CN110824457A - 一种避免遮挡的三维激光扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种避免遮挡的三维激光扫描系统，所述的扫描系统包括云台、设置在云台上的旋转盘，以及设置在旋转盘上的旋转臂，所述的旋转臂的端部设置有二维激光扫描仪；通过旋转盘转动带动旋转臂驱动二维激光扫描仪转动，二维激光扫描仪在被带着转动的同时进行扫描测距。本发明通过遮挡物的大小，调整旋转臂的长度，从而进一步减少遮挡物的遮挡，本发明利用长臂结构把激光扫描中心与云台旋转中心分离，使得激光不在是从一点发出，而是沿着旋转轨迹发出，增大了激光扫描系统的扫描覆盖区域，有效的减小了被遮挡的扫描区域；解决对未知复杂度场景内的被遮挡问题。

Description

一种避免遮挡的三维激光扫描系统

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，尤其是一种避免遮挡的三维激光扫描系统。

背景技术

激光扫描系统的理论研究在现实生活中被广泛应用，如无人驾驶汽车，机器人导航，建筑物重建和遥感。激光扫描系统通过估计从激光雷达发出的光和从远处物体反射的光的到达时间间隔，来测量激光发射点到物体的距离，相比于图像，其不受光照影响有其独特优势。

现有的激光扫描产品的水平扫描旋转中心和竖直扫描旋转中心重合于光源原点，所以可看作是所有扫描光线都是从光源原点发出，故而存在单点光源情况下的遮挡问题，周围物体距离光源原点越近，物体尺寸越大，遮挡现象就越严重。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种避免遮挡的三维激光扫描系统，本发明通过改变激光扫描系统的，水平扫描旋转中心和竖直扫描旋转中心的距离，并使竖直扫描旋转中心围绕水平扫描旋转中心旋转，采用行星环绕的扫描方法来达到减小被遮挡区域的效果，并且可根据物体的尺寸及距离，调整系统，以减少被遮挡区域。

本发明的技术方案为：一种避免遮挡的三维激光扫描系统，所述的扫描系统包括云台、设置在云台上的旋转盘，以及设置在旋转盘上的旋转臂，所述的旋转臂的端部设置有二维激光扫描仪；通过旋转盘转动带动旋转臂驱动二维激光扫描仪转动，二维激光扫描仪在被带着转动的同时进行扫描测距；扫描方法具体如下：

S1)、设定云台的旋转盘的旋转中心为坐标原点O_base，一维云台的旋转盘的旋转面为基平面，二维激光扫描仪的扫描面为扫描平面П_scan；二维激光扫描仪的扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间的距离即为扫描臂长度R′；

S2)、设定遮挡物在基平面上的投影的最小外接圆半径为r，基平面中心O_base到遮挡物中心C_occlusion的距离为d_occlusion，则被遮挡区域的面积S，其计算式如下：

S3)、根据给定的遮挡物的半径r′和距离允许的最大遮挡面积S^*，根据上式得到扫描臂长度R′；

S4)、进行三维场景激光扫描，扫描平面中心点O_scan在基平面上绕Z轴旋转，旋转角度为

在扫描平面上Π_scan，从扫描平面中心O_scan发出测距激光，发射角度为θ_LIDAR，测得距离为d_LIDAR，得到一个扫描点

选择不同的旋转角度和发射角度按上述方式扫描，可以得到扫描点集合

S5)、根据扫描臂长度R′将扫描点集合Q转换为以坐标原点O_base为中心的空间点集P。

优选的，可由下式得到空间点集P的笛卡尔坐标：

优选的，在扫描前，先通过标定获取任意一个二维激光扫描仪的扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间的距离即为扫描臂长度R，并通过测量获取旋转臂的长度L，并通过R-L得到扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间不可通过测量获得距离L′；具体包括以下步骤：

