CN107608074A - 一种2.5d激光扫描装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种2.5D激光扫描装置。该装置包括二维激光雷达、水平放置的动平台以及竖直放置的静平台；静平台上设置导轨；二维激光雷达固定在动平台上，动平台由电机驱动在垂直于水平面的竖直方向沿导轨运动。该装置成本低，不仅能够获得二维平面信息，而且能够获得一定范围的高度信息，增大了激光数据信息量，可用于移动机器人的定位导航，尤其当移动机器人工作在大规模室内环境、具有重复性较大的场景等时能够进行有效的场景识别与检测。
Description
技术领域
本发明涉及激光扫描技术领域，尤其涉及一种2.5D激光扫描装置及其作为定位导航用于移动机器人的应用。
背景技术
移动机器人在仓储物流、移动操作等领域有着广泛的应用需求。定位导航技术是移动机器人的一项关键技术。根据导航时所使用的传感器不同，其方法可以分为基于激光的导航和基于视觉的导航。由于激光传感器的抗干扰能力强，信息准确，因此基于激光的方法在移动机器人导航中得到了广泛的应用。
基于激光的定位导航是移动机器人通过采集携带的激光传感器的信息，通过对传感器信息的处理与分析确定环境中的路标点和机器人在环境中的位置，从而实现构造环境地图，路径规划，自主移动和避障等功能的过程。与基于视觉传感器的导航相比，激光传感器具有信号稳定、不易受光照变化影响的特点。另外，基于视觉图像的导航虽然传感器信息相对较为丰富，但实际运行时的计算开销很大，算法的实时性不容易保证。
鉴于移动机器人的一个重要应用领域是工作在室内环境如家庭、工厂等场景中的服务机器人或工厂自动引导运输车(AGV)，在该空间下的人和物体基本都与地面垂直，因此室内环境经常采用二维激光雷达获取与地面平行的平面信息来实现导航。但二维激光雷达只能获取该传感器扫描平面上的点的角度和距离，信息量较为单一，在大规模环境或场景较为复杂的情况下不能很好地完成场景的识别。目前常用于室外环境中的三维激光雷达虽然信息量相对较大，但是响应速度慢，成本昂贵，而且针对单层的室内环境导航一般来说不需要获取环境的全部三维信息。
发明内容
本发明提供了一种2.5D激光扫描装置，具有成本低，不仅能够获得二维平面信息，而且能够获得一定范围的高度信息。
本发明的技术方案是：一种2.5D激光扫描装置，包括二维激光雷达、水平放置的动平台以及竖直放置的静平台；
静平台上设置导轨；二维激光雷达固定在动平台上，动平台由电机驱动在垂直于水平面的竖直方向沿导轨运动；
工作状态时，二维激光雷达扫描二维平面，得到平面信息，从获得的数据中提取角点和线段信息；竖直方向的位置信息由位置信号采集单元采集；通过平面信息结合竖直方向的位置信息，提取空间特征。
所述的空间特征包括空间棱、空间平面以及空间突变等的特征。
作为优选，所述电机包括定子与动子，动子与动平台固定连接，工作状态时动子相对定子进行直线运动，带动动平台进行直线运动。
作为一种安装方式，静平台包括水平放置的底座与垂直放置的底座背板，底座背板上设置导轨，电机的定子与底座固定连接。
作为一种安装方式，动平台包括水平放置的动平台底座与垂直放置的动平台背板，二维激光雷达固定在动平台底板上，动平台底座与动平台背板固定连接，动平台背板通过滚珠轴承及导轨与静平台连接。
作为一种实现方式，位置信号采集单元是光栅编码器，包括固定在静平台上的编码器读头，以及设置在动平台背板上的光栅尺，光栅尺与编码器读头之间的安装距离应满足光栅编码器工作的正常要求，音圈电机驱动器采用光栅编码器读取竖直方向的位置信号进行反馈。
本发明中将二维激光雷达的扫描频率称为扫描频率，竖直方向运动的频率称为运动频率。扫描频率可通过二维激光雷达进行设置，运动频率可通过电机驱动系统进行调节。考虑到信息的同步，扫描频率运动频率大于运动频率为宜；进一步地，扫描频率是运动频率的整数倍数为宜。本发明还提出一种实现数据同步的处理方法，具体如下：
