一種三維激光掃描系統及點云標定方法

黃陸君 虞 靜 涂 樸

（1.四川文理學院智能制造學院；2.達州智能制造產業技術研究院）

激光掃描是一種對于空間進行掃描測量技術，通過主動發射脈沖激光信號并進行飛行時間測量和出射角度測量，可實現快速的空間斷面測量錯誤。在工業檢測應用中，斷面掃描成像缺乏三維空間信息，無法滿足三維空間測量需求，需要進行二次集成以實現三維空間掃描。

為實現基于二維激光掃描儀的三維空間掃描點云數據標定，本文從系統三維成像原理出發設計了系統點云標定方法，通過對安裝誤差參數的補償實現了高精度點云數據的獲取，經標定后的點云數據精度達到±1cm，能夠滿足常見的三維空間掃描應用需求。

1 激光三維掃描系統

為實現三維空間掃描成像，采用電控轉臺攜帶單線激光掃描儀連續旋轉的方式實現空間三維掃描，掃描視場角180°使得整個系統可實現180°×360°空間三維掃描，系統結構及分布如圖1所示。

圖1 系統結構

二維激光掃描儀采用SICK LMS511產品，可實現180°視場角斷面掃描，掃描速度可達到100線/s，測距精度可達到±8mm，最大測距80m。電控轉臺以步進電機作為動力，最大旋轉速度40°/s，設計系統旋轉速度20°/s，單圈掃描時間18s。二維激光掃描儀通過旋轉同步軸和增量式編碼器連接，增量式編碼器分辨率3600PPR，通過角度測量單元的4倍頻后可達到14400PPR，測角精度0.025°。控制和數據采集單元置于設備固定端，采用ARM+FPGA組合實現系統控制、數據采集和數據處理，掃描儀通過導電滑環與控制和數據采集單元連接。

控制和數據采集單元包括ARM和FPGA兩種控制器，ARM嵌入式系統采用Linux操作系統作為運行平臺，以數據處理、數據交互和系統總控為主要功能。ARM嵌入式采用瑞士Toradex AG公司Apalis-TK1核心板作為主控單元，TK1具有4核ARM Cortex-A15處理單元，運行主頻高達2.2GHz，支持CUDA 6.5；FPGA單元用于底層控制和數據采集，包括步進電機的細分控制、增量式編碼器角度測量、系統電源管理等功能。FPGA單元設計了與ARM單元的數據交互接口，采用標準的串口通信協議，實現指令和數據的交互。

2 點云標校方法

2.1 三維點云解算

二維激光掃描儀采用極坐標表示掃描數據，設當前測距R且掃描角度α，設電控轉臺當前旋轉角度β，則當前測點的三維坐標計算為：

二維激光掃描儀數據幀支持編碼器脈沖直接輸入，掃描儀自動記錄當前脈沖數量，即一幀掃描數據對應同一個旋轉角度。為進一步提升測角精度，需對激光掃描儀所記錄的旋轉角度進行插值運算，設一幀掃描點數量N且旋轉角度為βi，則第n個掃描測點對應的旋轉角度計算為：

其中βi,i+1,n為第i幀數據的第n個點所對應的轉臺旋轉角度，注意掃描儀掃描角度為180°，但掃描光機為連續旋轉的360°掃描，故式(2)角度增量中步進量為：

2.2 點云標定方法

系統坐標定義為掃描儀坐標和三維空間坐標的XZ軸完全重合的理想條件，實際的安裝和機械加工會存在一定的誤差，導致掃描儀坐標軸并不與定義的坐標軸重合。采用參數描述掃描儀坐標系和全局坐標系原點在XY軸向上的偏差及掃描儀安裝的橫滾和俯仰角度，則對掃描儀安裝誤差的標定計算為：

式中Rφ和Rγ分別為橫滾和俯仰所對應的旋轉矩陣，T為XY軸坐標的平移矩陣。

3 實驗與分析

實驗采用自制三維掃描系統，二維激光掃描儀、嵌入式控制系統和電控轉臺經系統集成后，由1路網絡通信接口實現與外部通信和數據交互，掃描速度20°/s。系統安裝誤差導致三維掃描系統360°掃描后的點云存在錯位，三維掃描點云精度不高。采用式（4）所述的方法對系統點云進行標定，經反復調整最終確定的系統標定參數為（-0.004，-0.046，0.1，0.4），經標定后的三維掃描系統所獲取的點云細節更加明顯，房間結構更加清晰，360°掃描所獲取的點云錯位消失，消除了系統安裝誤差對點云精度的影響，經標定后的平整墻面點云厚度小于2cm，點云精度達到了設計要求。如圖2所示。

圖2 標校后的點云

結語：為實現基于二維激光掃描儀的三維空間成像測量，設計了基于旋轉的激光三維掃描系統，通過FPGA控制電控轉臺進行連續旋轉掃描實現了空間三維測量，獲取了三維掃描點云數據；提出了消除系統安裝誤差的點云標定方法，對掃描儀安裝誤差進行了補償，提升了三維點云精度。通過室內場景的三維掃描和數據標定實驗，驗證了三維掃描系統功能和點云標定方法的有效性，實驗結果表明，經標定后的三維掃描系統點云精度可達到±1cm，系統重復精度可以達到±1.5cm，系統功能和點云數據精度達到了設計預期要求。