CN110196431A - 基于arm的低成本室内3d激光扫描测距系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统及方法，包括基座、支架、激光发射器、摄像头、ARM处理平台、无线通信模块以及上位机；支架通过舵机设置在基座上，能够在基座上水平旋转；支架上设有激光发射器和摄像头，激光发射器和摄像头位于同一水平面内，激光发射器通过转动装置设置在支架上，使其能够在支架上水平旋转；ARM处理平台设置在基座上，用于图像处理和距离计算，与摄像头连接；无线通信模块设置在基座上，与ARM处理平台相连，无线通信模块用于ARM处理平台与上位机相互传递数据和指令。本发明成本低，结构简单，减少图像中的噪声，提高了计算效率和计算精度。

Description

基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统及方法
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统及方法。
背景技术
激光因为具有单色性好、方向性强、相干性高等特征，被广泛应用于测距装置上，可以很大程度上提高测量精度。激光测距的方法包括脉冲法、相位法以及三角测量法，其中三角测距法具有良好的应用效果且生产成本低，是目前研究激光测距的热点。
三维激光测距传感器可获得各转角情况下目标物体扫描界面到传感器的距离，由于这类数据在可视化处理后看起来像是由很多小点组成的云团，因此被称为点云。三维激光点云数据具有精度高、不受光照影响等优点，是场景的一种几何描述方式，可用于提取场景中线段、平面等几何特征。在室内移动机器人领域，利用三维激光测距传感器对室内环境进行扫描测距可获得典型室内环境中如墙壁、门窗、桌椅等三维信息，机器人在其工作环境中依靠自主携带的传感器提供的信息建立三维环境模型正成为移动机器人研究中的一个热点问题，在安全监控、导航定位、目标检测等方面具有很重要的意义。
然而市面上的三维激光传感器往往价格昂贵，结构复杂，很难被大规模采用，出于价格和精度考虑，由旋转云台上搭配二维激光测距传感器已成为获取三维激光数据的常见方法。但是二维激光测距传感器成本依旧很高，并且搭配旋转云台的二维传感器需要将数据采集到工控机或者普通PC机上，这种系统不仅体积大、成本高而且只限于实验室或工业使用，因此利用这种系统采集室内场景三维数据会导致测量成本过高、安装麻烦等问题。
同时近年来随着嵌入式系统的发展，嵌入式处理器的数字信号处理功能也日趋强大，ARM处理器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入等各个领域。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种集成化程度高、成本低、精度适中、可靠性高的基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统，包括基座、支架、激光发射器、摄像头、ARM处理平台、无线通信模块以及上位机；
所述支架通过舵机设置在基座上，使支架能够在基座上水平旋转；所述支架上设有激光发射器和摄像头，所述激光发射器和摄像头位于同一水平面内，所述激光发射器通过转动装置设置在支架上，使激光发射器能够在支架上水平旋转；
所述ARM处理平台设置在基座上，用于图像处理和距离计算，与摄像头相连；同时ARM处理平台通过一个继电器与激光发射器连接，通过控制继电器的开合来控制激光发射器的开关；
所述无线通信模块设置在基座上，与ARM处理平台相连，所述无线通信模块用于ARM处理平台与上位机相互传递数据和指令。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述基座上还设有数码管，所述数码管与ARM处理平台相连，用于实时显示舵机旋转的角度。所述舵机、数码管均与ARM平台相连，ARM平台控制舵机旋转，同时获取其旋转角度，再通过数码管显示出来。
所述ARM处理平台采用ARM计算机NanoPi NEO2。
所述激光发射器的发射方向与支架在水平方向所成角度范围为81°～85°，优选为83°。
