基于三角測距原理的3維激光雷達的設計

谷汝楠+許宗陽+張宸+張雨閣+李枝亮

摘 要：該文針對傳統的工業激光雷達成本較高，操作復雜等不足，提出了成本較低的基于三角測距原理的3維激光雷達的設計。通過實際掃描實驗顯示3維激光雷達在10 m內都能正確識別物體形狀，誤差水平在5 mm左右。因此，完全可以在大多數場合下替代傳統的工業激光雷達使用。

關鍵詞：三角測距 激光雷達 點云 光點提取

中圖分類號：O439 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）06（a）-0003-02

激光雷達通過激光主動探測即可快速獲取物體表面的信息數據，是現代測量技術的新手段。同時激光雷達的點云數據的重建在多媒體、產品設計、醫學、動畫業等許多領域內都有廣泛應用。但是市面上的激光雷達系統普遍價格高昂，這對普及激光雷達的使用帶來了極大的阻礙。針對這一現狀該文研制了基于三角測距原理的3維激光雷達，這一系統成本極低、使用方便、適應性強，因此能夠極大的普及激光雷達的使用。

1 3維激光雷達掃描測量原理

激光雷達現在普遍采用的測量方法有兩種：第一種是利用相位差和時間差進行的TOF測距，第二種是三角測距。因為第一種方式所要實現的硬件設備成本較高，所以該文采用的是第二種成本較低的三角測距。這也是該文實現低成本激光測距的關鍵，因為三角測距不需要用到TOF測距所要求的復雜硬件設備，并且在一定范圍之內，三角測距也可以達到與TOF測距相媲美的測距精度和分辨率。

1.1 激光雷達三角測距原理

圖1中展示了對測量對象（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是點狀激光器，標有s的線段可以看成是一個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距離；f 為攝像頭的焦距；x 為物體上激光光點在攝像頭感光元件上的成像到一側邊緣的距離。公式（1）和（2）就是三角測距的基本原理。

2 3維激光雷達電子系統與機械結構設計

如圖2中的流程圖，該文所設計的3維激光雷達的電子系統主要由三大部分組成。第一部分是由鍵盤輸入、串口通信、數碼管顯示、供電電源模塊組成的子模塊系統；第二部分是STM32單片機為內核的數據處理系統；第三部分為線性激光器和攝像頭、舵機組成的掃描系統。其中子模塊系統組成十分簡單，在此不做贅述。

數據處理系統選用的是意法半導體公司的STM32F103ZET6這一款芯片，它擁有高速的處理速度，是當前嵌入式產品的一款主流芯片。由線性激光器掃描得到的距離數據和攝像頭采集的圖像數據在STM32單片機中進行初步的處理和擬合然后才能被送到PC中進行最后的處理和顯示。

掃描系統是通過控制舵機步進轉動來配合攝像頭與線性激光器來得到一組點云數據。首先打開線性激光器，線性激光和被測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的感光元件面上，經光電轉換變成電信號后，再送入STM32單片機中由三角測距原理測出這條亮線上各點的空間三維坐標數據。再由舵機帶動線性激光器做步進轉動，使激光平面在物體表面上掃描，從而得到關于被測物體表面信息的一組點云數據。

機械結構主要為舵機云臺的搭建，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。同時需要移除攝像頭的紅外截止濾光片，不然攝像頭對紅外光的感應很弱，無法進行正常的信息采集。

3 3維激光雷達的圖像處理與矯正

通過線性激光器和攝像頭掃描得到的原始數據激光光點信息不明確，如果直接進行數據重建很容易出現錯誤。故需要知道激光光點的準確坐標。對于一般的點狀激光器可以通過質心法進行求解，當然對于線性激光器也可以通過類似的過程應用線性插值求質心的方法求得相應的一列激光光點坐標。不過過程較為復雜且運算量較大。因此該文采用了一種新的求激光光點坐標的方法。即將激光亮線看成是符合高斯分布的，通過計算這個高斯函數的一階導數的過零點坐標，即為原高斯函數的峰值，也就是需要求取的光點坐標。

因為該設計采用的是廣角無畸變攝像頭，故攝像頭畸變矯正較為簡單，該文采取了傳統的棋盤法進行矯正，并將矯正數據導入MATLAB的Camera Calibration Toolbox工具箱中進行數據擬合從而得到矯正后的攝像頭數據。

對測距參數的矯正采用實測法，即通過實際測量的距離數據與線性激光器所測得的距離數據進行擬合來達到對線性激光器測距參數進行矯正的目的。

最后將矯正處理過后所測得的點云數據通過公式（3）進行激光光點的計算后導入到PC中的MeshLab軟件中進行數據重建和三維渲染即可的到最后的3維圖像。

4 結語

該文在2維激光掃描測量的基礎上，利用線性激光掃描技術，可得到被測物體的完整三維數字模型。并介紹了3維激光雷達掃描的基本原理和其激光光點的計算方法。經過實際掃描實驗顯示該設計掃描精度高，掃描速度快且該設計成本極，故將極大的普及激光雷達的使用。

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