劉德志，孫作雷，曾連蓀

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院, 上海 201306)

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低成本小型激光雷達開源驅(qū)動構(gòu)建

劉德志，孫作雷，曾連蓀

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院, 上海 201306)

構(gòu)建了小型2D激光掃描儀驅(qū)動解決方案。以RPLIDAR為例，基于低成本硬件及其合理的通信規(guī)約設(shè)計，提升數(shù)據(jù)獲取的可靠性。基于CMake交叉編譯鏈使硬件驅(qū)動具有跨平臺特性。同時，通過增加launch文件，使其支持ROS (Robot Operating System)。并分別在Windows和ROS系統(tǒng)下完成測試。相應(yīng)的代碼已在Github上開源，可免費用于移動機器人的導(dǎo)航、構(gòu)圖與3D重建、同步定位與地圖構(gòu)建(SLAM)等科研。

驅(qū)動；激光雷達；跨平臺；開源

引用格式：劉德志，孫作雷，曾連蓀. 低成本小型激光雷達開源驅(qū)動構(gòu)建[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(16)：20-22.

0　引言

隨著工業(yè)、軍事及民用領(lǐng)域?qū)ψ詣踊腿斯ぶ悄芗夹g(shù)需求的日益增長，與移動機器人相關(guān)的理論及應(yīng)用已成為研究熱點。對于移動機器人而言，最常見的任務(wù)之一是在環(huán)境中繪制地圖并進行導(dǎo)航，而2D激光掃描儀是室內(nèi)外機器人最常用的傳感器。目前，市場上已有一些廣泛應(yīng)用于科研的2D激光掃描儀，并在越來越多的論著中被提及。例如德國的SICK系列、日本的Hokuyo系列等。

但是，結(jié)合國內(nèi)外使用現(xiàn)狀，這些激光雷達具有如下弊端：(1)體積較大，在小型的機器人移動平臺上不適合安裝。(2) 售價較高，且多為國外產(chǎn)品，小型科研組難以承擔較為高昂的硬件設(shè)備預(yù)算，同時也很難廣泛用于民用領(lǐng)域。對于低成本小型激光雷達，2008年KONOLIGE K等人已經(jīng)提出低成本激光雷達硬件設(shè)計思路[1]，但直到2013年，一些公司才做出了相應(yīng)的產(chǎn)品，價格僅為上述產(chǎn)品的十分之一。本文基于KONOLIGE K等人的設(shè)計思路及目前市場上現(xiàn)有雷達的通信規(guī)約，設(shè)計了可靠、高效的激光雷達驅(qū)動。該驅(qū)動具有以下特點：(1)跨平臺性，可在Windows、Ubuntu環(huán)境下使用；(2)使用簡單，研究者僅需簡單設(shè)置即可加入自己的工程；(3)開源，可免費用于科研。

1　低成本激光雷達原理

所有的單點掃描設(shè)備，例如SICK和Hokuyo設(shè)備，采用激光時間飛行原理(Time of Flight)，即通過測量激光發(fā)射和反射的時間來計算距離目標點的距離。而本方案采用激光三角測距技術(shù)，所用的紅外線傳感器與激光時間飛行原理所用的激光掃描器不同，所以極大地節(jié)省了成本。

1.1硬件結(jié)構(gòu)

低成本激光雷達主要由激光測距核心、掃描電機、傳動和USB適配器三部分組成。測距核心是激光雷達最重要的組成部分。在分別給子系統(tǒng)供電后，測距核心在掃描電機的帶動下將開始順時針360°旋轉(zhuǎn)掃描并獲得掃描測距數(shù)據(jù)。

1.2測距機理

激光三角測距技術(shù)通過反射光線的角度來測量距離。圖1展現(xiàn)了三角測距的幾何圖。紅外線發(fā)射器發(fā)射一個紅外線，經(jīng)物體反射回來并投影到接收器上。一個理想的接收器是調(diào)整好的，這樣紅外線光束與某些射線是平行的。

圖1　三角測距原理

利用相似三角形的原理，垂直距離是：

q=fs/x

(1)

激光束的距離也取決于激光相對于圖像軸的角度：

d=q/sin(β)

(2)

1.3數(shù)據(jù)幀格式

當激光雷達工作時，可進行每秒高達2 000次的測量動作。每個采樣點經(jīng)過內(nèi)部DSP處理器實時解算，得出被照射到的目標物體與激光雷達的距離值以及當前的夾角信息，并以表1的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)通過USB適配器輸出。

表1　數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2　驅(qū)動設(shè)計

基于目前市場上現(xiàn)有的低成本小型激光雷達RPLIDAR硬件及其通信規(guī)約，設(shè)計并完善了驅(qū)動。(1)合理規(guī)劃激光雷達的驅(qū)動流程，既保證讀取數(shù)據(jù)的高效，又增加異常處理保護硬件的安全。(2)編寫Makefile文件，采用交叉編譯[2]，生成的驅(qū)動可以跨平臺使用，可供研究者在Windows、Linux、MacOS系統(tǒng)下使用。(3)設(shè)計存儲格式，使用二進制格式保存數(shù)據(jù)文件，將測量數(shù)據(jù)記錄下來用于未來的分析、處理、開發(fā)和算法驗證。(4)支持Robot Operating System(ROS)，為使用低成本激光雷達研究機器人的導(dǎo)航與定位、環(huán)境掃描與3D重建、同步定位與地圖構(gòu)建(SLAM)等領(lǐng)域提供了極大的方便。

2.1驅(qū)動模塊設(shè)計

本驅(qū)動的設(shè)計使用C++語言，基于模塊化思想，可分為激光雷達健康狀況檢測、通信錯誤處理、掃描準備、掃描數(shù)據(jù)獲取等模塊[3]。獲取激光雷達掃描測量數(shù)據(jù)的整個流程見圖2。