所述激光发射器采用功率100mW、波长808nm的红外一字线激光发射器。
所述激光发射器与摄像头的距离范围为12cm～15cm，优选为14cm。
所述激光发射器下方设有刻度轮盘，作为转动装置，供激光发射器通过水平方向旋转调整角度。
所述摄像头分辨率为640*480，帧率为30fps，即每秒可采集30帧图像。
所述摄像头前端安装有一红外滤光片，该滤光片可将肉眼可见光过滤，只允许激光器发射波长的红外光通过，从而有效过滤其他环境光带来的干扰。
所述上位机是PC上位机，可远程获取测量数据并进行可视化处理。
所述基座上设有电源，给基座上的ARM处理平台供电，所述舵机、激光发射器、数码管、无线通信模块由ARM处理平台供电。
本发明还提供一种基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统的测距方法，包括如下步骤：
S1摄像头标定：通过摄像头标定获取摄像头内参数以消除摄像头原始画面的扭曲；
S2采集原始扫描视频图像：上位机发送指令给ARM处理平台，ARM处理平台根据指令控制激光发射器和摄像头打开，舵机开始旋转。激光发射器发出一字线状激光照射到物体表面发生反射，摄像头开始采集激光线条光斑图像；舵机每旋转一度，摄像头采集一帧画面，每秒采集30帧；舵机共旋转180度，即6秒采集180帧光斑图像；
S3视频图像读取：ARM处理平台对摄像头采集到的光斑图像进行逐帧处理，读取摄像头标定参数，消除图像画面扭曲；
S4求取光条像素中心：对消除了扭曲的画面，首先将图像转换为灰度图，使用最大类间方差法找到图片的一个合适的阈值，利用这个阈值把灰度图像转换为二值图像；在二值图像中统计阈值内每一行光条像素位置之和及像素个数，利用每一行光条像素位置之和除以像素个数求得每一行的光条中心位置，即光斑成像在该行的像素中心；
S5求取距离：对于线状激光三角测距，根据三角形定理q＝f*s/x测出目标点到摄像头所在平面的距离；
其中q为目标点到摄像头所在平面的距离；f为摄像头焦距；s为激光发射器到摄像头中心的距离；x为目标物上激光光斑在摄像头感光平面上的成像点到图像一侧边缘的距离；x＝f/tan β+PixelSize*position，激光发射器的发射方向与摄像头所在平面的夹角为β；PixelSize是摄像头感光部件上单个像素感光单元的尺寸，position是步骤S5中求的像素中心相对于相机成像平面中心的位置；
S6距离坐标转换：以舵机的旋转轴与基线的交点为原点，y轴是目标点与基线的垂线方向，z轴是垂直于水平面的方向，x轴是基线所在方向，计算目标点的三维坐标；
当支架旋转后，将所有目标点的3D坐标转换到一个固定坐标系下，令支架旋转到90度时的坐标系做为固定坐标系，计算得到目标点最终的三维坐标；所有目标点的最终坐标形成点云；
S7渲染点云：上位机将得到的点云数据进行渲染可视化处理，得到扫描场景的三维点云信息。
所述摄像头到激光发射器中心的距离为基线。
本发明的有益效果是：本发明的基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统，可通过控制舵机旋转带动摄像头和激光发射器旋转，来扫描并计算获得180度范围内室内场景的距离数据，将这些数据进行渲染可视化处理，得到扫描场景的三维点云信息，整个测距装置基于ARM处理平台，用户成本低，结构简单，精度适中且可靠性高，尤其在移动机器人领域有很大的应用前景。应用本发明的测距方法，减少图像中的噪声，提高了计算效率和计算精度。
附图说明
图1是本发明的测距系统的工作原理图。
图2是本发明的测距系统的结构示意图。
图3是本发明的测距系统的支架俯视图。
图4是本发明的测距系统的单点激光测距原理图。
图5是本发明的测距系统的线状激光测距原理图。
附图注释：1、基座；2、支架；3、激光发射器；4、摄像头；5、ARM处理平台；6、无线通信模块；7、舵机；8、转动装置；9、数码管；10、电源。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
