CN107991662B - 一种3d激光和2d成像同步扫描装置及其扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D激光和2D成像同步扫描装置及其扫描方法，其中：3D激光雷达上布设有点激光收发矩阵，点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器平行地安装在同一可旋转平台上，且点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器高度齐平，位置相近或相接，可旋转平台能带动点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器同步转动，同步扫描装置还包括控制装置，控制装置包括同步时钟模块，同步时钟模块与3D激光雷达以及线扫描图像传感器信号连接，控制装置能通过同步时钟模块向3D激光雷达以及线扫描图像传感器同步发送信号，使3D激光雷达和线扫描图像传感器同时扫描，使得获取的数据在空间和时间上具有同步性、便于雷达激光扫描数据和线扫描图像数据融合。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达的技术领域，具体涉及一种3D激光和2D成像同步扫描装置及其扫描方法，该装置尤其适用于智能机器人、无人机和无人驾驶等领域。
背景技术
激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分散射光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距远离计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，以雷达为原点，就可以得到目标的坐标数据，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。
激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的飞行时间来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。
多线激光雷达是在单线激光雷达基础上发展起来的，主要为了克服单线激光雷达只有一条扫描线的缺点，使用多个激光发射探头同时发射激光束，从而形成多个激光点扫描，通过旋转形成多条扫描线，其设计初衷之一就是满足以车辆为平台的地面智能机器人快速采集大范围的环境信息的需求。常见的Velodyne HDL-64E激光雷达，采用64个激光器，形成扫描阵列，在垂直方向形成一个张角，以每分钟600-1200转的速度旋转扫描，从而可以得到非常详细的实时三维点云数据。这个数据包含目标的三维坐标，距离、方位角、反射激光的强度，激光编码，时间以及GPS/IMU数据，以UDP的形式实时发送。通过以上数据可以建立三维模型。
Velodyne HDL-64E激光雷达设计有64个激光探头，分为4组安装在一体化的可旋转发射器上，探测距离100-120m，探测内容包括距离、坐标、目标亮度、角度等。水平视角360°，垂直视野26.8°,垂直角分辨率0.4°，发射器以5～20Hz的速度旋转，水平角分辨率5Hz0.08°，10Hz0.17°，20Hz0.35°，0.09°角分辨率（方位角），每s可采集130*104个数据点，测距误差小于5cm，在目标10％的反射率下有效测量距离为50m，目标80%的反射率下有效测量距离为120m。
若发射器以10Hz/秒的速度旋转，每一个激光探头旋转一周为360°，因存在大约0.1°（0.09°）的角分辨率（方位角），因此一个探头可扫描约3600个点，64个探头可扫描得到64*3600个数据点。
线阵相机，顾名思义是呈“线”状的。一般认为是一维图像，但也有的宽度只有几个象素的而已。一般只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。二、需要极大的视野或极高的精度（必须有相对运动过的）。在此种情况下，就需要用触发装置多次触发，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图
线阵相机也称线扫描相机，是一类特殊的视觉机器。与面阵相机相比，线阵CCD工业相机的传感器仅是由一行或者多行感光芯片构成的，拍照时需要通过机械运动，行成相对运动，才能得到想要的图像。因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵相机常见的分辨率包括：1k, 2k, 4k, 8k,12k, 16k 等等。
线扫描相机的特点：
线扫描传感器通常有1行、2行或3行的像素；
垂直大小与传感器尺寸无关；
下一行时被以前的线转移（并联）；
水平分辨率最高达16384像素，目前市面上的线扫描相机分辨率从 1024,2048,4096, 8192,12288,16384像素(pixels)；