圖2　獲得RPLIDAR數(shù)據(jù)整個流程

準備掃描模塊：啟動一個后臺工作線程，異步地接受來自激光雷達的掃描測距數(shù)據(jù)序列，并保存在內(nèi)部的緩存當中。

獲取掃描數(shù)據(jù)模塊：抓取被激光雷達驅(qū)動事先接收并緩存的測距數(shù)據(jù)序列。該模塊將始終返回一個最新的完整的360°的掃描測距序列。每次調(diào)用后，保存掃描數(shù)據(jù)序列的內(nèi)部緩存將會清空，以確保每次獲得不重復(fù)的數(shù)據(jù)[4]。

2.2輸出數(shù)據(jù)格式

把激光雷達的測量數(shù)據(jù)保存為后綴名為.dat二進制文件，供后期研究分析[5]。激光雷達的工作頻率為6 Hz，每掃描一圈有360個測量點，稱為一條記錄。為了方便管理和后期的研究，在每條記錄前加上時間戳。記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2。

表2　每條記錄的結(jié)構(gòu)

3　實驗驗證

本驅(qū)動默認采樣靜態(tài)庫方式組織，使用者只要簡單設(shè)置就可以整合到自身項目中：引用驅(qū)動庫的外部頭文件(位于sdk/inlcude文件夾)；在鏈接階段，引用編譯好的靜態(tài)庫(rplidar_driver.a)即可。以低成本小型激光雷達的代表性產(chǎn)品rplidar為例，使用該驅(qū)動在多種操作系統(tǒng)下測試結(jié)果如下。

3.1Windows環(huán)境中單幀掃描

編寫顯示界面程序，把本驅(qū)動庫整合到此程序中。此程序的功能是實時采集雷達掃描數(shù)據(jù)，并在GUI界面上將0～360°環(huán)境下測距信息以平面圖的方式顯示出來[6]。在走廊中測試得到靜態(tài)數(shù)據(jù)如圖3所示。圖中圓心為RPLIDAR的位置，點集為障礙物。

圖3　Windows下調(diào)用驅(qū)動得到的靜態(tài)數(shù)據(jù)

3.2ROS中單幀掃描

ROS是專為機器人軟件開發(fā)所設(shè)計的一套開源的電腦操作系統(tǒng)構(gòu)架，它提供了一系列的開源程序庫和工具以幫助研究者迅速創(chuàng)建機器人應(yīng)用軟件。

在本驅(qū)動庫的基礎(chǔ)上，增加幾個ROS特有的文件并作相關(guān)設(shè)置即可使用。此部分代碼已在Github上開源。在ROS的RViz工具中實現(xiàn)的靜態(tài)掃描圖如圖4所示。

圖4　RViz中實現(xiàn)RPLIDAR的靜態(tài)掃描圖

3.3實現(xiàn)構(gòu)建地圖

在ROS中可以很方便地使用本驅(qū)動，然后調(diào)用開源的Hector-slam包來構(gòu)建地圖。移動機器人正在構(gòu)建地圖如圖5所示。本實驗已經(jīng)做成視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)并開源。

圖5　使用本驅(qū)動構(gòu)建地圖

4　結(jié)論

基于激光雷達硬件及其通信規(guī)約，構(gòu)建了靈活、高效、開源的驅(qū)動。簡單介紹了低成本小型激光雷達的測距原理，重點闡述了驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)細節(jié)。在兩種環(huán)境下的測試和利用本驅(qū)動實現(xiàn)mapping證明了該驅(qū)動的易用性及可靠性。未來本驅(qū)動將用于機器人的定位與導(dǎo)航、同步定位與地圖構(gòu)建的算法驗證工作。

[1] KONOLIGE K, AUGENBRAUN J, DONALDSON N. A low-cost laser distance sensor[C]. ICRA,2008:3002-3008.

[2] 聶和平. 基于ARM9的嵌入式Linux系統(tǒng)移植與驅(qū)動開發(fā)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[3] 李進,王太宏,張恩迪. 嵌入式linux中nRF24l01驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用, 2011，20(9)：226-229，237

[4] OKUBO Y, YE C, BORENSTEIN J. Characterization of the Hokuyo URG-04LX laser rangefinder for mobile robot obstacle negotiation[C]. International Society for Optics and Photonics, 2009:733212-733212-10.

[5] 張雪晶，孫作雷，曾連蓀，等. 基于聯(lián)合相容分支定界的關(guān)聯(lián)算法研究[J]. 微型機與應(yīng)用, 2015,34(15):82-84,88.

[6] CIVERA J, DAVISON A J, MONTIEL J. Inverse depth parametrization for monocular SLAM[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(5): 932-945.

The open source driver construction for low-cost small laser scanner

Liu Dezhi, Sun Zuolei, Zeng Liansun

(Information Communication College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

A driver solution to the small 2D laser scanner is proposed. Taking the RPLIDAR as an example, the data capture reliability of the low cost hardware is improved with the well-designed communication protocol module. And CMake cross-platform compile chain is utilized in order to support multiple platforms. Furthermore, the driver can support the Robot Operating System (ROS) by involving a launch file. The proposed driver is tested on Windows and ROS respectively. All the codes used in the experiments are available on Github, so they can be freely used on the research in the fields of mobile robot navigation, mapping and 3D reconstruction, simultaneous localization and mapping (SLAM).

driver; laser scanner; cross-platform; open source

TP242

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.005

2016-03-27)

劉德志(1990-)，男，碩士，主要研究方向：移動機器人導(dǎo)航。

孫作雷(1982-)，男，博士，主要研究方向：移動機器人導(dǎo)航。

曾連蓀(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：無線接入技術(shù)、定位測控技術(shù)。