3D激光雷达系统设计与应用

只看该作者 · 2018-10-17 12:24

3D激光雷达系统设计与应用
在现代工业计量中，越来越需要非接触式，精确的仪器来监测目标的距离，
以及测量目标轮廓并提供其形状的三维重建。在这些最现代的技术中，光学技术
已被证明是非常有效的，通过提供非接触手段获取信息。更确切地说，在自动检
测，测量和控制等许多应用中，视觉传感器的应用场景更为广泛和有效。
本文在分析了激光三角测距法基本原理后，设计并制作了一种低成本3D激
光雷达。首先基于激光三角单点测距原理，推导出由反射光斑在成像器上的像素
点位置计算被测物体实际距离的数学模型，然后通过使用线激光器和步进电机来
实现三维扫描，最后对扫描获得的数据进行三维解算，得到三维坐标并保存为点
云数据。在扫描测量过程中，应用了光斑中心位置提取算法来精确定位反射光斑
在成像器上的位置，并通过一种加权平均算法来改善由于采用线激光器而导致的
新的误差问题。

只看该作者 · 2018-10-17 12:25

本文制作了两台激光雷达样机，每台的成本控制在三百元*币以内。光学
测量部分选用了808nm红外线激光器和采用CMOS图像传感器的高速摄像头，
控制部分使用了STM32开发板控制步进电机。软件使用Keil和Visual Studio编
写。本文对两台雷达样机均进行了测量实验，分析了各自的精度与测量范围。
实验结果表明，本文设计的3D激光雷达能够很好的完成3D物体扫描，环
境3D重构等工作。当摄像头焦距与雷达基线长度的乘积为760mm2时，最小测
量距离为200mm，测量误差在lm内时不大于25mm，在3m内不大于53mm,
在4m内不大于70mm;当摄像头焦距与雷达基线长度的乘积为1 SOOmm2时，最
小测量距离为400mm，测量误差在lm内时不大于6mm，在3m内不大于33mm}
在4m内不大于64mm o

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第一章绪论
光学测量技术是测距技术领域里的一个重要分支，在近现代有着显著的发展
和广泛的应用前景，其中主动光学测量技术得到了更多的青睐，它通过使用结构
化光源来精确地获得测量数据，减少场景分析的模糊性。目前常用的技术主要有
干涉仪、激光脉冲测距、激光相位测距、激光三角测距和像素化焦平面技术等。
1.1研究背景
精确测量一直都不是一件容易的工作。在大多数情况下，这是一个复杂和
具有挑战性的问题。量化物理过程而不影响其环境是每个科学或工程学科面临
的艰巨挑战。在现代工业计量中，越来越需要非接触式，精确的仪器来绝对监测
目标的距离，以及测量目标轮廓并提供其形状的三维重建。在这些最现代的技术
中，光学技术己被证明是非常有效的，通过提供非接触手段获取信息川。更确切
地说，在自动检测，测量和控制的许多应用中，光学距离传感器得到了广泛使用。
光学距离传感器和应用在过去十年中有了显着的发展。应用范围从测量从轨
道卫星到地球表面几百公里的距离[2]到以纳米分辨率操作的光学轮廓仪[[3]0
快速增长的领域的例子包括:机器人应用，建筑设备(例如Leica DISTO类
手持激光测距仪)，机器人真空吸尘器(例如Electrolux Trilobite )，玩具(例如
LEGO MINDSTORMS汽车应用(例如自适应巡航控制)，计算机输入设备(例如
微软Kinect)，无接触开关(例如卫生设备，照明控制)，节能传感器(ATM，复
印机，自动售货机，笔记本电脑，LCD显示器)和其他应用[4]0
目前，光学测量技术可能是测量固定和移动物体的尺寸，横截面形状和位置
的最基本方法，并且己经被各种广泛地应用[[5-g3。此外，它们还用于验证或校准
其他非光学方法。现在已被广泛接受的是，许多测量问题本质上是三维的，二维
情况很少存在。如果场景的三维信息可用，许多二维的应用程序可以大大简化[[9]0
一个很好的例子就是印刷电路板上电子元件的位置测量。它将需要使用二维技术
的复杂和繁琐的算法。相反，通过使用范围信息，可以使过程更加的简单和有效。
三维光学测量涉及分析被物体反射或辐射的光通量的特性。根据应用类型及
其实际限制，如何选择正确的图像系统或技术变得更加复杂。目前，与图像信息
有关的技术如果不需要受控光源，并且被动地涉及辐射束(通常是激光)，那么
它大部分被分类为被动的。多年来，被动测量技术已被用于三维测量的大部分工
作中，例如地形测量。而使用主动测量技术测量地形则显得不切实际。被动技术
试图在环境光线下分析物体的结构。所以系统的性能很容易受到环境的影响。最
近，由于这种测量技术的一些限制和局限性，例如恶劣的环境，工业应用时需求
的低成本性和紧凑性，使得使用主动方法比被动技术更容易获得3D数据。主动
技术试图通过使用结构化光源来减少场景分析的模糊性。主动系统将光投射到一
个物体上。然后光线被照明物体的表面反射并被检测器接收。收集的能量可以提
供有关分析对象的信息，例如其距离。通过利用三维物体旋转和平移的不变性特
性，基于主动视觉的系统可以解决二维成像系统发现的大多数模糊问题。另外，
对于基于激光的方法，三维信息对背景照明和表面纹理的成像相对不敏感，这使
得主动系统比被动视觉更加适应恶劣的环境。

