月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法

摘要

本发明一种月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法，该系统包括：点结构光激光测距仪，扫描双驱动无刷伺服电机系统以及一个激光反射棱镜；采用安装位置呈90度的垂直电机和水平电机，两电机输出轴所在轴线与激光射线相交于棱镜反射斜面中心；垂直电机控制棱镜在与其输出轴垂直的平面上绕轴线方向连续自旋，另一个水平电机则采用步进的方式控制该平面在垂直方向上一定范围内俯仰转动；还设有光电码盘和编码装置；与激光测距仪配套的高速采集接口，获得的距离与棱镜滚动和俯仰角度的采样数据为同步数据；结构紧凑、质量轻、体积小、功耗低，扫描速度快，激光反射棱镜高速旋转有利于防尘，三维数据精度高，同步效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及一套高速的三维激光成像雷达系统，特别涉及一种月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法。该套系统作为月球车样机系统重要的视觉传感器，通过对月球车前方工作环境进行探测，利用获取的位置信息建立三维点云模型，为月球车路径规划、自主导航等提供重要的视觉基础。

背景技术

激光雷达主要有二维和三维两种，二维激光雷达仅在固定平面上扫描获取距离信息，即单线扫描；三维激光雷达则可认为是在转动的平面上完成的多线扫描。三维激光雷达在复杂地形机器人定位、绘制环境地图以及工程测量等领域具有更大的应用价值。90年代中期我国的陆祖康等人曾以相位法测距原理自主研制三维激光雷达，并在第一代自主机器人应用中获得了良好的效果[项志宇，“快速三维扫描激光雷达的设计及其系统标定”，浙江大学学报(工学版)，2006，40(12)，2130-2133。]。近年来，国外一些大学采取改装组合二维激光雷达以获得三维扫描功能的方法，如德国自主智能系统研究所的Surmann等[Surmann H，LingemannK，Nuchter A，etc.“A 3D laser range finder for autonomous mobile robots”，Proceedings on 32nd International Symposium on Robotics.Seoul，Korea：IFR，2001：153-158.]采用了将二维激光雷达增加一维扫描装置的方法实现三维测量；日本东京大学的Zhao等[Zhao H，Shibasaki R.“Reconstructiontextured CAD model of urban environment using vehicle-borne laser rangescanners and line cameras”，Proceedings of International Workshop onComputer Vision Systems.Vancouver，Canada：IEEE，2001：453-458.]运用安装在机器人上的两个二维激光雷达分别获得扫描位置和扫描信息，然后加以融合的方法获得环境的三维信息。

目前，三维激光雷达仍存在一些不足与限制，例如装置结构复杂、体积大、扫描速度慢、激光采样速度慢、工作环境有限等，另外，高昂的价格也限制三维激光雷达的进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法，以改变现有三维激光雷达体积大、扫描速度慢、工作环境有限等不足，使得该发明可以在强光环境下正常工作，测量精度在较恶劣环境下得到保证。在保证测量数据精度的同时，采用激光测距仪的高速采集接口和光电编码器的输出信号两种途径解决采样数据的同步问题，使测量数据的同步性得到充分的保证。

本发明是采用以下技术手段实现的：

本发明整个高速三维激光成像雷达系统由“一维”激光测距仪与“二维”扫描伺服机电系统组成。选择高性能的点结构光激光测距仪，使得该发明可以在室外强光环境下正常工作，测量精度在较恶劣环境下得到保证。考虑到月球表面没有大气，故在设计扫描伺服机电系统时选择了没有电刷的直流伺服电机。扫描机电系统结构独特，采取双电机控制单棱镜的方式反射激光射线并控制扫描方向，垂直电机无减速箱，高转速利于棱镜防尘，进一步保障测量精度；水平电机设有减速箱，增加输出力矩。在保证测量数据精度的同时，采用激光测距仪的高速采集接口和光电编码器的输出信号两种途径解决了采样数据的同步问题，测量数据的同步性得到了充分的保证。

