徐丹陽,何正才,葉震輝,蔣曹羽,鄢 波

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,浙江 杭州 310023)

20世紀(jì)60年代初,科學(xué)家就提出了激光雷達的概念。激光雷達探測技術(shù)是將激光、計算機和高速信息處理等技術(shù)相結(jié)合的高新技術(shù),能夠主動、快速和精確地獲取地表或大氣三維空間信息,美國國家大氣研究中心首次將其應(yīng)用在氣象學(xué)上來測量云[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及實際需求的不斷細(xì)分,激光雷達根據(jù)工作方式不同可分為機械式激光雷達、固體激光雷達和量子激光雷達等[2];根據(jù)搭載平臺不同可分為星載激光雷達、機載激光雷達、車載激光雷達和地基激光雷達等[3-4]。激光雷達的應(yīng)用領(lǐng)域有大氣探測[5-6]、無人機[7-9]、機器人[10-11]、自動駕駛[12-14]及工業(yè)應(yīng)用等。激光雷達技術(shù)雖然應(yīng)用越來越廣泛,但是在實驗教學(xué)方面應(yīng)用較少,筆者通過激光雷達實驗,設(shè)計研發(fā)了激光雷達原理演示實驗裝置,使激光雷達能更好地推向?qū)嶒灲虒W(xué),加深學(xué)生對激光雷達基本原理的了解及應(yīng)用。該裝置的優(yōu)勢在于激光雷達可以±30°水平旋轉(zhuǎn)及前后伸縮,用于驗證激光雷達360°檢測和激光測距;多場景板的設(shè)計,用于驗證不同環(huán)境下激光雷達辨別不同目標(biāo)物的能力。筆者裝置能夠?qū)崿F(xiàn)如下實驗:1) 目標(biāo)物測量,包括位置、相對位置和外形等;2) 雷達分辨率的理解,垂直和水平角分辨率;3) 不同距離下分辨目標(biāo)物能力;4) 了解激光雷達計算目標(biāo)空間坐標(biāo)的算法等。

1 基本原理

激光雷達測距的基本原理是通過測量激光發(fā)射和反射回來之間的時間,即飛行激光的時間來計算目標(biāo)的距離。根據(jù)不同激光的發(fā)射信號,可分為脈沖法激光測距和相位法激光測距[15-17]兩種類型。

1.1 脈沖方法

脈沖方法是指激光雷達發(fā)射一束激光,一部分激光被測量物反射回,并被激光雷達的接收器接收,激光雷達記錄發(fā)送和接收之間的時間間隔,根據(jù)光速計算得到測量距離。具體計算式為

D=CT/2

(1)

式中:D為探測距離;T為飛行時間;C為光速。

1.2 相 位 法

相位法是將連續(xù)激光信號進行幅度調(diào)制,調(diào)制光的幅度隨時間發(fā)生周期性變化,測量調(diào)制激光發(fā)射與反射的相位變化即可得出時間與距離。激光雷達(LiDAR)在一個特定速度下做勻速轉(zhuǎn)動,并連續(xù)發(fā)射紅外激光,同時接收反射點的激光信號,包括反射點距離、時間及水平角度等,一個發(fā)射器對應(yīng)一個垂直角度,利用這些變量數(shù)據(jù)可以獲得相應(yīng)反射點的位置信息。激光雷達旋轉(zhuǎn)360°收集到的所有反射點坐標(biāo)的集合就變成點云,從而得到全方位的環(huán)境信息。

坐標(biāo)映射如圖1所示。根據(jù)垂直角度、水平角度和距離等參數(shù),在極坐標(biāo)中得到的數(shù)據(jù)變換為右手笛卡爾坐標(biāo)系(x,y,z)下的信息,轉(zhuǎn)換關(guān)系表達式為

(2)