S201)、竖直放置一块标定平板，并将扫描系统水平放置于标定平板前方；

S202)、启动扫描系统进行扫描并获取相应的扫描数据；

S203)、将超出标定平板范围的数据去除，保留标定平板范围内的数据；

S204)、对每个发射角度θ_LIDAR对应的点集合

做直线拟合，只保留点集合

到直线的距离小于阈值λ_θ的点，得到点集合

S205)、对每个旋转角度

对应的点集合

做直线拟合，得到直线

只保留点集合

到直线

的距离小于阈值

的点，得到点集合

S206)、根据点集合和

得到扫描臂长度R，其计算式如下：

其中d_base为云台旋转中心到标定平板的距离,Δθ为二维激光扫描仪角度误差，

为云台的旋转盘角度误差。

优选的，步骤S2)中，通过将扫描臂长度R′与扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间不可通过测量获得距离L′的差值，即可得到根据定遮挡物确定的旋转臂L″，即L″＝R′-L′，以实现根据遮挡物的大小调整旋转臂的长度。

本发明的有益效果为：本发明利用长臂结构把激光扫描中心与云台旋转中心分离，使得激光不在是从一点发出，而是沿着旋转轨迹发出，增大了激光扫描系统的扫描覆盖区域，有效的减小了被遮挡的扫描区域；解决对未知复杂度场景内的被遮挡问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明二维激光扫描仪扫描区域图，其中，b为旋转盘旋转路径，c为二维激光扫描仪旋转路径，d为水平面；

图3为本发明在遮挡物遮挡情况下的扫描图；

图4为现有技术在遮挡物遮挡情况下的扫描图；

图5为本发明扫描方法的结构示意图，其中，激光扫描中心与云台旋转中心的距离R，云台旋转中心与遮挡物中心的距离d_c，遮挡物半径r，遮挡区域长度x，遮挡区域角度α的几何关系图，黑色阴影为遮挡区域面积S，与基旋转圆形和遮挡物圆形都相切的两条切线相交于点P；

图中，1-云台，2-旋转盘，3-旋转臂，4-二维激光扫描仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种避免遮挡的三维激光扫描系统，所述的扫描系统包括云台1、设置在云台1上的旋转盘2，以及设置在旋转盘2上的旋转臂3，所述的旋转臂3的端部设置有二维激光扫描仪4；其中，旋转臂为L型的平板，并且该平板两端均开设有多个安装孔，一端安装在旋转盘2上，另一端安装并支撑二维激光扫描仪4；二维激光扫描仪4的扫描平面与旋转臂3平行。通过旋转盘2转动带动旋转臂3驱动二维激光扫描仪4转动，二维激光扫描仪4在被带着转动的同时进行扫描测距。

如图2-5所示，扫描方法具体如下：

S1)、设定云台的旋转盘的旋转中心为坐标原点O_base，一维云台的旋转盘的旋转面为基平面，二维激光扫描仪的扫描面为扫描平面Π_scan；二维激光扫描仪的扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间的距离即为扫描臂长度R′。

由于扫描臂长度R′为二维激光扫描仪的扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间的距离，其中仅旋转臂的长度可通过测量获取，因此，在扫描前需要先对系统进行标定，以确定扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间不可通过测量得到的距离L′。

扫描前以任意长度L的旋转臂作为标定，并设定标定的二维激光扫描仪的扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间的距离即为扫描臂长度R，并通过R-L得到扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间不可通过测量获得距离L′；具体包括以下步骤：

S201)、竖直放置一块标定平板，并将扫描系统水平放置于标定平板前方；

S202)、启动扫描系统进行扫描并获取相应的扫描数据；

S203)、将超出标定平板范围的数据去除，保留标定平板范围内的数据；

S204)、对每个发射角度θ_LIDAR对应的点集合

做直线拟合，只保留点集合

到直线

的距离小于阈值λ_θ的点，得到点集合

S205)、对每个旋转角度

对应的点集合

做直线拟合，得到直线

只保留点集合

到直线

的距离小于阈值的点，得到点集合

S206)、根据点集合

和

得到扫描臂长度R，其计算式如下：

其中d_base为云台旋转中心到标定平板的距离,Δθ为二维激光扫描仪角度误差，

为云台的旋转盘角度误差。

S2)、根据遮挡物的大小旋转相应大小的旋转臂，设定遮挡物在基平面上的投影的最小外接圆半径为r，基平面中心O_base到遮挡物中心C_occlusion的距离为d_occlusion，则被遮挡区域的面积S，其计算式如下：