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.2.2脉冲激光测距
基于脉冲飞行时间的激光测距仪广泛用于各种军事、工业和大众应用中，包
括绝对距离测量，轮廓分析，定位和三维视觉。这种技术的基本原理是基于这样
的事实，即光在给定介质中以有限和恒定的速度传播。因此，通过计算光在介质
中传播所产生的时间延迟可以得到距离。整个测量量程的精度相对恒定，因为这
些系统需要检测通过空气传播的时间光，所以测量将仅受电子设备中的偏移和抖
动的影响。脉冲飞行时间激光雷达装置通常由激光脉冲发射器，必要的光学器件，
两个接收器通道和一个时间数字转换器(TDC)组成，如图1-2所示。激光脉冲
发射器向目标发射短光脉冲。然后在接收器通道中处理接收到的起始脉冲，为
TDC生成逻辑电平起始脉冲。以相同的方式处理从目标反射并由停止接收器通
道的光检测器收集的光脉冲，并且向TDC生成逻辑电平停止脉冲。TDC使用它
的时间基准将时间间隔转换为表示与目标距离的数字。由于光速极高，定时器分
辨率必须非常快，以获得良好的精度。此外，激光脉冲的触发时间必须非常短。

只看该作者 · 2018-10-17 12:28

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1.2.3激光相位测距
激光相位测距法使用正弦或方波来调制激光器，用相位计测量出射光束和入
射光束之间的相位。通过降低频率来精确测量相位是可行的[31]。典型的调制频率
是数十兆赫兹，现代测量仪器和手持激光测距仪都是基于这种调制技术。该方法
的缺点是需要很长的测量时间才能得出相位差值。另外，距离计不能区分距离值
调制波长的倍数的距离。为了建立正确的距离，传感器必须改变调制频率几次以
找到绝对距离。测量需要具有不同频率的多个测量的事实意味着这种类型的传感
器在动态场景中可能表现差。Bosch[3z]讨论了这种类型的传感器的误差来源。
Yoon[33]描述了相位测量时的信号处理。Beheim[3a】描述了一种在1.5米的距离上
操作的传感器。Minoni[3s]描述了一种工作范围从130~到300 mm的传感器。
1.2.4激光三角测距
基于激光三角的测量技术原理有很长的历史，从古希腊的基本测地测量到更
现代的基于激光的摄像机。希腊哲学家泰勒斯在公元前六世纪发现了五个几何定
理。其中两个用于解决基于三角测量的距离相机中的三角测量方程:相交直线和
余弦定律的相反角度。激光三角测量法通过发射的激光束经过被测物体的反射后
在激光检测器上的位置来计算距离，通过在激光检测器上光束的位移来计算距离
差。激光检测器典型的是1维或2维照相机，然后测量到激光光斑的角度。到斑
点的距离与斑点的角度具有函数关系，这是三角测量。这种类型的传感器可以用
位置敏感检测器(PSD)来实现。这是一个可以测量激光光斑位置的光电传感器。
PSD具有高带宽和低成本的特点。但是，它没有像素化。换句话说，暗电流在整
个焦平面上累积，并且不能抑制场景中的背景照明。这意味着在明亮照明的场景
中在2米以上的距离处操作这种类型的传感器是有问题的，因为对眼睛无害的强
度的激光信号由于暗电流和背景照明而变得不明显。目前可以通过脉冲激光器以
减去暗电流和背景照明来提供一些缓解。Wallrabe}36]描述了一种基于PSD的传感
器。最近，基于PSD的距离传感器己经出现在Sharp}3}}中并且成本控制在10美
元范围内。Nikashima}3g}描述了一种利用2个PSD芯片的系统，从而提高了范围
和精度。Kramer}39]描述了一种同时可以使用LED作为照明源的系统。三角测量
是要求工作范围小于10米的应用中最常用的方法。到目前为止，在2米到10米
的范围内，商用的三角测量传感器数量有限。

只看该作者 · 2018-10-17 12:29

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2.2激光三角法三维解算
2.2.1基于激光三角法的激光，达设计思路
从上一节我们可以知道，使用点激光器和摄像头制作扫描装置，再通过安装
电机使扫描装置旋转，可以实现对场景或物体2D扫描。如果使用线激光器，每
一次扫描并计算线激光经过物体反射到摄像头画幅中的所有点，再使扫描装置旋
转，即可实现对场景或物体的3D扫描了。本文的3D激光雷达就是基于这个思
路制作。

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