式中:r為距離;ω為垂直角度;α為水平旋轉(zhuǎn)角度。

圖1 坐標(biāo)映射Fig.1 Coordinate mapping

2 儀器設(shè)計

實驗裝置示意圖如圖2所示。圖2中:1為儀器控制盒用于實現(xiàn)激光雷達的開、關(guān)及改變角速度等。3為激光雷達設(shè)備主體,由紅外相機、調(diào)節(jié)平臺(三維)和激光雷達構(gòu)成,其采用脈沖式激光測量距離,包含16條紅外激光發(fā)射線,頻率為5～10 Hz,垂直分布角為-15°～+15°,絕對精度<5.00 cm,垂直角分辨率示意如圖3所示,其由廠家給出,激光線束與對應(yīng)角度如表1所示。激光雷達和紅外相機裝在三維調(diào)節(jié)平臺上,調(diào)節(jié)平臺可上下、前后15.00 cm調(diào)節(jié),可向左向右各調(diào)節(jié)30°,調(diào)節(jié)精度5°,主體示意圖如圖4所示,實物圖如圖5所示。紅外相機的拍攝波長范圍是可見光905 nm,可以將人眼不可見的905 nm光線可視化,使得演示效果清晰可見。5為被測量樣品,可根據(jù)實驗內(nèi)容自行挑選材料設(shè)計外形,形狀可以是三角形、正方形、長方形或橢圓形等,材料可以是塑料、布、紙或金屬等。7為煙霧產(chǎn)生器,可調(diào)節(jié)煙霧顆粒大小及煙霧濃度,用于研究激光雷達在惡劣環(huán)境下識別物體形狀及大小的能力。6為置物臺,由上下兩個部分組成,單獨使用時可插入一些薄板,組合使用時可放置各種形狀的物體。2為計算機,用于運行激光雷達演示裝置的運行軟件,分析實驗現(xiàn)象。4為多場景模擬板,采用插拔式設(shè)計,可將紙片或塑料等裁剪好的目標(biāo)形狀固定在表層為軟木的模擬板上,其特點是一張模擬板對應(yīng)一個測試環(huán)境,設(shè)計輕巧,制作靈活,操作方便,隨時可以制作模擬測試環(huán)境。

圖2 儀器示意圖Fig.2 Schematic diagram of instrument

圖3 垂直角定義示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical angle definition

表1 激光線束與對應(yīng)角度

圖4 激光雷達實驗儀主體示意圖Fig.4 Schematic diagram of the main body of the LiDAR experiment instrument

圖5 激光雷達實驗儀主體實物圖Fig.5 Physical diagram of the main body ofthe LiDAR experiment instrument

3 實驗結(jié)果與分析

用筆者實驗裝置進行了其中3個有關(guān)激光雷達原理演示實驗裝置的實驗:距離探測、物品形狀識別和垂直角分辨率測量。利用激光雷達生產(chǎn)廠家配套的軟件進行軟件操作,從而獲得相應(yīng)的圖片及數(shù)據(jù)。

3.1 距離探測

激光雷達采用脈沖法測量距離,即根據(jù)激光的飛行時間得到障礙物的位置信息。將多場景模擬板正對激光雷達實驗儀主體(激光雷達中心點)98.00 cm處放置,打開激光雷達測量軟件,在強度模式下觀察彩色點云圖,點云圖的顏色分布會隨物體反射強度不同而隨之改變。如果激光雷達發(fā)出的16條線激光沒有全部落在場景模擬板上(打開紅外相機進行觀察),投影圖如圖6所示。首先,調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)平臺右側(cè)手輪使激光雷達上下移動到界面中心位置顯示16條線激光時擰緊左側(cè)手輪;然后,左右移動三維調(diào)節(jié)平臺底座,使場景模擬板上的點云圖中心線與軸坐標(biāo)線重合;最后,前后微調(diào)三維調(diào)節(jié)平臺底座,確保激光雷達與場景模擬板之間的距離為98.00 cm,最終顯示界面如圖7所示。

圖6 激光雷達投影圖(14線)Fig.6 LiDAR projection (14 lines)

圖7 激光雷達投影圖(16線)Fig.7 LiDAR projection (16 lines)

通過改變?nèi)S調(diào)節(jié)平臺前后距離臂使激光雷達中心點與目標(biāo)物之間的相對距離,首先讓臂每次往前伸2.00 cm;然后讓臂往回縮2.00 cm,每次改變相對位置后在軟件界面上讀取距離數(shù)據(jù)值(垂直角度為1°或-1°),距離探測數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出:測量絕對誤差符合激光雷達本身絕對精度參數(shù),測量相對誤差在2.0%以內(nèi)。數(shù)據(jù)顯示誤差為正偏差,可能是激光雷達在安裝時中心沒有與儀器中心完全重合,往前偏了一點,后期生產(chǎn)加工時需要提高器件的加工及安裝精度。

表2 距離探測數(shù)據(jù)

3.2 物品形狀識別

實驗物體和多場景模擬板對光的反射率不同,激光雷達接收到的反射光強度也不同,在激光雷達控制軟件強度模式下彩色點云圖中顯示的畫面可以得到被測物品的輪廓。使用反射率較高的材料做成三角形、矩形和橢圓等圖形固定在覆蓋黑色絨布的多場景模擬板上,實物圖如圖8所示,得到的探測圖如圖9所示。

