潘明夷　才家華　龍星宇

摘 要：該文針對(duì)樹木靶標(biāo)外形輪廓等的外形探測(cè)問題，介紹一種可移動(dòng)式的三維激光掃描系統(tǒng)。將激光雷達(dá)搭載可移動(dòng)的車載平臺(tái)，通過激光雷達(dá)掃描獲取距離數(shù)據(jù)和車載掃描平臺(tái)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(jī)，經(jīng)Visual studio 2008設(shè)計(jì)編寫的數(shù)據(jù)處理軟件，最終在上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)描繪平臺(tái)激光雷達(dá)所在剖面的空間輪廓。采集獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可為物體的三維建模提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá) 靶標(biāo)探測(cè) 三維數(shù)據(jù) 輪廓掃描

中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)以來，激光掃描技術(shù)愈加受到重視。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和點(diǎn)云處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光掃描在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在林業(yè)資源勘查領(lǐng)域，往往采用人工測(cè)量方法測(cè)量樹木胸徑的信息，測(cè)量材積時(shí)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(shù)在林業(yè)方面有了越來越多的應(yīng)用，北京林業(yè)大學(xué)在2004年組織實(shí)驗(yàn)，首次將三維激光掃描系統(tǒng)引入森林資源調(diào)查，對(duì)單株樣木的測(cè)量因子進(jìn)行了三維激光掃描檢測(cè)方法和傳統(tǒng)的中央斷面區(qū)分求積法實(shí)測(cè)材積，發(fā)現(xiàn)精度滿足森林資源調(diào)查的精度要求[1]。劉偉樂等人利用三維激光掃描儀對(duì)樣地的楊樹進(jìn)行掃描，利用得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)提出一種自動(dòng)、高效提取單木胸徑的算法[2]。韋雪花等人針對(duì)樹冠形狀不規(guī)則，樹冠體積難以測(cè)量和計(jì)算的問題，提出一種基于三維激光掃描點(diǎn)云的樹冠體積計(jì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理提取測(cè)樹因子，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)此方法與傳統(tǒng)方法相比更符合樹木實(shí)際情況[4]。

以上所提出的利用三維激光掃描儀測(cè)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(jià)高、體積大、攜帶不便；同時(shí)需要在多點(diǎn)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(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，提出一種基于分層網(wǎng)格點(diǎn)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(jié)合，提高了采集效率，但也增加了設(shè)備成本，難以普及，在某些領(lǐng)域仍使用不便。

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

1 車載激光雷達(dá)掃描儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1.1 車載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的測(cè)量原理

激光雷達(dá)發(fā)射的激光束對(duì)Y-Z平面進(jìn)行點(diǎn)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(tái)上的姿態(tài)傳感器和車速計(jì)算后得到的距離數(shù)據(jù)作為X軸數(shù)據(jù)，相結(jié)合組成整套系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)部分。通過運(yùn)動(dòng)控制和激光雷達(dá)的掃描，可得到物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.2 車載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)是將低成本二維激光掃描儀與可移動(dòng)的車載平臺(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空間三維信息的采集，其主要是由激光雷達(dá)、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(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、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(nèi)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(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取車載平臺(tái)行進(jìn)過程中的姿態(tài)角。激光雷達(dá)掃描獲取的剖面數(shù)據(jù)以及姿態(tài)傳感器和車速計(jì)算后得到的距離數(shù)據(jù)相結(jié)合，組成整套系統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)部分，實(shí)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(tái)的移動(dòng)速度和方向，使用的通信模塊HC-05和上位機(jī)進(jìn)行串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

底盤采用45號(hào)鋼制作而成，強(qiáng)度較高，可原地轉(zhuǎn)彎，可適應(yīng)室內(nèi)、室外普通路面及泥濘路面。車載底盤搭載的四軸驅(qū)動(dòng)器模塊用于驅(qū)動(dòng)四路直流有刷伺服電機(jī)，集成了四輪差動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制算法，可以通過RS232串口、CAN總線通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤整體或單個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

1.3 車載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）下位機(jī)程序。

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

（2）上位機(jī)程序。

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件由Visual studio 2008設(shè)計(jì)編寫，主要對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，點(diǎn)擊上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件選擇串口，設(shè)置高度和角度，點(diǎn)擊啟動(dòng)測(cè)試按鈕，可在線實(shí)時(shí)描繪掃描平臺(tái)所在剖面的空間輪廓，上位機(jī)程序流程圖如圖3所示。

