基于二維激光傳感器的三維圖像獲取系統(tǒng)

何旭+馮肖維+何敏

摘要

本文基于二維激光傳感器設(shè)計出一整套實現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)掃描距離圖像采集系統(tǒng)。利用二維激光傳感器在云臺上旋轉(zhuǎn)掃描以達(dá)到掃描整個空間的效果，然后利用計算機(jī)技術(shù)對采集到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接以重建三維環(huán)境圖像，針對噪點采用加權(quán)濾波從而抑制噪點。

【關(guān)鍵詞】激光傳感器 數(shù)據(jù)拼接 點云濾波

1引言

三維激光掃描技術(shù)是現(xiàn)今科學(xué)研究的熱門之一，在眾多領(lǐng)域有著積極的應(yīng)用。然而現(xiàn)有的三維激光傳感器的價格十分昂貴，所以在減少成本的條件下較高質(zhì)量的獲取環(huán)境點云數(shù)據(jù)具有現(xiàn)實意義。本文提出采用價格便宜的二維激光傳感器通過旋轉(zhuǎn)以達(dá)到三維的效果。

2系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)由STM32開發(fā)板、奧松機(jī)器人RB-150MG舵機(jī)、日本HOKUY公司的激光掃描測距儀URG-10LX和云臺構(gòu)成。

URG-10LX傳感器，測量范圍為0.06m至10m，測量精度為±40mm，掃描角度范圍為270°，角度精度為0.25°，—次掃描有1080個測量值。

舵機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)180度旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，PWM控制信號周期為20ms，當(dāng)脈寬為1.5ms時舵機(jī)在中立點，即0度位置，范圍180度。

上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送指令給ARM開發(fā)板，產(chǎn)生pwm波實現(xiàn)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，并且在每0.9°里有足夠的延時時間配合激光傳感器掃描一次，舵機(jī)負(fù)載俯仰掃描270°的二維激光傳感器，傳感器每次掃描一個截面，旋轉(zhuǎn)采集整個環(huán)境的距離數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

2.2上位機(jī)部分

這部分主要編寫界面程序?qū)崿F(xiàn)指令的發(fā)送、接收和數(shù)據(jù)的拼接、濾波、顯示等處理。2.2.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過本系統(tǒng)得到空間中一個截面270°范圍內(nèi)均勻分布的1080個點的距離（每個數(shù)據(jù)點的角度間隔為0.25°）和下位機(jī)驅(qū)動的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度O.9°（—共掃描200次）。假設(shè)某點是第i幀掃描數(shù)據(jù)的第a個點，則舵機(jī)相對于起點位置的角度β=0.9i，激光點的俯仰角a=0.25a-45。得到的三維坐標(biāo)就是：

3畸變處理

3.1估計模型的構(gòu)建

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放在實驗室（長方體形狀）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)有明顯的畸變現(xiàn)象。采集的激光點云數(shù)據(jù)在小范疇內(nèi)滿足一個預(yù)估模型，這樣可以通過己知的點云數(shù)據(jù)利用預(yù)估模型得到點的預(yù)估值。

通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到的是一個離散數(shù)據(jù)集合{（d，α，β）1|l=1，…，N}；而對于系統(tǒng)采集一幀數(shù)據(jù)，沒有了旋轉(zhuǎn)的角度信息即β即{（d，α）1|l=1，…，N}在二維極坐標(biāo)下進(jìn)行直線擬合。己知距離圖像上任意一點Pn（dn，αn），其前面有兩點Pn-1（dn-1，αn-1），和Pn-2（dn-2，αn-2），可以確定一條直線，極點到直線的垂直距離P以及垂線和極軸的夾角θ，且0≥θ≥π，可得等式：

可解得直線方程：

ρ=dcos（α-θ） （3）

把待濾波點的角度θ代入方程（3）中即可得到對應(yīng)于角度θ的預(yù)測值 。在點的另

一個領(lǐng)域采用相同的方法即可獲得第二個u預(yù)測點 。對三個預(yù)測點進(jìn)行加權(quán)平均。設(shè) 點到極點的距離。則有濾波后的點到極點的距離為：

3.3實驗結(jié)果

本文的數(shù)據(jù)處理部分實在core-i72.70GHZ下用C++編寫。顯示點云濾波后數(shù)據(jù)如圖，采集的圖像符合原有的環(huán)境，特征明顯。

4結(jié)束語

本文在三維傳感器價格昂貴的限制條件下，通過一些簡單的硬件使二維激光傳感器旋轉(zhuǎn)并在軟件層面對數(shù)據(jù)拼接、加權(quán)濾波。較為出色的以低成本的二維傳感器完成對周圍環(huán)境的三維數(shù)據(jù)高質(zhì)量的采集，為點云后續(xù)處理提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來源。

參考文獻(xiàn)

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