由图1-3所示，本发明公开了一种基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统，包括基座1、支架2、激光发射器3、摄像头4、ARM处理平台5、无线通信模块6以及上位机；
支架2通过舵机7设置在基座1上，通过舵机7带动支架2能够在基座1上水平旋转；支架2上设有激光发射器3和摄像头4，激光发射器3和摄像头4位于同一水平面内；激光发射器3与摄像头4的距离范围为12cm～15cm，优选为14cm。
激光发射器3采用功率100mW、波长808nm的红外一字线激光发射器3。激光发射器3下方设有刻度轮盘，根据设计需要旋转以调整角度。将激光发射器3的发射方向调整为与支架2在水平方向所成角度范围为81°～85°，优选为83°。激光发射器3通过转动装置8设置在支架2上，可根据设计安装需要在水平面内自由转动角度。
综合考量，激光发射器3与摄像头4的距离范围优选为14cm，激光发射器3的发射方向调整为与支架2在水平方向所成角度范围优选为83°，两个优选值使得摄像头采集到的激光线条在相机成像平面的中心靠右位置；保证了较大的测量范围；同时使支架的长度合理，确保结构简单稳定。
摄像头4前端安装有一红外滤光片，该滤光片可将肉眼可见光过滤，只允许激光器发射波长的红外光通过，从而有效过滤其他环境光带来的干扰。摄像头4分辨率为640*480，帧率为30fps，即每秒可采集30帧图像。
ARM处理平台5设置在基座1上，与摄像头4连接，用于对摄像头4采集的图像进行处理和计算物体到摄像头4中心和激光发射器3中心构成的基线的距离，并进行距离坐标转换，采用友善之臂推出的全新一代超小型ARM计算机NanoPi NEO2，它采用全志64位四核A53处理器H5，内置六核Mail450 GPU，配置1GB DDR3内存，可支持运行Ubuntu Core嵌入式操作系统，安装有OpenCV图像处理库。
无线通信模块6设置在基座1上，与ARM处理平台5相连，无线通信模块6用于将PC上位机的指令传递给ARM处理平台5，ARM处理平台5再根据指令控制激光发射器3、摄像头4以及舵机7的开关状态，也用于将ARM处理平台5处理后的数据信心传递给PC上位机。PC上位机可远程获取测量数据并进行可视化处理。
基座1上还设有数码管9，数码管9与ARM处理平台5相连，用于实时显示舵机7旋转的角度。基座1上设有电源10，给基座1上的ARM处理平台5供电，而舵机7、激光发射器3、数码管9、无线通信模块6由ARM处理平台5供电。
当激光发射器3发出的一字线状激光束射到物体上发生反射，反射的激光线条光斑图像被摄像头4采集到，传输给ARM处理平台5进行图像数据处理，计算出物体到摄像头4中心和激光发射器3中心构成的基线的距离并进行距离坐标转换，最后PC上位机将扫描获得的距离数据进行渲染可视化处理，得到扫描场景的三维点云信息。
如附图所示，本发明提供的基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统的测距方法，包括如下步骤：
S1摄像头标定：通过摄像头标定获取摄像头内参数以消除摄像头原始画面的扭曲。
S2采集原始扫描视频图像：PC上位机通过无线通信模块发送指令给ARM处理平台，ARM处理平台根据指令控制激光发射器和摄像头打开，舵机开始旋转；激光发射器发出一字线状激光照射到物体表面发生反射，摄像头开始采集激光线条光斑图像；舵机每旋转一度，摄像头采集一帧画面，每秒采集30帧；舵机共旋转180度，即6秒采集180帧光斑图像，能够呈现更清晰的画面的同时，较好的减少噪声点云。
S3视频图像读取：PC上位机通过无线通信模块给ARM处理平台发送指令，ARM处理平台对摄像头采集到的光斑图像进行逐帧处理，读取摄像头标定参数，消除图像画面扭曲。
S4求取光条像素中心：对消除了扭曲的画面，首先将图像转换为灰度图，使用最大类间方差法找到图片的一个合适的阈值，利用这个阈值把灰度图像转换为二值图像；在二值图像中统计阈值内每一行光条像素位置之和及像素个数，利用每一行光条像素位置之和除以像素个数求得每一行的光条中心位置，即光斑成像在该行的光条像素中心；对于整个相机成像平面，因为摄像头与激光器存在夹角，决定了一字激光光斑在相机成像平面中的位置只可能是在320～640像素位置之间。