S3)、根据给定的遮挡物的半径r′和距离允许的最大遮挡面积S^*，根据上式得到扫描臂长度R′，则旋转臂的长度L″＝R′-L′；

S4)、进行三维场景激光扫描，以获取三维场景数据，扫描平面中心点O_scan在基平面上绕Z轴旋转，旋转角度为

在扫描平面上Π_scan，从扫描平面中心O_scan发出测距激光，发射角度为θ_LIDAR，测得距离为d_LIDAR，得到一个扫描点

选择不同的旋转角度和发射角度

按上述方式扫描，可以得到扫描点集合

S5)、根据扫描臂长度R′将扫描点集合Q转换为以坐标原点O_base为中心的空间点集P，其中，可由下式得到空间点集P的笛卡尔坐标：

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种避免遮挡的三维激光扫描系统，其特征在于：所述的扫描系统包括云台、设置在云台上的旋转盘，以及设置在旋转盘上的旋转臂，所述的旋转臂的端部设置有二维激光扫描仪；通过旋转盘转动带动旋转臂驱动二维激光扫描仪转动，二维激光扫描仪在被带着转动的同时进行扫描测距；

扫描方法具体如下：

S1)、设定云台的旋转盘的旋转中心为坐标原点O_base，一维云台的旋转盘的旋转面为基平面，二维激光扫描仪的扫描面为扫描平面II_scan；二维激光扫描仪的扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间的距离即为扫描臂长度R′；

S2)、设定遮挡物在基平面上的投影的最小外接圆半径为r，基平面中心O_base到遮挡物中心C_occlusion的距离为d_occlusion，则被遮挡区域的面积S，其计算式如下：

S3)、根据给定的遮挡物的半径r′和距离允许的最大遮挡面积S^*，根据上式得到扫描臂长度R′；

S4)、进行三维场景激光扫描，扫描平面中心点O_scan在基平面上绕Z轴旋转，旋转角度为

在扫描平面上Π_scan，从扫描平面中心O_scan发出测距激光，发射角度为θ_LIDAR，测得距离为d_LIDAR，得到一个扫描点

选择不同的旋转角度和发射角度

按上述方式扫描，可以得到扫描点集合

S5)、根据扫描臂长度R′将扫描点集合Q转换为以坐标原点O_base为中心的空间点集P。

2.根据权利要求1所述的一种避免遮挡的三维激光扫描系统，其特征在于：在扫描前，先通过标定获取任意一个二维激光扫描仪的扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间的距离即为扫描臂长度R，并通过测量获取旋转臂的长度L，并通过R-L得到扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间不可通过测量获得距离L′。

3.根据权利要求2所述的一种避免遮挡的三维激光扫描系统，其特征在于，标定的方法具体包括以下步骤：

S201)、竖直放置一块标定平板，并将扫描系统水平放置于标定平板前方；

S202)、启动扫描系统进行扫描并获取相应的扫描数据；

S203)、将超出标定平板范围的数据去除，保留标定平板范围内的数据；

S204)、对每个发射角度θ_LIDAR对应的点集合

做直线拟合，只保留点集合

到直线

的距离小于阈值λ_θ的点，得到点集合

S205)、对每个旋转角度

对应的点集合

做直线拟合，得到直线

只保留点集合

到直线

的距离小于阈值

的点，得到点集合

S206)、根据点集合

和

得到扫描臂长度R，其计算式如下：

其中d_base为云台旋转中心到标定平板的距离,Δθ为二维激光扫描仪角度误差，

为云台的旋转盘角度误差。

4.根据权利要求3所述的一种避免遮挡的三维激光扫描系统，其特征在于：通过将扫描臂长度R′与扫描中心O_scan与坐标原点O_base之间不可通过测量获得距离L′的差值，即可得到根据定遮挡物确定的旋转臂L″，即L″＝R′-L′，以实现根据遮挡物的大小调整旋转臂的长度。

5.根据权利要求1所述的一种避免遮挡的三维激光扫描系统，其特征在于：可由下式得到空间点集P的笛卡尔坐标：

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