优点：高分辨率，1k, 2k, 4k, 8k,12k, 16k/>高频率，可达20KHz，50KHz，70KHz，140KHz等行频，
若激光雷达10Hz，线扫描相机同步旋转，线扫描相机分辨率为2K，行频40K，则垂直分辨率为2048 个像素，水平分辨率为40K/10=4096个像素，进而线扫描相机旋转一周360°则可获得2048* 4096个数据点。激光雷达和线扫描相机可以为其他频率和分辨率，最终可以相应获得对应个数的个数据点。
3D激光雷达和2D相机是可以独立工作的设备，将二者联合使用的常见方法是将二者分别得到的数据进行数据融合。但是，一般存在的形式是将相机（摄像机）安装在雷达外部，二者相互分离。虽然可以同步获取数据，但是二者不同轴，导致获取数据时坐标层面不重合，存在标定复杂、视场不统一、数据获取不同步等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能使雷达激光器和线扫描图像两种装置同步扫描、获取的数据在空间和时间上具有同步性、便于雷达激光扫描数据和线扫描图像数据融合的3D激光和2D成像同步扫描装置及其扫描方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种3D激光和2D成像同步扫描装置，包括3D激光雷达和线扫描图像传感器，其中：3D激光雷达上布设有点激光收发矩阵，点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器平行地安装在同一可旋转平台上，且点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器高度齐平，位置相近或相接，可旋转平台能带动点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器同步转动，同步扫描装置还包括控制装置，控制装置包括同步时钟模块，同步时钟模块同时与3D激光雷达以及线扫描图像传感器信号连接，控制装置能通过同步时钟模块向3D激光雷达以及线扫描图像传感器同步发送信号，使3D激光雷达和线扫描图像传感器同时扫描。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器均竖直的固定在可旋转平台上，点激光收发矩阵包括若干个点激光收发器，每个点激光收发器的雷达镜头均设置在3D激光雷达的同一侧面，线扫描图像传感器的朝向与点激光收发器的雷达镜头的朝向相同。
上述的点激光收发器矩阵和线扫描图像传感器均与一数据分析模块连接，数据分析模块能将3D激光雷达和线扫描图像传感器扫描的信息整合在一起，并通过通信模块输出。
上述的可旋转平台上安装有透明保护罩，3D激光雷达和线扫描图像传感器罩在透明保护罩中。
一种3D激光和2D成像同步扫描装置的扫描方法，其特征是:可旋转平台以XHz频率转动，可旋转平台每转动Y角度，控制装置便向同步时钟模块发送一次信号，时钟模块向3D激光雷达和线扫描图像传感器同时发送一次同步时钟脉冲，同步时钟脉冲即为触发信号，触发3D激光雷达与线扫描图像传感器扫描一次，可旋转平台每旋转一周,时钟模块发出360/Y个同步时钟脉冲，线扫描图像传感器可获得360/Y列的2D图像数据(Ii)，3D激光雷达可获得360/Y个3D阵列数据(Di)，线扫描图像传感器和3D激光雷达将数据传送至数据分析模块，数据分析模块将数据整合为(Ii，Di)后通过通信模块输出。
本发明将3D激光雷达和线扫描图像传感器安装在同一个可旋转平台上，并且使3D激光雷达和线扫描图像传感器相互平行，高度齐平，同步旋转。由于二者空间同轴固定，时间由同步时钟同步控制，可以保证光线平行，获得的3D和2D数据实现同步。本发明具有以下优点：
1)由于本发明中2D数据和3D数据是同时获取的，但是2D数据远比3D数据致密。该发明能够很好地解决3D数据（点云数据）的在远距离的稀疏问题。
2）同时获得同一位置的3D和2D特性，相对于单纯的3D数据处理，联合3D和2D图像能极大地提高图像分割、目标检测、数据融合等算法的精度；
3)传统的单独的3D激光雷达和单独的2D摄像机，存在角度不一致、转速不相同的问题，导致二者的数据融合很困难，并且图像失真较为严重，本发明解决3D和2D的标定难题；与传统的单独的3D激光雷达和单独的2D摄像机，分开架设的方案比较，本发明的联合标定角度在同一平面，联合同步旋转，因此图像获取更加精确，由于在时间、空间上更为同步，因此数据融合时更加简单。
4)图像传感器可检测颜色，雷达激光器可检测距离，数据类型更加丰富。
附图说明
图1是现有技术中雷达和相机组合的示意图；
图2是本发明的同步扫描装置的结构示意图；
图3是透明保护罩与图2不同的另一种同步扫描装置的结构示意图；
图4是本发明的连接框图。