S5求取距离：对于线状激光三角测距，光斑中心点P1符合单点激光测距的原理，如图4：
已知激光发射器到摄像头中心的距离为s，激光发射器的发射方向与摄像头所在平面的夹角为β，摄像头焦距为f，q为目标点到摄像头所在平面的距离，x为障碍物上激光光斑在摄像头感光平面上的成像点到图像一侧边缘的距离。求解如下：已知s，β，f，根据三角形相似定理推出q＝f*s/x，其中x＝x1+x2＝f/tan β+PixelSize*position，PixelSize是摄像头感光部件上单个像素感光单元的尺寸，position是步骤S5中求的光条像素中心相对于相机成像平面中心的位置，即光条像素中心位置与相机成像平面中心位置的差。
如图5，将激光光斑的中心点P1、成像点P1′、摄像头中心、激光器中心构成的平面作为基准面，对于任一不在基准面上的点，将成像平面镜像移到另一侧，对于点P2、成像点P2’、摄像头中心、激光器中心所构成的平面，与基准面存在夹角θ，P2’点到摄像头中心距离为f’，存在cosθ＝f/f’，tanθ＝(|P2′_height-P1′_heigh|)/f，推出f′＝f/cos(arctan((P2′_height-P1′_heigh)/f))，其中P2′_height和P1′_height分别是点P1和P2在成像平面中的像素高度。此时P2点也符合单点激光测距原理，x的几何意义同单点激光测距原理，根据三角形相似原理，推出d’＝f’*baseline/x，其中d′为P2到基线baseline的垂直距离(类比于单点激光测距原理中的q)，同样x可分为两部分计算x＝f’/tan β+PixelSize*position。
对于光斑上的其他点与其成像点、摄像头中心、激光器中心构成的平面中依然符合单点激光三角测距的原理，从而求出其到摄像头和激光中心构成的基线的距离。
S6距离坐标转换：以舵机的旋转轴与基线的交点为原点，y轴是目标点与基线(摄像头到激光发射器中心的距离为基线)的水平垂线方向，z轴是垂直于水平面的方向，x轴是基线所在方向，计算目标点的三维坐标。
当支架旋转后，坐标中心原点不变，但x、y轴发生了旋转，因此要将所有目标点的3D坐标转换到一个固定坐标系下，令支架旋转到90度时的坐标系做为固定坐标系(本例中支架面向目标物体沿顺时针方向旋转180度进行扫描)，计算得到目标点最终的三维坐标；所有目标点的最终坐标形成点云。
具体地，令旋转角度为offsetAngle，激光发射器中心到旋转中心(即原点)的距离为sRotation，坐标求取转换如下：
Py＝d’*cosθ；
Px＝Py/tan β-sRotation；
Pz＝d’*sinθ；
Px＝Px*cos(offsetAngle)+Py*sin(offsetAngle)；
Py＝Py*cos(offsetAngle)-Px*sin(offsetAngle)；
其中d’为步骤S5中提到的光斑上任意一点到基线baseline的垂直距离，θ为步骤S5提到的光斑上的其他点与其成像点、摄像头中心、激光器中心构成的平面，和基准面存在的夹角，Px、Py、Pz为最终获得的三维坐标。
S7渲染点云：PC上位机将得到的点云数据进行渲染可视化处理，得到扫描场景的三维点云信息。
本发明可自动控制摄像头和激光发射器的旋转来扫描获得180度范围内室内场景的距离数据，将这些数据进行渲染可视化处理，得到扫描场景的三维点云信息；以上求取光条像素中心、求取距离、距离坐标转换的过程都是在ARM处理平台中完成，用户成本低，结构简单，精度适中且可靠性高，尤其在移动机器人领域有很大的应用前景。
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 (10)

1.基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统，其特征在于，包括基座(1)、支架(2)、激光发射器(3)、摄像头(4)、ARM处理平台(5)、无线通信模块(6)以及上位机；
所述支架(2)通过舵机(7)设置在基座(1)上，使支架(2)能够在基座(1)上水平旋转；所述支架(2)上设有激光发射器(3)和摄像头(4)，所述激光发射器(3)和摄像头(4)位于同一水平面内，所述激光发射器(3)通过转动装置(8)设置在支架(2)上，使激光发射器(3)能够在支架(2)上水平旋转；
