CN112630795B - 一种基于2d激光雷达的三维点云数据合成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明创造提供了一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统，包括激光扫描雷达和同步带，同步带用于带动激光扫描雷达移动，同步带设置有电机；还包括电机运动控制模块、激光数据采集模板和三维点云数据融合模块；所述电机运动控制模块用于控制电机运动；所述激光数据采集模板用于获取激光扫描雷达的原始扫描数据。本发明创造有益效果：一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统将2D激光扫描雷达搭载在横移同步带上，基于Modbus‑RTU和TCP协议实现对同步带电机的运动控制和激光的数据采集，并在线融合电机同步带的位置信息和2D激光数据，从而实现3D激光点云数据的构建和采集等功能，大大的节省了成本。

Description

一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统
技术领域
本发明创造属于激光雷达领域，尤其是涉及一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统。
背景技术
随着计算机技术和MEMS技术的发展，基于激光的二维和三维感知传感器越来越多，激光传感器的精度和分辨率越来越高，相关的应用也越来越广泛，例如无人驾驶、智能仓储、智慧工厂等等。但三维激光价格昂贵，本发明可将2D激光扫描雷达搭载在横移同步带上，基于Modbus-RTU和TCP协议实现对同步带电机的运动控制和激光的数据采集，并在线融合电机同步带的位置信息和2D激光数据，从而实现3D激光点云数据的构建和采集等功能。
发明创造内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统，将2D激光扫描雷达搭载在横移同步带上，基于Modbus-RTU和TCP协议实现对同步带电机的运动控制和激光的数据采集，并在线融合电机同步带的位置信息和2D激光数据，从而实现3D激光点云数据的构建和采集等功能。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
第一方面本发明公开了一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统，其特征在于：包括激光扫描雷达和同步带，同步带用于带动激光扫描雷达移动，同步带设置有电机；
还包括电机运动控制模块、激光数据采集模板和三维点云数据融合模块；
所述电机运动控制模块用于控制电机运动；
所述激光数据采集模板用于获取激光扫描雷达的原始扫描数据；
三维点云数据融合模块通过电机运动控制模块获取电机位置数据，还通过激光数据采集模板获取激光扫描雷达的二维点云数据；
二维点云数据作为x和z轴的位置，同步带电机的位置作为y轴的位置，三维点云数据融合模块将电机位置数据和二维点云数据进行时间同步后融合为三维点云数据。
进一步的，还设有配置文件解析模块，电机运动控制模块和激光驱动模块通过配置文件解析模块获取基本的配置参数。
进一步的，电机运动控制模块包括初始化操作和运动控制操作；
所述初始化操作包括以下步骤：
A1、从配置文件中载入配置参数；
A2、创建并打开控制器；
A3、设置控制器ID；
A4、设置串行通信协议的超时；
A5、判断电机是否位于初始位置，位于初始位置则初始化完成；不位于初始位置则控制电机运动到初始位置；
所述运动控制操作包括以下步骤：
B1、电机上电使能；
B2、设置电机运行速度并开始运动；B3、查询电机运行状态；B4、判断电机是否达到目标位置，未达到目标位置则返回进行步骤B3，达到目标位置则控制电机断电去能。
进一步的，步骤B1中所述的电机上电使能方法为：通过串行通信协议更改电机控制器对应寄存器的数值实现电机的上电和断电；
步骤B2中设置电机运行速度方法为：通过串行通信协议更改电机控制器对应寄存器的数值设置电机的运行速度，控制电机运动；
步骤B3中查询电机运行状态的方法为：通过串行通信协议查询电机控制器对应寄存器的数值并根据协议推算电机的运动状态。
进一步的，激光数据采集模板包括以下操作步骤：
C1、初始化操作；
C2、设置激光扫描分辨率和频率；
C3、设置激光输出的角度参数；
C4、保存配置参数到激光扫描雷达内；
C5、获取激光点云数据；
C6、判断是否结束获取数据，不结束则返回进行步骤C5。
进一步的，步骤C1中的初始化操作包括以下步骤：
D1、载入配置参数；