1.4 車載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與分析

掃描系統(tǒng)所使用的激光掃描儀有效探測(cè)距離為6 m，而且室內(nèi)的空間環(huán)境較為復(fù)雜，不同形狀的物體會(huì)造成不同程度的遮擋，所以，在進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選擇鐵柜和走廊等較為典型的物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

首先進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)穩(wěn)定度的探究。以走廊環(huán)境為掃描對(duì)象，選定一起點(diǎn)，開啟掃描角度180°～360°，控制平臺(tái)以0.2 m/s的速度沿直線向前行進(jìn)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(cè)精度，選取鐵柜為掃描對(duì)象，如圖5所示，并以不同的平臺(tái)運(yùn)行速度進(jìn)行檢測(cè)，將掃描結(jié)果與人工精確測(cè)量的結(jié)果相對(duì)比，研究平臺(tái)的測(cè)量精度，掃描結(jié)果如圖6所示。

表1為物體掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果，先人工測(cè)量相關(guān)參數(shù)，再將系統(tǒng)進(jìn)行10次掃描獲得數(shù)據(jù)求取平均值作為掃描結(jié)果，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，掃描系統(tǒng)的測(cè)量精度較高，保持在93%以上。

為進(jìn)一步探測(cè)系統(tǒng)對(duì)非規(guī)則物體輪廓的探測(cè)情況，對(duì)連續(xù)盆栽進(jìn)行輪廓掃描實(shí)驗(yàn)。將多個(gè)盆栽間隔20 cm擺放成列，另一側(cè)為平整玻璃或墻壁，使平臺(tái)可以從中間形成的通道中穿過。車載平臺(tái)從一端出發(fā)，沿盆栽列以0.2 m/s的速度勻速前進(jìn)，依次通過三個(gè)盆栽后停止，在上位機(jī)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(jī)軟件顯示的圖像可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平臺(tái)運(yùn)行速度較小時(shí)，掃描到的數(shù)據(jù)很穩(wěn)定且精度很高，表明平臺(tái)與系統(tǒng)運(yùn)行可靠且測(cè)量精度高。

1.5 車載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）可靠性好，測(cè)量精度高。車載激光雷達(dá)掃描儀將一般的低成本二維激光掃描儀與可移動(dòng)的車載平臺(tái)相結(jié)合，以較低價(jià)格實(shí)現(xiàn)空間三維信息的獲取。在模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，根據(jù)上位機(jī)軟件顯示的圖像可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車載掃描平臺(tái)運(yùn)行速度較小時(shí)，掃描到的數(shù)據(jù)很穩(wěn)定且精度很高，測(cè)量誤差在93%以上。

（2）反饋及時(shí)、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(jī)，借助設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理軟件，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)掃描對(duì)象的外形輪廓。顯示范圍可以對(duì)顯示框進(jìn)行放縮，角度調(diào)節(jié)選擇關(guān)閉或開放某一角度的掃描圖像，方便及時(shí)調(diào)整平臺(tái)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(dá)，采用的是三角測(cè)距原理，無需可見光源，能在各類室內(nèi)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(jié)語

該文提出的車載三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)豎直平面的切割掃描，靈活地利用二維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了三維激光掃描儀的功能，可應(yīng)用于管道、室內(nèi)房間、林業(yè)勘查等領(lǐng)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理，為三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集領(lǐng)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(diǎn)云信息，仍需手動(dòng)遙控行進(jìn)；車載底盤不夠靈活且定位修正能力仍有欠缺等，對(duì)此，仍有許多方面有待改進(jìn)，如，加入車載底盤自動(dòng)算法，使得車載地盤實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單自主移動(dòng)；可以將車載底盤設(shè)計(jì)地更加緊湊，采用圓形底盤，將車載芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等豎直疊加放置等。

參考文獻(xiàn)

[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(yīng)用研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（S2）：43-47.

[2] 韋雪花，王永國(guó)，鄭君，等.基于三維激光掃描點(diǎn)云的樹冠體積計(jì)算方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，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(cè)定[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，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(shù)的林木胸徑提取算法分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)的單株行道樹信息提取方法[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（2）：38-49.