一種單線全周式掃描激光雷達的應用及與同類傳感器的比較

王世峰，都凱悅，許庭赫，馬克·貝肖，朱勇，王銳

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022，2.Ocular Robotics，澳大利亞悉尼 2208）

激光雷達（Laser Scanner）是計算機環(huán)境感知最普遍的工具之一，工程師能夠通過這些傳感器建立周圍環(huán)境的二維模型或三維模型，激光雷達還可以用于導航、障礙檢測及避障、目標追蹤、三維重構等方面[1］。隨著自主系統(tǒng)智能水平的不斷提高，有效推斷環(huán)境的能力也穩(wěn)步提升。如何獲取關于環(huán)境的大量數(shù)據(jù)的傳感器選擇就變得越來越重要。考慮到雷達和視覺系統(tǒng)的分辨率和精度限制問題，激光雷達成為獲取大量環(huán)境數(shù)據(jù)的首選傳感器。在過去十年的發(fā)展中，研究者研發(fā)了一種可以超越傳統(tǒng)二維激光掃描儀的高效獲取三維點云的方法[2］。

1 現(xiàn)有激光雷達簡介

激光雷達一般可以分為單線和多線兩種類型。比較常見的有德國SICK公司的LMS151單線激光雷達，德國IBEO公司的LUX8L 8線激光雷達，美國Velodyne公司的16線、32線、64線激光雷達。澳大利亞Ocular公司的Robot Eye RE05是一種新型的單線全周掃描的激光雷達。傳統(tǒng)單線激光雷達的掃描區(qū)域可以簡單定義為一個二維平面，多線激光雷達因為具有俯仰角參數(shù)的關系，可以認為它具有掃描三維區(qū)域的功能。而RobotEye RE05由于產品本身的特性使得它能夠用單線激光對三維空間進行掃描。

1.1 單線激光雷達LMS151

LMS151是德國SICK公司推出的一款緊湊型、經濟型、主要用于室外區(qū)域防撞、測量及安裝的激光雷達，如圖1。它通過發(fā)出的一條激光束掃描某一區(qū)域，采用激光時間飛行原理（Time of flight）通過多次回波檢測技術，使得傳感器即使在惡劣環(huán)境下也可以返回檢測到的數(shù)據(jù)。其掃描角度為270°，掃描角度分辨率為0.25°或0.5°可調，掃描最大距離為50m，采用以太網形式傳輸數(shù)據(jù)。IP67的防護等級，霧氣校正功能及內部集成加熱器可保證該激光雷達用于戶外的可行性。用戶可以根據(jù)現(xiàn)場需要進行不同的保護區(qū)域設置，使得移動目標進入保護區(qū)域時發(fā)出警報[3］。

圖1 SICK公司LMS151激光雷達

1.2 8線激光雷達LUX8L

LUX8L是德國IBEO公司LUX系列產品之一，主要應用在無人駕駛領域。它同樣采用激光時間飛行原理（Time of flight）計算距離和回波的寬度。LUX8L的測量距離可以達到200m的平均距離，水平視場角為110°，垂直視場角為6.4°，距離分辨率為0.3cm，角度分辨率為0.125°，如圖2。IBEO公司該系列產品的主要優(yōu)勢是其多層掃描功能、多次回波技術、智能角度分辨率，這些優(yōu)勢使得LUX8L在惡劣天氣條件下也能精確識別被檢測物體，確保測量結果的無誤性，保證了使用的便利性和安全性[4］。

圖2 IBEO公司LUX8L激光雷達

1.3 多線激光雷達Velodyne

美國Velodyne公司的64線激光雷達是Darpa無人車挑戰(zhàn)賽上眾多團隊使用的主要傳感器之一，隨后陸續(xù)推出了16線和32線激光雷達。針對實驗室所擁有的16線激光雷達和32線激光雷達進行簡單對比。

1.3.1 16線激光雷達VLP-16

VLP-16激光雷達是Velodyne公司推出的最小型的三維激光雷達，安裝方便，重量輕。電機轉速可調節(jié)，實時上傳周圍環(huán)境檢測的距離和反射率測量值。測量范圍為100m，水平視場范圍為360°，垂直視場范圍為30°（+15°～-15°），距離分辨率為3cm，水平方向角分辨率為0.1°-0.4°，垂直方向角分辨率為2°。由于VLP-16的高速轉速，它可以每秒輸出高達30萬個測量點[5］。

1.3.2 32線激光雷達HDL-32E

HDL-32E與VLP-16相比，從16個激光器上升至32個激光器，體積稍有增大，結構堅固，相比64線激光雷達體積小巧輕便，如圖3。依舊是持有專利的旋轉設計使得其水平視場可達360°，垂直視場范圍為+10.67°～-30.67°。水平角度分辨率為0.16°（在600轉速情況下），垂直角度分辨率約為1.33°。其測量距離為70m，距離精度為2cm。每秒輸出約70萬個點[6］。圖3為Velodyne公司三款激光雷達展示，從左到右依次為HDL-64E，HDL-32E，VLP-16。

圖3 Velodyne激光雷達比較

2 RobotEye RE05

上述單線激光雷達只能進行二維掃描，8線激光雷達僅僅能實現(xiàn)2.5D掃描，不能實現(xiàn)真正意義上的三維掃描。澳大利亞Ocular公司的RobotEye RE05作為單線激光雷達卻能實現(xiàn)對周圍環(huán)境的三維掃描。圖4為本實驗室用RobotEye RE05采集數(shù)據(jù)。

表1對比了上述激光雷達在參數(shù)上的不同，用戶在不同的環(huán)境中可以選擇不同的傳感器。

圖4 RobotEye RE05采集數(shù)據(jù)

