一種單線全周式掃描激光雷達(dá)的應(yīng)用及與同類傳感器的比較

王世峰，都凱悅，許庭赫，馬克·貝肖，朱勇，王銳

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022，2.Ocular Robotics，澳大利亞悉尼 2208）

激光雷達(dá)（Laser Scanner）是計(jì)算機(jī)環(huán)境感知最普遍的工具之一，工程師能夠通過這些傳感器建立周圍環(huán)境的二維模型或三維模型，激光雷達(dá)還可以用于導(dǎo)航、障礙檢測(cè)及避障、目標(biāo)追蹤、三維重構(gòu)等方面[1］。隨著自主系統(tǒng)智能水平的不斷提高，有效推斷環(huán)境的能力也穩(wěn)步提升。如何獲取關(guān)于環(huán)境的大量數(shù)據(jù)的傳感器選擇就變得越來(lái)越重要。考慮到雷達(dá)和視覺系統(tǒng)的分辨率和精度限制問題，激光雷達(dá)成為獲取大量環(huán)境數(shù)據(jù)的首選傳感器。在過去十年的發(fā)展中，研究者研發(fā)了一種可以超越傳統(tǒng)二維激光掃描儀的高效獲取三維點(diǎn)云的方法[2］。

1 現(xiàn)有激光雷達(dá)簡(jiǎn)介

激光雷達(dá)一般可以分為單線和多線兩種類型。比較常見的有德國(guó)SICK公司的LMS151單線激光雷達(dá)，德國(guó)IBEO公司的LUX8L 8線激光雷達(dá)，美國(guó)Velodyne公司的16線、32線、64線激光雷達(dá)。澳大利亞Ocular公司的Robot Eye RE05是一種新型的單線全周掃描的激光雷達(dá)。傳統(tǒng)單線激光雷達(dá)的掃描區(qū)域可以簡(jiǎn)單定義為一個(gè)二維平面，多線激光雷達(dá)因?yàn)榫哂懈┭鼋菂?shù)的關(guān)系，可以認(rèn)為它具有掃描三維區(qū)域的功能。而RobotEye RE05由于產(chǎn)品本身的特性使得它能夠用單線激光對(duì)三維空間進(jìn)行掃描。

1.1 單線激光雷達(dá)LMS151

LMS151是德國(guó)SICK公司推出的一款緊湊型、經(jīng)濟(jì)型、主要用于室外區(qū)域防撞、測(cè)量及安裝的激光雷達(dá)，如圖1。它通過發(fā)出的一條激光束掃描某一區(qū)域，采用激光時(shí)間飛行原理（Time of flight）通過多次回波檢測(cè)技術(shù)，使得傳感器即使在惡劣環(huán)境下也可以返回檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。其掃描角度為270°，掃描角度分辨率為0.25°或0.5°可調(diào)，掃描最大距離為50m，采用以太網(wǎng)形式傳輸數(shù)據(jù)。IP67的防護(hù)等級(jí)，霧氣校正功能及內(nèi)部集成加熱器可保證該激光雷達(dá)用于戶外的可行性。用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行不同的保護(hù)區(qū)域設(shè)置，使得移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入保護(hù)區(qū)域時(shí)發(fā)出警報(bào)[3］。

圖1 SICK公司LMS151激光雷達(dá)

1.2 8線激光雷達(dá)LUX8L

LUX8L是德國(guó)IBEO公司LUX系列產(chǎn)品之一，主要應(yīng)用在無(wú)人駕駛領(lǐng)域。它同樣采用激光時(shí)間飛行原理（Time of flight）計(jì)算距離和回波的寬度。LUX8L的測(cè)量距離可以達(dá)到200m的平均距離，水平視場(chǎng)角為110°，垂直視場(chǎng)角為6.4°，距離分辨率為0.3cm，角度分辨率為0.125°，如圖2。IBEO公司該系列產(chǎn)品的主要優(yōu)勢(shì)是其多層掃描功能、多次回波技術(shù)、智能角度分辨率，這些優(yōu)勢(shì)使得LUX8L在惡劣天氣條件下也能精確識(shí)別被檢測(cè)物體，確保測(cè)量結(jié)果的無(wú)誤性，保證了使用的便利性和安全性[4］。

圖2 IBEO公司LUX8L激光雷達(dá)

