一種三維激光掃描系統(tǒng)及點云標(biāo)定方法

黃陸君 虞 靜 涂 樸

（1.四川文理學(xué)院智能制造學(xué)院；2.達州智能制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院）

激光掃描是一種對于空間進行掃描測量技術(shù)，通過主動發(fā)射脈沖激光信號并進行飛行時間測量和出射角度測量，可實現(xiàn)快速的空間斷面測量錯誤。在工業(yè)檢測應(yīng)用中，斷面掃描成像缺乏三維空間信息，無法滿足三維空間測量需求，需要進行二次集成以實現(xiàn)三維空間掃描。

為實現(xiàn)基于二維激光掃描儀的三維空間掃描點云數(shù)據(jù)標(biāo)定，本文從系統(tǒng)三維成像原理出發(fā)設(shè)計了系統(tǒng)點云標(biāo)定方法，通過對安裝誤差參數(shù)的補償實現(xiàn)了高精度點云數(shù)據(jù)的獲取，經(jīng)標(biāo)定后的點云數(shù)據(jù)精度達到±1cm，能夠滿足常見的三維空間掃描應(yīng)用需求。

1 激光三維掃描系統(tǒng)

為實現(xiàn)三維空間掃描成像，采用電控轉(zhuǎn)臺攜帶單線激光掃描儀連續(xù)旋轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)空間三維掃描，掃描視場角180°使得整個系統(tǒng)可實現(xiàn)180°×360°空間三維掃描，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分布如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二維激光掃描儀采用SICK LMS511產(chǎn)品，可實現(xiàn)180°視場角斷面掃描，掃描速度可達到100線/s，測距精度可達到±8mm，最大測距80m。電控轉(zhuǎn)臺以步進電機作為動力，最大旋轉(zhuǎn)速度40°/s，設(shè)計系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)速度20°/s，單圈掃描時間18s。二維激光掃描儀通過旋轉(zhuǎn)同步軸和增量式編碼器連接，增量式編碼器分辨率3600PPR，通過角度測量單元的4倍頻后可達到14400PPR，測角精度0.025°。控制和數(shù)據(jù)采集單元置于設(shè)備固定端，采用ARM+FPGA組合實現(xiàn)系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，掃描儀通過導(dǎo)電滑環(huán)與控制和數(shù)據(jù)采集單元連接。

控制和數(shù)據(jù)采集單元包括ARM和FPGA兩種控制器，ARM嵌入式系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)作為運行平臺，以數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交互和系統(tǒng)總控為主要功能。ARM嵌入式采用瑞士Toradex AG公司Apalis-TK1核心板作為主控單元，TK1具有4核ARM Cortex-A15處理單元，運行主頻高達2.2GHz，支持CUDA 6.5；FPGA單元用于底層控制和數(shù)據(jù)采集，包括步進電機的細分控制、增量式編碼器角度測量、系統(tǒng)電源管理等功能。FPGA單元設(shè)計了與ARM單元的數(shù)據(jù)交互接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信協(xié)議，實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的交互。

2 點云標(biāo)校方法

2.1 三維點云解算

二維激光掃描儀采用極坐標(biāo)表示掃描數(shù)據(jù)，設(shè)當(dāng)前測距R且掃描角度α，設(shè)電控轉(zhuǎn)臺當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度β，則當(dāng)前測點的三維坐標(biāo)計算為：

二維激光掃描儀數(shù)據(jù)幀支持編碼器脈沖直接輸入，掃描儀自動記錄當(dāng)前脈沖數(shù)量，即一幀掃描數(shù)據(jù)對應(yīng)同一個旋轉(zhuǎn)角度。為進一步提升測角精度，需對激光掃描儀所記錄的旋轉(zhuǎn)角度進行插值運算，設(shè)一幀掃描點數(shù)量N且旋轉(zhuǎn)角度為βi，則第n個掃描測點對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度計算為：

其中βi,i+1,n為第i幀數(shù)據(jù)的第n個點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度，注意掃描儀掃描角度為180°，但掃描光機為連續(xù)旋轉(zhuǎn)的360°掃描，故式(2)角度增量中步進量為：

2.2 點云標(biāo)定方法

系統(tǒng)坐標(biāo)定義為掃描儀坐標(biāo)和三維空間坐標(biāo)的XZ軸完全重合的理想條件，實際的安裝和機械加工會存在一定的誤差，導(dǎo)致掃描儀坐標(biāo)軸并不與定義的坐標(biāo)軸重合。采用參數(shù)描述掃描儀坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系原點在XY軸向上的偏差及掃描儀安裝的橫滾和俯仰角度，則對掃描儀安裝誤差的標(biāo)定計算為：

式中Rφ和Rγ分別為橫滾和俯仰所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，T為XY軸坐標(biāo)的平移矩陣。

3 實驗與分析

實驗采用自制三維掃描系統(tǒng)，二維激光掃描儀、嵌入式控制系統(tǒng)和電控轉(zhuǎn)臺經(jīng)系統(tǒng)集成后，由1路網(wǎng)絡(luò)通信接口實現(xiàn)與外部通信和數(shù)據(jù)交互，掃描速度20°/s。系統(tǒng)安裝誤差導(dǎo)致三維掃描系統(tǒng)360°掃描后的點云存在錯位，三維掃描點云精度不高。采用式（4）所述的方法對系統(tǒng)點云進行標(biāo)定，經(jīng)反復(fù)調(diào)整最終確定的系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)為（-0.004，-0.046，0.1，0.4），經(jīng)標(biāo)定后的三維掃描系統(tǒng)所獲取的點云細節(jié)更加明顯，房間結(jié)構(gòu)更加清晰，360°掃描所獲取的點云錯位消失，消除了系統(tǒng)安裝誤差對點云精度的影響，經(jīng)標(biāo)定后的平整墻面點云厚度小于2cm，點云精度達到了設(shè)計要求。如圖2所示。

圖2 標(biāo)校后的點云

結(jié)語：為實現(xiàn)基于二維激光掃描儀的三維空間成像測量，設(shè)計了基于旋轉(zhuǎn)的激光三維掃描系統(tǒng)，通過FPGA控制電控轉(zhuǎn)臺進行連續(xù)旋轉(zhuǎn)掃描實現(xiàn)了空間三維測量，獲取了三維掃描點云數(shù)據(jù)；提出了消除系統(tǒng)安裝誤差的點云標(biāo)定方法，對掃描儀安裝誤差進行了補償，提升了三維點云精度。通過室內(nèi)場景的三維掃描和數(shù)據(jù)標(biāo)定實驗，驗證了三維掃描系統(tǒng)功能和點云標(biāo)定方法的有效性，實驗結(jié)果表明，經(jīng)標(biāo)定后的三維掃描系統(tǒng)點云精度可達到±1cm，系統(tǒng)重復(fù)精度可以達到±1.5cm，系統(tǒng)功能和點云數(shù)據(jù)精度達到了設(shè)計預(yù)期要求。