2.1 機械結構

傳統(tǒng)單線激光雷達如果想要進行三維掃描需要把傳感器固定在移動平臺上，然后通過移動或轉動平臺實現(xiàn)三維掃描。但是RobotEye RE05機械設計獨特，機身保持靜止，內部激光器與探頭固定在一起，僅掃描探頭根據(jù)用戶要求（三種掃描模式可選）轉動[7］，如圖5。

圖5 探頭運動方式

根據(jù)這種機械特性，RobotEye RE05的方位角范圍是360°連續(xù)的，俯仰角范圍為-35°～35°，且方位角和俯仰角的角分辨率都是0.01°。由于掃描鏡頭是單獨跟蹤的，不受鏡頭動力控制，那么記錄的方位角精度和俯仰角精度獨立于鏡頭誤差的計算方法。也就是說，無論RobotEye RE05選擇三種掃描模式中的哪一種，已記錄的三維點的角度精度都不會變化。

2.2 掃描模式

RobotEye RE05支持3種可配置參數(shù)的掃描模式：全區(qū)域掃描、限定邊界掃描、感興趣區(qū)域掃描。這3種掃描模式可以隨時轉換，即使RobotEye RE05在運行過程中也能在3種掃描模式中任意切換（通常反應時間為幾毫秒），這是其他3D激光雷達沒有的功能。每種掃描模式都可以進行參數(shù)設置，這就意味著用戶可以根據(jù)自己的需要改變掃描參數(shù)，而這些參數(shù)可以決定探頭的運動方式。

2.2.1 全區(qū)域掃描

RobotEye RE05在全區(qū)域掃描模式下的掃描區(qū)域為方位角從0°～360°、俯仰角范圍從-35°～35°的三維空間，如圖6。從圖中可以看出全區(qū)域掃描模式基本能夠將室內環(huán)境都展現(xiàn)出來。其中有兩個參數(shù)可調，一個是方位角變化率，單位是Hz，也就是每秒掃描探頭旋轉的角度；另一個是掃描線數(shù)，它表示最大俯仰角范圍內的激光線數(shù)。對于給定的方位角變化率和掃描線數(shù)，RobotEye RE05的俯仰角變化是連續(xù)的。

圖6 全區(qū)域掃描

2.2.2 限定邊界掃描

限定邊界掃描其實可以看做是全區(qū)域掃描在垂直方向上的選擇性截取，在水平方向上依舊是360°連續(xù)的。可調參數(shù)在方位角變化率和掃描線數(shù)的基礎上增加了俯仰角的最小值和最大值，如圖7。

表1 多種激光雷達參數(shù)對比

圖7 限定邊界掃描

2.2.3 感興趣區(qū)域掃描

感興趣區(qū)域掃描是由參數(shù)決定的掃描方式，這讓用戶通過對環(huán)境中特定區(qū)域集中掃描獲得該區(qū)域的3D數(shù)據(jù)。根據(jù)RobotEye RE05探頭的掃描方式可知，該模式下的掃描區(qū)域為一個長方形，由最小方位角、最大方位角、最小俯仰角、最大俯仰角決定。方位角變化率和掃描線數(shù)決定了掃描速度和邊界區(qū)域內的線分辨率。由于指定區(qū)域掃描模式的方位角掃描范圍是5°-180°，所以該模式下總是選擇最小和最大方位角之間較短的那段弧，如圖8。

圖8 感興趣區(qū)域掃描

2.3 RobotEye RE05小結

RobotEye RE05激光雷達是一款高性能的長距離激光雷達，專為快速生成空間云點而設計。采樣率高達30kHz和高掃描速度的RobotEye RE05系統(tǒng)非常適合在室內和室外采集高達30米-250米范圍內的密集點云數(shù)據(jù)。通過對三種掃描模式進行所需要的參數(shù)設定可以實現(xiàn)以往單線激光雷達不能達到的3D效果，即使設備運轉時也可以隨時切換模式，切換時間僅需幾毫秒，這是其他激光雷達所沒有的特點之一。由于其獨特的機械設計再加上掃描的高分辨率使得RobotEye RE05在收集特定區(qū)域信息時更加靈活，更加迅速。這體現(xiàn)了這種新型單線多自由度激光雷達在當前市場中的重要性。

3 結語

本文對比了業(yè)內常見的各種激光雷達的相關性能參數(shù)、工作環(huán)境、外形尺寸等，認為RobotEye RE05作為單線激光雷達在進行三維環(huán)境掃描的時候所表現(xiàn)出來的高性能及其靈活性是一種技術上的完善。在已有技術保證高分辨率的基礎上還可以根據(jù)需要調整掃描速度、掃描角度對指定區(qū)域進行掃描，從而獲取想要的信息。在不同的應用領域中，RobotEye RE05可以根據(jù)不同的需求進行靈活配置和數(shù)據(jù)采集，從而完成各種復雜的三維空間重構和目標識別及跟蹤等任務。

[1]Wood D，Bishop M.A novel approach to 3D laser scanning[C］.Proceedings of Australasian Conference on Robotics and Automation，Australia，2012.

[2]Montabone S，Wood D，et al.A long-range depth camera with configurable field of view and resolution[C］.The 9thInternationalSymposlum on Mobile Mapping Technology，Australia，2015.

[3]Sick AG，Operating instruction LMS1XX laser measurement sensors[Z］.Germany，2017.

[4]IBEO，F(xiàn)eatures ibeo LUX 8L and ibeo LUX 2010[Z］.Hanburg，2014.

[5]Velodyne.User’s manual and programing guide，VLP-16[Z］.U.S.A，2016.

[6]Velodyne.User’s manual and programing guide，HDL-32E[Z］.U.S.A，2015.

[7]Ocular Robotics，RobotEye RE05 user manual[Z］.Australia，2014.