1)当扫描频率小于运动频率的10倍时，对二维激光雷达一次扫描得到的每个数据点与竖直方向的位置信息进行同步。
2)当扫描频率大于或者等于运动频率的10倍时，认为二维激光雷达一次扫描得到的数据在同一竖直位置高度，并依据此原则进行数据同步。
针对上述的第2)种情况，可通过激光雷达的同步信号线输出触发对电机驱动器的编码器信息采样实现数据的同步。激光雷达一般带有数据同步信号的输出，电机驱动器一般带有输入输出的I/O口，也可通过RS232接口或CAN总线读取编码器信息。即通过单片机的外部中断实现在雷达每个扫描周期开始时对电机编码器进行一次采样。
因此，扫描频率大于或者等于运动频率的10倍为宜。
本发明中，二维激光雷达经电机驱动在竖直方向上运动，采集的数据中增加了竖直高度上的信息。但是由于机械运动的误差必然会使采集到的数据引入一些噪声，因此采取滤波的方法去除噪声和干扰为宜。作为一种实现方式，滤波的过程包含以下步骤：
1)由于动平台运动过程中的最大和最小位移处电机运动方向发生改变，导致此处的误差较大，因此该位移邻域内的数据可能含有较大噪声，优选直接予以去除。
2)对于处在运动过程中间的数据，原理上所得的数据在该雷达扫描的平面内应具有连续性，因此若出现单个数据点漂移的情况，优选将该点予以剔除。
3)为消除由于机械振动引起的高频误差，优选采用低通滤波器对数据进行降噪处理。
作为一种实现方式，平面信息结合竖直方向的位置信息，得到空间位置信息，例如三维的位置坐标或以其他形式编码的能完整描述当前扫描点2.5D位置信息的数据，即得到2.5D激光数据，然后通过特征提取及匹配算法，得到空间特征。所述的空间特征包括空间棱、空间平面以及空间突变等的特征。
本发明还提出一种特征提取的方法，包括从2.5D激光数据中提取空间棱、空间平面以及空间突变等特征，该方法采用激光雷达单次扫描的平面特征结合多个扫描平面的空间几何关系，即由激光雷达单次扫描平面的数据中提取角点和线段信息，结合多个扫描平面的几何关系，获取数据的空间棱及平面特征。
通过特征提取后获得特征点，然后通过匹配算法进行特征匹配。本发明还提出一种特征匹配的方法，包括如下步骤：
1)将某次平台运动半周期内提取到的线和面特征转换到当前坐标下；
2)将上次半周期内的数据投影至当前坐标下；
3)采用合适的匹配方法寻找两次扫描的对应点，例如KD-Tree的方法等寻找两次扫描的对应点，计算旋转矩阵。
与现有技术相比，本发明结合二维激光雷达、电机驱动控制以及连接机构得到2.5D激光扫描装置，实现了2.5D扫描范围。与视觉传感器定位系统相比，该装置保留了激光信号稳定、不易受光照变化影响的特点；与传统的二维激光雷达相比，该传感器2.5D的扫描范围增大了激光数据信息量；与市场上现有的三维激光雷达相比，该传感器价格低廉，响应速度快，准确度高。
该装置可用于移动机器人的定位导航，即，一种移动机器人，其定位导航功能单元是本发明所述的2.5D激光扫描装置。将该装置固定安装在移动机器人上，不仅能够获得二维平面信息，而且能够获得一定范围的高度信息，为大规模室内环境遇到重复性较大场景时二维激光雷达无法进行有效的场景识别与检测的问题提供了一种较好的解决方案。
附图说明
图1是本发明实施例1中的2.5d激光扫描平台的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的激光雷达单次扫描数据；
图3是本发明实施例1中的激光雷达单次扫描到的一个平面中的角点特征；
图4是本发明实施例1中的激光雷达扫描到的一个平面和棱的实例；
图5是本发明实施例1中的激光雷达扫描的数据实例。
术语
如本文所用，术语“激光雷达”和“二维激光雷达”可互换使用，指普通的扫描范围为二维平面的激光测距设备，从该设备中读取的信息为平面点，包含角度和距离。
如本文所用，术语“激光平台”在本发明中一般与“2.5d”连用，指本发明提出的具有z方向测量范围的一体化机构。
本文所用，术语“点云”“2.5d点云”可以互换使用，指具有空间三维信息(X,Y,Z)的点的集合，在本发明中即是2.5d激光平台返回的数据。