其中的附图标记为：3D激光雷达1、点激光收发器矩阵11、点激光收发器12、线扫描图像传感器2、可旋转平台3、控制装置4、数据分析模块5、透明保护罩6，背景技术中的雷达A1，背景技术中的线阵相机A2。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的一种3D激光和2D成像同步扫描装置，包括3D激光雷达1和线扫描图像传感器2，其中：3D激光雷达1上布设有点激光收发矩阵11，点激光收发器矩阵11和线扫描图像传感器2平行地安装在同一可旋转平台3上，且点激光收发器矩阵11和线扫描图像传感器2高度齐平，位置相近或相接，可旋转平台3能带动点激光收发器矩阵11和线扫描图像传感器2同步转动，同步扫描装置还包括控制装置4，控制装置4包括码盘和同步时钟模块，码盘能根据可旋转平台3的转动角度向同步时钟模块发送信号，例如可旋转平台3每转动0.1度，码盘就向同步时钟模块发送一次电信号，同步时钟模块同时与3D激光雷达1以及线扫描图像传感器2信号连接，控制装置4能通过同步时钟模块向3D激光雷达1以及线扫描图像传感器2同步发送信号，使3D激光雷达1和线扫描图像传感器2同时扫描。
实施例中，点激光收发器矩阵11和线扫描图像传感器2均竖直的固定在可旋转平台3上，点激光收发矩阵11包括若干个点激光收发器12，每个点激光收发器的雷达镜头均设置在3D激光雷达1的同一侧面，线扫描图像传感器2的朝向与点激光收发器的雷达镜头的朝向相同。
实施例中，点激光收发器矩阵11和线扫描图像传感器2均与一数据分析模块5连接，数据分析模块5能将3D激光雷达1和线扫描图像传感器2扫描的信息整合在一起，并通过通信模块输出。
实施例中，控制装置4为单片机或PC，数据分析模块5为PC，也可以是其他可以承担控制装置4和数据分析模块5功能的计算处理单元。
实施例中，可旋转平台3上安装有透明保护罩6，3D激光雷达1和线扫描图像传感器2罩在透明保护罩6中。
线扫描图像传感器像素可达2K,4K,8K等，雷达激光器有64个，
同步转动一圈，线扫描图像传感器可扫描的数据点更多（若激光雷达10Hz，线扫描相机同步旋转，线扫描相机分辨率为2K，行频40K，水平/垂直分辨率为2048，可以推导出2k*(40K/10)=2K*4K,那么线扫描相机旋转一周360°则可获得2048* 4096个数据点），雷达激光器可获得3600个数据点，因此，二者结合所取得的数据点数量也更多。
以下为本发明检测方法中的一种实施例：
假设转台频率10HZ，旋转一周为360度，编码器每转0.1度，就发出一个同步时钟脉冲，同步时钟脉冲即为触发信号，触发两个传感器同时工作，则每旋转一周共发出3600个同步时钟脉冲。线扫描传感器可获得3600列的2D图像数据(Ii)，点激光收发器可获得3600个3D阵列数据(Di)，通过数据整合（Ii,Di）后发送，完成信息采集的通信任务。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种3D激光和2D成像同步扫描装置的扫描方法，应用3D激光和2D成像同步扫描装置，3D激光和2D成像同步扫描装置包括3D激光雷达(1)和线扫描图像传感器(2)，其特征是：所述的3D激光雷达(1)上布设有点激光收发器矩阵(11)，所述的点激光收发器矩阵(11)和线扫描图像传感器(2)平行地安装在同一可旋转平台(3)上，且点激光收发器矩阵(11)和线扫描图像传感器(2)高度齐平，位置相近或相接，所述的可旋转平台(3)能带动点激光收发器矩阵(11)和线扫描图像传感器(2)同步转动，同步扫描装置还包括控制装置(4)，所述的控制装置(4)包括同步时钟模块，所述的同步时钟模块同时与3D激光雷达(1)以及线扫描图像传感器(2)信号连接，所述的控制装置(4)能通过同步时钟模块向3D激光雷达(1)以及线扫描图像传感器(2)同步发送信号，使3D激光雷达(1)和线扫描图像传感器(2)同时扫描；所述的点激光收发器矩阵(11)和线扫描图像传感器(2)均竖直的固定在可旋转平台(3)上，所述的点激光收发器矩阵(11)包括若干个点激光收发器(12)，每个点激光收发器的雷达镜头均设置在3D激光雷达(1)的同一侧面，所述的线扫描图像传感器(2)的朝向与点激光收发器的雷达镜头的朝向相同；所述的点激光收发器矩阵(11)和线扫描图像传感器(2)均与一数据分析模块(5)连接，所述的数据分析模块(5)能将3D激光雷达(1)和线扫描图像传感器(2)扫描的信息整合在一起，并通过通信模块输出；扫描方法具体为:可旋转平台(3)以XHz频率转动，可旋转平台(3)每转动Y角度，控制装置(4)便向同步时钟模块发送一次信号，时钟模块向3D激光雷达(1)和线扫描图像传感器(2)同时发送一次同步时钟脉冲，同步时钟脉冲即为触发信号，触发3D激光雷达(1)与线扫描图像传感器(2)扫描一次，可旋转平台(3)每旋转一周,时钟模块发出360/Y个同步时钟脉冲，线扫描图像传感器(2)可获得360/Y列的2D图像数据Ii，3D激光雷达(1)可获得360/Y个3D阵列数据Di，线扫描图像传感器(2)和3D激光雷达(1)将数据传送至数据分析模块(5)，数据分析模块(5)将数据整合后通过通信模块输出。
2.根据权利要求1所述的一种3D激光和2D成像同步扫描装置的扫描方法，其特征是：所述的可旋转平台(3)上安装有透明保护罩(6)，所述的3D激光雷达(1)和线扫描图像传感器(2)罩在透明保护罩(6)中。
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