谷汝楠+許宗陽+張宸+張雨閣+李枝亮

摘 要：該文針對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)激光雷達(dá)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(cè)距原理的3維激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)。通過實(shí)際掃描實(shí)驗(yàn)顯示3維激光雷達(dá)在10 m內(nèi)都能正確識(shí)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(chǎng)合下替代傳統(tǒng)的工業(yè)激光雷達(dá)使用。

關(guān)鍵詞：三角測(cè)距 激光雷達(dá) 點(diǎn)云 光點(diǎn)提取

中圖分類號(hào)：O439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）06（a）-0003-02

激光雷達(dá)通過激光主動(dòng)探測(cè)即可快速獲取物體表面的信息數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的新手段。同時(shí)激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重建在多媒體、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)、動(dòng)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(dá)系統(tǒng)普遍價(jià)格高昂，這對(duì)普及激光雷達(dá)的使用帶來了極大的阻礙。針對(duì)這一現(xiàn)狀該文研制了基于三角測(cè)距原理的3維激光雷達(dá)，這一系統(tǒng)成本極低、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)，因此能夠極大的普及激光雷達(dá)的使用。

1 3維激光雷達(dá)掃描測(cè)量原理

激光雷達(dá)現(xiàn)在普遍采用的測(cè)量方法有兩種：第一種是利用相位差和時(shí)間差進(jìn)行的TOF測(cè)距，第二種是三角測(cè)距。因?yàn)榈谝环N方式所要實(shí)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(cè)距。這也是該文實(shí)現(xiàn)低成本激光測(cè)距的關(guān)鍵，因?yàn)槿菧y(cè)距不需要用到TOF測(cè)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(cè)距也可以達(dá)到與TOF測(cè)距相媲美的測(cè)距精度和分辨率。

1.1 激光雷達(dá)三角測(cè)距原理

圖1中展示了對(duì)測(cè)量對(duì)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(diǎn)狀激光器，標(biāo)有s的線段可以看成是一個(gè)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(diǎn)距離；f 為攝像頭的焦距；x 為物體上激光光點(diǎn)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(cè)距的基本原理。

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

如圖2中的流程圖，該文所設(shè)計(jì)的3維激光雷達(dá)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(jī)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(jī)組成的掃描系統(tǒng)。其中子模塊系統(tǒng)組成十分簡(jiǎn)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(jī)中進(jìn)行初步的處理和擬合然后才能被送到PC中進(jìn)行最后的處理和顯示。

掃描系統(tǒng)是通過控制舵機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)來配合攝像頭與線性激光器來得到一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)。首先打開線性激光器，線性激光和被測(cè)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(jī)的感光元件面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)后，再送入STM32單片機(jī)中由三角測(cè)距原理測(cè)出這條亮線上各點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。再由舵機(jī)帶動(dòng)線性激光器做步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光平面在物體表面上掃描，從而得到關(guān)于被測(cè)物體表面信息的一組點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

機(jī)械結(jié)構(gòu)主要為舵機(jī)云臺(tái)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(shí)需要移除攝像頭的紅外截止濾光片，不然攝像頭對(duì)紅外光的感應(yīng)很弱，無法進(jìn)行正常的信息采集。

3 3維激光雷達(dá)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(diǎn)信息不明確，如果直接進(jìn)行數(shù)據(jù)重建很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。故需要知道激光光點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)。對(duì)于一般的點(diǎn)狀激光器可以通過質(zhì)心法進(jìn)行求解，當(dāng)然對(duì)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(diǎn)坐標(biāo)。不過過程較為復(fù)雜且運(yùn)算量較大。因此該文采用了一種新的求激光光點(diǎn)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(jì)算這個(gè)高斯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的過零點(diǎn)坐標(biāo)，即為原高斯函數(shù)的峰值，也就是需要求取的光點(diǎn)坐標(biāo)。

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

對(duì)測(cè)距參數(shù)的矯正采用實(shí)測(cè)法，即通過實(shí)際測(cè)量的距離數(shù)據(jù)與線性激光器所測(cè)得的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來達(dá)到對(duì)線性激光器測(cè)距參數(shù)進(jìn)行矯正的目的。

最后將矯正處理過后所測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過公式（3）進(jìn)行激光光點(diǎn)的計(jì)算后導(dǎo)入到PC中的MeshLab軟件中進(jìn)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(cè)量的基礎(chǔ)上，利用線性激光掃描技術(shù)，可得到被測(cè)物體的完整三維數(shù)字模型。并介紹了3維激光雷達(dá)掃描的基本原理和其激光光點(diǎn)的計(jì)算方法。經(jīng)過實(shí)際掃描實(shí)驗(yàn)顯示該設(shè)計(jì)掃描精度高，掃描速度快且該設(shè)計(jì)成本極，故將極大的普及激光雷達(dá)的使用。

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