在本发明中，定义电机的半个运动周期中获取的激光数据为一个“数据帧”，“一帧数据”中应包含二维激光雷达多层扫描的结果。
如本文所用，术语“滤波”“降噪”“去除噪声”可以互换使用，指消除2.5d激光传感器数据的误差的方法或过程。
具体实施方式
以下结合附图，实施例对本发明做进一步详细说明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1中的附图标记为：音圈电机1、二维激光传感器2、动平台底座3、底座4、底座背板5、动平台背板6，光栅尺7，导轨8
图1是本实施例中的2.5d激光扫描平台的结构示意图，包括音圈电机1、二维激光雷达2、水平放置的动平台底板3、竖直放置的静平台5与动平台背板6。
音圈电机1的定子与底座平台4通过螺钉固定，音圈电机1的动子与动平台底座3通过螺钉固定。二维激光雷达2固定在动平台底座3上。静平台5上设置导轨8。动平台底座3与动平台背板6固定连接，动平台背板6通过滚珠轴承及导轨8与静平台5连接。
二维激光雷达2的扫描范围是与水平面平行的平面，得到平面信息，从获得的数据中提取角点和线段信息。音圈电机1的驱动系统改变电机动子线圈电流，使动子产生垂直于水平面的竖直方向上的位移，带动动平台在竖直方向沿导轨运动，从而使位于动平台上的二维激光雷达增加了竖直方向上的扫描范围。
静平台5上设置编码器读头，动平台背板6上设置光栅尺7，构成光栅编码器用于竖直方向位置信号的采集，光栅尺7与编码器读头之间的安装距离满足光栅编码器工作的正常要求。音圈电机驱动器采用光栅编码器读取竖直方向的位置信号进行反馈。
本实施例中，选用日本北阳公司生产的Hokuyo二维激光雷达，该激光传感器的频率为40Hz，测距范围40m，通过螺钉与动平台底座3固定。该传感器具有信号同步的功能，带有同步信号的输出接口。激光雷达通过12V电源供电，并通过USB线与PC传输通信数据。
系统采用光栅尺编码器作为电机的位置信号反馈接入可编程驱动器，编程控制驱动音圈电机上下运动的频率为2Hz，运动的最大位移为2.5mm。定义音圈电机半个运动周期为一次“扫描”，可以获得20圈Hokuyo的测量数据。
采用AT公司的stm32的开发板作为下位机信号同步控制板，工控机作为上位机接收激光雷达数据及同步信号。
将Hokuyo的同步信号以及驱动器输出的编码器A、B相信号与stm32单片机I/O口连接，通过中断的方式进行编码器和激光雷达数据的同步。即当Hokuyo同步信号线输出一个上升沿时记录编码器返回的当前位移，作为下一圈扫描的数据点的高度信息，并通过串口发送至上位机。Hokuyo的信号线通过USB口与上位机相连。当上位机收到stm32的一个位置信息时，代表Hokuyo新一圈扫描的开始，将接下来接受到的二维激光雷达的数据存储在一个数组中，同时对应存储其高度信息。
每半个音圈电机运动周期(即一次“扫描”)后驱动器输出一个脉冲信号至stm32控制板，控制板检测该脉冲并发送一次数据处理指令给上位机。上位机接受到该指令后对20圈激光雷达数据进行滤波处理，最终得到处理后的2.5d点云数据，如图2所示，其中单线数据如图3所示。
通过对单线特征中的角点和线段进行特征提取，根据角点和线段进行空间特征的提取。采用文献：J.Zhang and S.Singh,“LOAM:Lidarodometry and mapping in real-time,”in Robotics:Science and Systems Conference(RSS),July 2014.中记载的如下公式：
式中将第i个音圈电机运动半周期(即一次“扫描”)中得到的点云记为，其中含有的20条激光单线数据记为记pj为中的第j个点，其在世界坐标系中的坐标为
若扫描中的某点pj是一个角点，则应满足如下条件：
1)pj左侧N个点应位于同一直线上
2)pj右侧N个点应位于同一直线上
则根据上述公式可以对中的点进行筛选，c取极值时的点即为角点。