所述ARM处理平台(5)设置在基座(1)上，用于图像处理和距离计算，与摄像头(4)电连接；
所述无线通信模块(6)设置在基座(1)上，与ARM处理平台(5)相连，所述无线通信模块(6)用于ARM处理平台(5)与上位机相互传递数据和指令。
2.根据权利要求1所述的3D激光扫描测距系统，其特征在于，所述基座(1)上还设有数码管(9)，所述数码管(9)与ARM处理平台(5)相连，用于实时显示舵机(7)旋转的角度。
3.根据权利要求1所述的3D激光扫描测距系统，其特征在于，所述ARM处理平台(5)采用ARM计算机NanoPi NEO2。
4.根据权利要求1所述的3D激光扫描测距系统，其特征在于，所述激光发射器(3)的发射方向与支架(2)在水平方向所成角度范围为81°～85°。
5.根据权利要求1所述的3D激光扫描测距系统，其特征在于，所述激光发射器(3)与摄像头(4)的距离范围为12cm～15cm。
6.根据权利要求1所述的3D激光扫描测距系统，其特征在于，所述激光发射器(3)下方设有刻度轮盘作为转动装置(8)，供激光发射器(3)通过水平方向旋转调整角度。
7.根据权利要求1所述的3D激光扫描测距系统，其特征在于，所述摄像头(4)分辨率为640*480，帧率为30fps，即每秒采集30帧图像。
8.根据权利要求1所述的3D激光扫描测距系统，其特征在于，所述基座(1)上设有电源(10)，给基座(1)上的ARM处理平台(5)供电；所述舵机(7)、激光发射器(3)、数码管(9)、无线通信模块(6)由ARM处理平台(5)供电。
9.采用如权利要求1所述的基于ARM的低成本室内3D激光扫描测距系统的测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1 摄像头标定：通过摄像头标定获取摄像头内参数以消除摄像头原始画面的扭曲；
S2 采集原始扫描视频图像：上位机发送指令给ARM处理平台，ARM处理平台根据指令控制激光发射器和摄像头打开，舵机开始旋转；激光发射器发出一字线状激光照射到物体表面发生反射，摄像头开始采集激光线条光斑图像；舵机每旋转一度，摄像头采集一帧画面，每秒采集30帧；舵机共旋转180度，即6秒采集180帧光斑图像；
S3 视频图像读取：ARM处理平台对摄像头采集到的光斑图像进行逐帧处理，读取摄像头标定参数，消除图像画面扭曲；
S4 求取光条像素中心：对消除了扭曲的画面，首先将图像转换为灰度图，使用最大类间方差法找到图片的一个阈值，利用这个阈值把灰度图像转换为二值图像；在二值图像中统计阈值内每一行光条像素位置之和及像素个数，利用每一行光条像素位置之和除以像素个数求得每一行的光条中心位置，即光斑成像在该行的像素中心；
S5 求取距离：对于线状激光三角测距，根据三角形定理q＝f*s/x测出目标点到摄像头所在平面的距离；
其中q为目标点到摄像头所在平面的距离；f为摄像头焦距；s为激光发射器到摄像头中心的距离；x为目标物上激光光斑在摄像头感光平面上的成像点到图像一侧边缘的距离；x＝f/tanβ+PixelSize*position，激光发射器的发射方向与摄像头所在平面的夹角为β；PixelSize是摄像头感光部件上单个像素感光单元的尺寸，position是步骤S5中求的像素中心相对于相机成像平面中心的位置；
S6 距离坐标转换：以舵机的旋转轴与基线的交点为原点，y轴是目标点与基线的水平垂线方向，z轴是垂直于水平面的方向，x轴是基线所在方向，计算目标点的三维坐标；
当支架旋转后，将所有目标点的3D坐标转换到一个固定坐标系下，令支架旋转到90度时的坐标系做为固定坐标系，计算得到目标点最终的三维坐标；所有目标点的最终坐标形成点云；
S7 渲染点云：上位机将得到的点云数据进行渲染可视化处理，得到扫描场景的三维点云信息。
10.根据权利要求9所述的测距方法，其特征在于，所述摄像头(4)到激光发射器(3)中心的距离为基线。
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