一种月球车高速三维激光成像雷达系统，该系统包括：点结构光激光测距仪，以及扫描双驱动无刷伺服电机系统以及一个激光反射棱镜；所述的双驱动无刷伺服电机，为安装位置呈90度的垂直电机和水平电机，电机输出轴所在轴线与激光射线相交于棱镜反射斜面中心；其中，一个垂直电机控制单棱镜在与电机输出轴垂直的平面上绕轴线方向连续自旋，另一个水平电机则采用步进的方式控制该扫描平面在垂直方向上一定范围内俯仰转动；所述垂直电机和水平电机的前端，分别设有与其同轴安装的光电码盘和编码器；与激光测距仪配套的高速采集接口，获得的距离与棱镜滚动和俯仰角度的采样数据为同步数据；所述的采样数据，对其进行野值剔除、空间极坐标系到笛卡尔坐标系的坐标变换，最后建立扫描场景的三维点云模型；

所述的坐标变换公式为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=(d-d_0)·(I-2·n·n^T)·p+\left(\begin{array}{c}0\\ h\\ 0\end{array}\right)$

其中，d为激光测距仪距离读数，d₀为激光发射处到棱镜反射斜面中心的距离，I为3*3单位阵，n为棱镜反射面的单位法向量，p为入射光线的单位向量，h为棱镜反射斜面中心到参考平面的距离。

前述的电机选用直流无刷伺服电机，其中水平电机设有减速箱。

前述的水平电机通过联轴器带动垂直电机、光电码盘和编码器、激光反射棱镜及相关连接机械部件，绕减速箱前端输出轴在垂直方向上步进运动以改变扫描平面，控制激光测距仪的射线进行多线扫描。

前述的光学码盘开有数个用以读取角度信息的孔，这些孔一方面用以读取角度，另一方面提供扫描角度范围、两电机间协调工作的控制信号，与激光测距仪高速采集接口配合，保证距离和角度的同步。

本发明一种月球车高速三维激光成像的方法，包括以下步骤：

初始化CAN接口板及激光测距仪高速采集接口；启动水平电机运动至初始扫描位置后停止工作，并将其工作模式设置为步进模式；启动垂直电机，此时水平电机在编码器输出信号控制下按步进模式工作；激光测距仪采集接口在编码器输出信号控制下开始采集数据，存入计算机内存；校准距离采样数据；判断采样点个数是否达到设置量？如是，垂直电机停止工作，水平电机随即停止步进，两电机复位；如否，回到激光测距仪采集接口在编码器输出信号控制下采集数据步骤；生成采样数据文件；剔除野值并进行坐标变换；生成三维点云模型。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明涉及一种月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法，结构紧凑、质量轻、体积小、功耗低，扫描速度快，光学棱镜高速旋转有利于防尘，三维数据精度高，同步效果好，该特点是进行环境表面模型三维重构的重要保证。另外，适合强光环境下工作也是本发明的显著优势。目前利用该套激光成像雷达系统和方法，通过对月球车前方环境的扫描测试，成功建立了前方工作环境的三维点云模型，图像真实清晰。

附图说明

图1是本发明的机械结构示意图(前视图)；

图2是机械结构示意图(侧视图)；

图3是光电编码器与码盘组合示意图；

图4是本发明的电气系统结构图；

图5是坐标变换示意图；

图6是棱镜俯仰示意图(一)；

图7是棱镜俯仰示意图(二)；

图8是棱镜滚动示意图(一)；

图9是棱镜滚动示意图(二)；

图10是月球车车体前方障碍物的点云轮廓示意图；

图11是图10障碍物的实际点云效果图像；

图12是月球车三维激光雷达成像系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

首先，选择一款点结构光激光测距仪作为核心传感器，该激光测距仪具有测量精度高、采样速度快、使用方便、适用于室外强光环境等优点。其次，采取双电机驱动单棱镜的设计思路，实现对激光射线方向的控制完成扫描。具体而言，该发明选用两个性能优越的无刷直流伺服电机，和一个用来反射激光射线的斜面棱镜，两个电机的安装位置呈90度，且电机输出轴所在轴线与激光射线相交于棱镜反射斜面中心，这样，一个电机控制棱镜在平面上绕输出轴线方向连续自旋，另一个电机则采用步进的方式控制该扫描平面在垂直方向上俯仰转动，从而控制激光射线进行多线扫描。除此以外，该发明利用光电编码器产生的TTL电平信号，控制扫描范围、提供步进控制信号并读取棱镜滚动和俯仰的角度信息。光电编码器和码盘组合与无刷电机(或减速箱)的前端输出轴共轴安装。利用激光测距仪配套的高速采集接口，获得距离与棱镜滚动和俯仰角度的采样数据，同时解决了距离读数与两个角度读数的同步问题。对采样数据进行相关处理，包括野值剔除、空间极坐标系到笛卡尔坐标系的坐标变换，最后建立扫描场景的三维点云模型。