对每个单帧激光点进行筛选，获取角点信息和线段信息，如图4所示，然后将第K+1帧的信息投影至K帧坐标，通过KD-Tree的方式搜索特征点。提取到的一个平面角点和棱如图5所示。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种2.5D激光扫描装置，其特征是：包括二维激光雷达、水平放置的动平台以及竖直放置的静平台；
静平台上设置导轨；二维激光雷达固定在动平台上，动平台由电机驱动在垂直于水平面的竖直方向沿导轨运动。
2.如权利要求1所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：所述电机包括定子与动子，工作状态时动子相对定子进行直线运动；动子与动平台固定连接。
3.如权利要求2所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：静平台包括水平放置的底座与垂直放置的底座背板，底座背板上设置导轨；电机的定子与底座固定连接；
作为优选，动平台包括水平放置的动平台底座与垂直放置的动平台背板，二维激光雷达固定在动平台底板上，动平台底座与动平台背板固定连接，动平台背板通过滚珠轴承及导轨与静平台连接。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：二维激光雷达扫描二维平面，得到平面信息；竖直方向的位置信息由位置信号采集单元采集；通过平面信息结合竖直方向的位置信息，提取空间特征；
作为优选，位置信号采集单元是光栅编码器，包括固定在静平台上的编码器读头，以及设置在动平台背板上的光栅尺。
5.如权利要求4所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：二维激光雷达的扫描频率称为扫描频率，竖直方向运动的频率称为运动频率，扫描频率大于运动频率；
作为优选，扫描频率是运动频率的整数倍数；
作为优选，平面信息与竖直方向的位置信息的数据同步处理方法如下：
当扫描频率小于运动频率的10倍时，对二维激光雷达一次扫描得到的每个数据点与竖直方向的位置信息进行同步；
当扫描频率大于或者等于运动频率的10倍时，认为二维激光雷达一次扫描得到的数据在同一竖直位置高度，在二维激光雷达每个扫描周期开始时位置信号采集单元采集竖直方向的位置信息进行一次采样。
6.如权利要求4所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：对平面信息与竖直方向的位置信息进行滤波处理；
作为优选，滤波方法为：去除动平台运动过程中的最大和最小位移处的采集数据；去除扫描的平面内出现的单个漂移的数据点；
作为优选，采用低通滤波器对数据进行滤波处理。
7.如权利要求4所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：所述的空间特征包括空间棱、空间平面以及空间突变的特征。
8.如权利要求4所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：平面信息结合竖直方向的位置信息，得到空间位置信息，然后通过特征提取及匹配算法，得到空间特征。
9.如权利要求8所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：所述的特征提取方法为：由激光雷达单次扫描平面的数据中提取角点和线段信息，结合多个扫描平面的几何关系，获取数据的空间棱及平面特征。
10.如权利要求8所述的2.5D激光扫描装置，其特征是：所述的特征匹配方法包括如下步骤：
1)将某次平台运动半周期内提取到的线和面特征转换到当前坐标下；
2)将上次半周期内的数据投影至当前坐标下；
3)采用匹配方法寻找两次扫描的对应点，计算旋转矩阵。
11.如权利要求1至3中任一权利要求所述的2.5D激光扫描装置用于移动机器人的定位导航。
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