將車載芯片、電機驅動等豎直疊加放置等。

參考文獻

[1] 鄧向瑞，馮仲科，羅旭.三維激光掃描系統(tǒng)在林業(yè)中的應用研究[J].北京林業(yè)大學學報，2005（S2）：43-47.

[2] 韋雪花，王永國，鄭君，等.基于三維激光掃描點云的樹冠體積計算方法[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2013（7）：235-240.

[3] 王佳，楊慧喬，馮仲科.基于三維激光掃描的樹木三維綠量測定[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2013（8）：229-233.

[4] 劉偉樂，林輝，孫華，等.基于地面三維激光掃描技術的林木胸徑提取算法分析[J].中南林業(yè)科技大學學報，2014（11）：111-115.

[5] 吳賓，余柏蒗，岳文輝，等.一種基于車載激光掃描點云數(shù)據(jù)的單株行道樹信息提取方法[J].華東師范大學學報：自然科學版，2013（2）：38-49.