1.3 多線激光雷達(dá)Velodyne

美國(guó)Velodyne公司的64線激光雷達(dá)是Darpa無(wú)人車挑戰(zhàn)賽上眾多團(tuán)隊(duì)使用的主要傳感器之一，隨后陸續(xù)推出了16線和32線激光雷達(dá)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室所擁有的16線激光雷達(dá)和32線激光雷達(dá)進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比。

1.3.1 16線激光雷達(dá)VLP-16

VLP-16激光雷達(dá)是Velodyne公司推出的最小型的三維激光雷達(dá)，安裝方便，重量輕。電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)上傳周圍環(huán)境檢測(cè)的距離和反射率測(cè)量值。測(cè)量范圍為100m，水平視場(chǎng)范圍為360°，垂直視場(chǎng)范圍為30°（+15°～-15°），距離分辨率為3cm，水平方向角分辨率為0.1°-0.4°，垂直方向角分辨率為2°。由于VLP-16的高速轉(zhuǎn)速，它可以每秒輸出高達(dá)30萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)[5］。

1.3.2 32線激光雷達(dá)HDL-32E

HDL-32E與VLP-16相比，從16個(gè)激光器上升至32個(gè)激光器，體積稍有增大，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，相比64線激光雷達(dá)體積小巧輕便，如圖3。依舊是持有專利的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)使得其水平視場(chǎng)可達(dá)360°，垂直視場(chǎng)范圍為+10.67°～-30.67°。水平角度分辨率為0.16°（在600轉(zhuǎn)速情況下），垂直角度分辨率約為1.33°。其測(cè)量距離為70m，距離精度為2cm。每秒輸出約70萬(wàn)個(gè)點(diǎn)[6］。圖3為Velodyne公司三款激光雷達(dá)展示，從左到右依次為HDL-64E，HDL-32E，VLP-16。

圖3 Velodyne激光雷達(dá)比較

2 RobotEye RE05

上述單線激光雷達(dá)只能進(jìn)行二維掃描，8線激光雷達(dá)僅僅能實(shí)現(xiàn)2.5D掃描，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維掃描。澳大利亞Ocular公司的RobotEye RE05作為單線激光雷達(dá)卻能實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的三維掃描。圖4為本實(shí)驗(yàn)室用RobotEye RE05采集數(shù)據(jù)。

表1對(duì)比了上述激光雷達(dá)在參數(shù)上的不同，用戶在不同的環(huán)境中可以選擇不同的傳感器。

圖4 RobotEye RE05采集數(shù)據(jù)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)單線激光雷達(dá)如果想要進(jìn)行三維掃描需要把傳感器固定在移動(dòng)平臺(tái)上，然后通過移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三維掃描。但是RobotEye RE05機(jī)械設(shè)計(jì)獨(dú)特，機(jī)身保持靜止，內(nèi)部激光器與探頭固定在一起，僅掃描探頭根據(jù)用戶要求（三種掃描模式可選）轉(zhuǎn)動(dòng)[7］，如圖5。

圖5 探頭運(yùn)動(dòng)方式

根據(jù)這種機(jī)械特性，RobotEye RE05的方位角范圍是360°連續(xù)的，俯仰角范圍為-35°～35°，且方位角和俯仰角的角分辨率都是0.01°。由于掃描鏡頭是單獨(dú)跟蹤的，不受鏡頭動(dòng)力控制，那么記錄的方位角精度和俯仰角精度獨(dú)立于鏡頭誤差的計(jì)算方法。也就是說(shuō)，無(wú)論RobotEye RE05選擇三種掃描模式中的哪一種，已記錄的三維點(diǎn)的角度精度都不會(huì)變化。

2.2 掃描模式

RobotEye RE05支持3種可配置參數(shù)的掃描模式：全區(qū)域掃描、限定邊界掃描、感興趣區(qū)域掃描。這3種掃描模式可以隨時(shí)轉(zhuǎn)換，即使RobotEye RE05在運(yùn)行過程中也能在3種掃描模式中任意切換（通常反應(yīng)時(shí)間為幾毫秒），這是其他3D激光雷達(dá)沒有的功能。每種掃描模式都可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這就意味著用戶可以根據(jù)自己的需要改變掃描參數(shù)，而這些參數(shù)可以決定探頭的運(yùn)動(dòng)方式。