如图1所示，其中，1和2均为直流无刷伺服电机，1为前述垂直电机，2为前述水平电机，3是2的减速箱，4和5为光电编码器和码盘组合；6为联轴器，7为激光反射棱镜，8为激光测距仪，21和24分别表示激光测距仪发出的射线和经棱镜反射后的激光射线，从7反射斜面中心到激光测距仪8发出光线表面的垂直距离为d₀(可测，具体参照图5所示)；

垂直直流无刷伺服电机1和水平直流无刷伺服电机2呈90度安装，且需严格保证1和3的前端输出轴所在轴线相交于斜面光学棱镜7的反射斜面中心。垂直电机1控制棱镜在与其输出轴垂直的平面上连续自旋，反射激光射线，实现在固定平面上的单线扫描。水平电机2采用步进方式控制该扫描平面在垂直方向上俯仰转动，具体而言，借助联轴器6带动1、4、7及相关连接机械部件，绕水平电机2的输出轴(3的输出轴)在垂直方向上步进运动以改变扫描平面，控制激光测距仪8的射线进行多线扫描。4和5的结构如图3所示。4的光学码盘与垂直电机1前端输出轴共轴安装，5的光学码盘与3的前端输出轴和6共轴安装。

图2是机械结构示意图(侧视图)，其中9为1的CAN控制器，10为2的CAN控制器；

图3中，11为光电编码器，12和13为光学码盘。其中，12的周围开512个孔用以读取角度信息，即当其在11中转过一个孔的角度时，11随即产生一个矩形脉冲信号送入激光测距仪8的高速采集接口卡(如图4所示)，采集接口对于一个完整的脉冲按照4次计数，这样，当12旋转一周时采集卡计数为2048次，则1和3前端输出轴转过角度的测量分辨率为0.176度；另外，13为根据需要自行设计的光学码盘，用以控制角度范围和提供步进控制信号。

请参阅图4所示，为本发明的电气系统结构图，进一步介绍光电编码器与码盘的作用。14为120欧电阻，15和16分别为CAN H和CAN L信号线，17为PCI总线；

图4中，与水平电机1和3共轴安装的两个光学码盘12用来测量计算电机输出轴的转动角度，将脉冲计数信息返回激光测距仪8的高速采集接口，该接口的每个采样值包含8返回的距离信息与两个电机转动的相对角度信息，这样，距离与两个角度达到了时刻上的严格同步。对于垂直电机1而言，13周围开120度凹槽，当在11中旋转至该凹槽位置时，11会产生一个脉冲上升沿，将该信号送入10用作电机2的步进控制信号，平面方向每连续旋转一周，水平电机的减速箱3的前端输出轴转动“一步”，实现了两个电机间协调控制。该信号同时送入高速接口的采样启停控制端，此时，在120度范围内TTL高电平信号控制下高速接口采集数据，在该范围外则停止数据采集，严格保证了在平面上的扫描范围为120度。对于水平电机2而言，13周围开约70度凹槽，与之配合的11产生信号送入10作为俯仰扫描的换向控制信号，这样可以实现7在俯仰方向70度范围内往复摆动。另外，在通过高速采集接口获得距离与角度采样的同时，读取该信号高低电平变化，可用来对采样数据按俯仰的步进方向依次进行“分组”，即分为向上运动获得的采样数据组和向下数据组，这样做的好处是可以进一步保证数据的同步性。

图5是坐标变换示意图，其中，18为目标被测物，O^G-X^GY^GZ^G为全局直角坐标系；O^m-X^mY^mZ^m为以棱镜反射斜面中心为原点的直角坐标系，满足右手法则；O^m-X^pY^pZ^p为绕O^mY^m轴转动的直角坐标系，β为滚动角；O^m-X^tY^tZ^t为绕O^mZ^m轴转动的直角坐标系，φ为俯仰角；n为单位法向量，p为的单位向量，与入射光线同方向，p’为的单位向量，与反射光线同方向；d₀为激光发射处到棱镜反射斜面中心的距离，h为棱镜反射斜面中心到参考平面(例如地面)X^GO^GZ^G的距离，均可直接测量得到。