圖8 物品圖片F(xiàn)ig.8 Objects pictures

圖9 物品識別圖片F(xiàn)ig.9 Objects identification pictures

由圖9能夠基本辨識實驗物體的外形輪廓,為了得到更加清晰的圖形輪廓及實驗教學(xué)拓展資料,可以讓學(xué)生使用Python對圖形進行特征提取。利用Python中的OpenCV對圖像作進一步的處理,通常對顏色空間的圖像有效處理是在HSV(Hue saturation value)顏色空間實現(xiàn)的,對于基本色中相應(yīng)的HSV分別給出一個嚴(yán)格的范圍。HSV的3個字母分別代表色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和明度(Value)。首先,使用OpenCV中的Imread函數(shù)讀取圖像并以Mat類存儲;然后,使用CvtColor函數(shù)將圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV顏色空間;最后,通過對照HSV參考表,對想要提取的顏色指定HSV的3個值的范圍,使用InRange函數(shù)對指定顏色進行提取,處理后的結(jié)果如圖10所示。由圖10可以清晰地看到被測物體的形狀包絡(luò)線以及與多場景模擬板的分界線。

圖10 經(jīng)Python提取特征后的圖形Fig.10 The graph after extracting features by Python

3.3 垂直角分辨率測量

評判多線機械激光雷達性能有多個重要指標(biāo),其中垂直角分辨率是反映激光雷達反應(yīng)能力的重要參數(shù),角分辨率越小,激光點云數(shù)據(jù)密度越大,激光雷達對外部環(huán)境的反應(yīng)效果就越強。實驗中用到的激光雷達線排列如圖3所示,每個發(fā)射器間隔為2°(即垂直角分辨率)呈上下對稱排列。垂直角分辨率測量實驗中,在某一固定距離下垂直角分辨率的測量可通過如圖11所示的方法測量獲得。

圖11 垂直角分辨率測量說明Fig.11 Measurement instructions for verticalangular resolution

由于激光雷達原理演示實驗裝置中選擇的激光雷達沒有0°出射激光,因此在垂直角分辨率測量過程中需要經(jīng)過換算得到,舉例為

(3)

式中:A為+1°激光出射光線與多場景模擬板的交點;B為+3°激光出射光線與多場景模擬板的交點。

(4)

式中OC為激光雷達中心點到多場景模擬板的距離。當(dāng)θ角小于5°時,式(4)可以簡化為

(5)

通過以上分析,可以得出垂直角分辨率計算式為

θ=θi+2-θi

(6)

在激光雷達測量軟件界面中,首先分析Y視圖下正交視圖中各對稱角度點云圖,從而得到激光雷達垂直角分辨率參數(shù),實驗測得的圖像如圖12所示;然后點擊軟件中測量長度的控件,開始測量對稱角度點云的距離,從1°開始依次測量每組的距離,數(shù)據(jù)記錄在表3中;最后分析表中數(shù)據(jù),可知垂直角分辨率絕對誤差最大為0.4°,最小為0.1°,對應(yīng)的相對誤差分別為20%和5.0%。

圖12 垂直角分辨率測量說明Fig.12 Measurement instructions for verticalangular resolution

表3 垂直角分辨率測量數(shù)據(jù)(98.00 cm)

4 結(jié) 論

通過實地調(diào)研及理論知識學(xué)習(xí),設(shè)計并研發(fā)了激光雷達原理演示實驗裝置。采用三維調(diào)節(jié)平臺,保證激光雷達立體空間實驗?zāi)芰?幫助學(xué)生理解其原理及掌握分析儀器性能。多場景模擬板的設(shè)計,便于模擬激光雷達在不同環(huán)境下的工作狀況,如目標(biāo)識別和距離探測等。通過改變?nèi)S調(diào)節(jié)平臺伸縮臂的距離,驗證了激光雷達探測距離的性能,誤差在2.0%以內(nèi)。該設(shè)備提供了立體的調(diào)節(jié)尺度,不同的模擬場景裝置,其操作簡單,現(xiàn)象生動,實驗內(nèi)容豐富,能夠很好地演示激光雷達的工作原理。在實驗教學(xué)中,不僅能夠幫助學(xué)生加深對激光雷達工作原理的理解以及掌握主要性能參數(shù)指標(biāo),而且可以提高學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Α?/p>