2.2.1 全區(qū)域掃描

RobotEye RE05在全區(qū)域掃描模式下的掃描區(qū)域?yàn)榉轿唤菑?°～360°、俯仰角范圍從-35°～35°的三維空間，如圖6。從圖中可以看出全區(qū)域掃描模式基本能夠?qū)⑹覂?nèi)環(huán)境都展現(xiàn)出來(lái)。其中有兩個(gè)參數(shù)可調(diào)，一個(gè)是方位角變化率，單位是Hz，也就是每秒掃描探頭旋轉(zhuǎn)的角度；另一個(gè)是掃描線數(shù)，它表示最大俯仰角范圍內(nèi)的激光線數(shù)。對(duì)于給定的方位角變化率和掃描線數(shù)，RobotEye RE05的俯仰角變化是連續(xù)的。

圖6 全區(qū)域掃描

2.2.2 限定邊界掃描

限定邊界掃描其實(shí)可以看做是全區(qū)域掃描在垂直方向上的選擇性截取，在水平方向上依舊是360°連續(xù)的。可調(diào)參數(shù)在方位角變化率和掃描線數(shù)的基礎(chǔ)上增加了俯仰角的最小值和最大值，如圖7。

表1 多種激光雷達(dá)參數(shù)對(duì)比

圖7 限定邊界掃描

2.2.3 感興趣區(qū)域掃描

感興趣區(qū)域掃描是由參數(shù)決定的掃描方式，這讓用戶通過對(duì)環(huán)境中特定區(qū)域集中掃描獲得該區(qū)域的3D數(shù)據(jù)。根據(jù)RobotEye RE05探頭的掃描方式可知，該模式下的掃描區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)方形，由最小方位角、最大方位角、最小俯仰角、最大俯仰角決定。方位角變化率和掃描線數(shù)決定了掃描速度和邊界區(qū)域內(nèi)的線分辨率。由于指定區(qū)域掃描模式的方位角掃描范圍是5°-180°，所以該模式下總是選擇最小和最大方位角之間較短的那段弧，如圖8。

圖8 感興趣區(qū)域掃描

2.3 RobotEye RE05小結(jié)

RobotEye RE05激光雷達(dá)是一款高性能的長(zhǎng)距離激光雷達(dá)，專為快速生成空間云點(diǎn)而設(shè)計(jì)。采樣率高達(dá)30kHz和高掃描速度的RobotEye RE05系統(tǒng)非常適合在室內(nèi)和室外采集高達(dá)30米-250米范圍內(nèi)的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過對(duì)三種掃描模式進(jìn)行所需要的參數(shù)設(shè)定可以實(shí)現(xiàn)以往單線激光雷達(dá)不能達(dá)到的3D效果，即使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也可以隨時(shí)切換模式，切換時(shí)間僅需幾毫秒，這是其他激光雷達(dá)所沒有的特點(diǎn)之一。由于其獨(dú)特的機(jī)械設(shè)計(jì)再加上掃描的高分辨率使得RobotEye RE05在收集特定區(qū)域信息時(shí)更加靈活，更加迅速。這體現(xiàn)了這種新型單線多自由度激光雷達(dá)在當(dāng)前市場(chǎng)中的重要性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比了業(yè)內(nèi)常見的各種激光雷達(dá)的相關(guān)性能參數(shù)、工作環(huán)境、外形尺寸等，認(rèn)為RobotEye RE05作為單線激光雷達(dá)在進(jìn)行三維環(huán)境掃描的時(shí)候所表現(xiàn)出來(lái)的高性能及其靈活性是一種技術(shù)上的完善。在已有技術(shù)保證高分辨率的基礎(chǔ)上還可以根據(jù)需要調(diào)整掃描速度、掃描角度對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行掃描，從而獲取想要的信息。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，RobotEye RE05可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行靈活配置和數(shù)據(jù)采集，從而完成各種復(fù)雜的三維空間重構(gòu)和目標(biāo)識(shí)別及跟蹤等任務(wù)。

[1]Wood D，Bishop M.A novel approach to 3D laser scanning[C］.Proceedings of Australasian Conference on Robotics and Automation，Australia，2012.

[2]Montabone S，Wood D，et al.A long-range depth camera with configurable field of view and resolution[C］.The 9thInternationalSymposlum on Mobile Mapping Technology，Australia，2015.

[3]Sick AG，Operating instruction LMS1XX laser measurement sensors[Z］.Germany，2017.

[4]IBEO，F(xiàn)eatures ibeo LUX 8L and ibeo LUX 2010[Z］.Hanburg，2014.

[5]Velodyne.User’s manual and programing guide，VLP-16[Z］.U.S.A，2016.

[6]Velodyne.User’s manual and programing guide，HDL-32E[Z］.U.S.A，2015.

[7]Ocular Robotics，RobotEye RE05 user manual[Z］.Australia，2014.