图6、图7是棱镜俯仰示意图，棱镜从位置a顺时针沿俯仰方向运动至位置b，φ为俯仰角；其中，19和20分别为位置a和位置b时的棱镜反射斜面法线，21为激光测距仪8发出的入射光线，22和23分别为位置a和位置b的反射光线；

图8、图9是棱镜滚动示意图，棱镜从位置a顺时针滚动至位置b，法线夹角为β′，其在X^mO^mZ^m平面上的投影即为滚动角β；

利用该发明进行测试，整个激光雷达成像系统的工作流程如图12所示。从该流程图中不难发现，在生成三维点云模型之前，需对本次扫描获得的采样数据进行必要的数据处理，首先剔除野值，可通过激光测距仪8的高速采集接口读取激光返回信号强度信息并将其作为剔除野值的依据，或者自行设定有效的测量距离范围以去掉范围以外的数据点。接下来，由于获得的数据为8测得的距离与棱镜绕两个自由度方向转过角度的变化量，需要进行空间极坐标系到笛卡尔坐标系的变换，将数据点(d，β，φ)转变为(x，y，z)，其中，d为8测量得到的距离值，实际包含两段距离，即$d=d_0+\left|\overrightarrow{O_{m}P}\right|,$如图5所示。坐标变换的原理如图5、图6、图7、图8和图9所示。这里，O^m-X^pY^pZ^p为绕O^mY^m轴转动的直角坐标系，β为滚动角，其相对于镜面坐标系O^m-X^mY^mZ^m的坐标变换矩阵为：

$Q^{\mathrm{pm}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta & 0& \sin \beta \\ 0& 1& 0\\ -\sin \beta & 0& \cos \beta \end{array}\right)---\left(1\right)$

O^m-X^tY^tZ^t为绕O^mZ^m轴转动的直角坐标系，φ为俯仰角，其相对于镜面坐标系O^m-X^mY^mZ^m的坐标变换矩阵为：

$Q^{\mathrm{tm}}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \phi & -\sin \phi & 0\\ \sin \phi & \cos \phi & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(2\right)$

假设棱镜在起初未开始运动时，其反射面相对于镜面坐标系O^m-X^mY^mZ^m的单位法向量$n_0=\left(\begin{array}{c}\cos (\pi /4)\\ -\sin (\pi /4)\\ 0\end{array}\right),$现考虑棱镜的滚动与俯仰运动，则棱镜反射斜面单位法向量n可按下式计算：

n＝Q^tm·Q^pm·n₀    (3)

再考虑反射光线与入射光线的镜面映像，变换矩阵为：

R＝I-2·n·n^T    (4)

其中，I为3×3单位阵。这样即可得到反射光线的单位向量：

p′＝R·p    (5)

现在反射光线的方向已知，d已知，d₀和h可直接测量，就可获得18上的激光点相对于全局坐标系O^G-X^GY^GZ^G的三维坐标(x，y，z)，即：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=(d-d_0)·p^{\prime }+\left(\begin{array}{c}0\\ h\\ 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

利用上述方法对所有激光雷达采样数据进行坐标变换得到其三维坐标并显示，结果如图10、图11所示。图11是月球车车体前方工作环境中障碍物的实际点云效果图。

请参阅图12所示，是月球车三维激光雷达成像系统的工作流程图；启动100，初始化CAN接口板及激光测距仪高速采集接口110；水平电机运动至初始扫描位置后停止工作，并将其工作模式设置为步进模式120；启动垂直电机，此时水平电机在编码器输出信号控制下按步进模式工作130；激光测距仪采集接口在编码器输出信号控制下开始采集数据，存入计算机内存140；校准距离采样数据150；判断采样点个数是否达到设置量？160；如是，垂直电机停止工作，水平电机随即停止步进，两电机复位170；如否，回到采集数据步骤140；生成采样数据文件180；剔除野值并进行坐标变换190；生成三维点云模型200。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。