D2、创建串行通信协议套接字；
D3、创建串行通信协议套接字连接；
D4、开始监听缓冲区监视器；
D5、获取激光扫描分辨率和频率；
D6、获取激光输出的角度参数。
进一步的，三维点云数据融合模块包括坐标转换单元、时间同步单元以及PCD生成保存单元；
所述坐标转换单元用于将激光扫描雷达的原始极坐标数据转换为笛卡尔坐标数据；
所述PCD生成保存单元用于将每一帧三维激光点云数据添加到PCD文件中作为一行，由此生成结构化的PCD点云数据并保存到硬盘的指定目录下。
进一步的，所述时间同步单元的时间同步方法为：以电机开始运动的时刻作为起始时刻，每当获取到一帧激光数据后即查询当前的时间作为激光扫描结束的时间，并根据激光扫描的周期推算得到激光开始扫描的时间，获取到时间后，根据电机的运动速度即可推算电机的位置信息。
第二方面本发明公开了一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行上述第一方面所述的一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统。
第三方面本发明公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统具有以下优势：
(1)本发明创造所述的一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统将2D激光扫描雷达搭载在横移同步带上，基于Modbus-RTU和TCP协议实现对同步带电机的运动控制和激光的数据采集，并在线融合电机同步带的位置信息和2D激光数据，从而实现3D激光点云数据的构建和采集等功能，大大的节省了成本；
(2)本发明创造所述的一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统使用激光的配置参数自动生成查询表，可方便快捷的对原始激光数据进行转换，极大的提高了计算效率；
(3)本发明创造所述的一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统的同步电机的运动控制支持单线程和多线程模式，方便使用；
(4)本发明创造所述的一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统融合后的三维点云数据为PCL定义的PCD标准格式，具备良好的兼容性。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的系统架构图示意图；
图2为本发明创造实施例所述的电机运动控制模块逻辑框图示意图；
图3为本发明创造实施例所述的激光驱动模块逻辑框图示意图；
图4为本发明创造实施例所述的三维点云数据融合模块功能框图示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
如图1至图4所示，本发明的主要功能是融合电机同步带的位置数据和2D激光雷达点云数据，融合构建三维激光点云数据，系统通过Modbus-RTU协议发送相应的电机运动控制指令，实现对电机上电使能、速度控制和运动状态查询等功能，并支持多线程运动控制模式；通过TCP协议配置激光的硬件参数以及获取激光扫描的原始极坐标数据；根据高精度的时间同步和激光与同步带之间的几何约束融合生成三维点云，并保存为结构化的PCD标准三维点云数据格式。
融合电机同步带的位置数据和2D激光雷达点云数据，构建三维激光点云数据，具体包括以下模块：
XML配置文件解析：XML是一种广泛应用的可扩展标记语言，可将数据结构话表达，具备较好的可阅读行，很适合作为配置文件。
本系统基于TinyXML2.0开源系统实现了对多层XML配置文件的解析，可以载入并解析电机通信控制和激光的配置参数。
基于Modbus-RTU协议的同步带电机运动控制：电机支持通过串口和Modbus-RTU协议与PC机进行通信。本系统根据电机的通信协议开发了电机运动控制模块，可实现对电机上电使能、速度设置和运动状态查询等功能，并支持多线程运动控制模式。
基于TCP协议的激光驱动模块，激光驱动模块：本系统可以通过TCP协议与激光进行通讯，支持激光扫描和输出参数的配置、查询和保存，例如扫描频率和分辨率，扫描的角度等，支持激光原始数据的获取等功能。
高精度计时模块：为融合同步带电机的位置信息和激光的点云信息，本系统开发了基于chrono开源库实现了高精度的计时，通过查询电脑计时器的计数和CPU的时钟频率来计算时间，最高可精确到微秒。
三维点云融合模块：激光的点云数据作为x和z轴的位置，同步带电机的位置作为y轴的位置，根据时间同步融合即可获取准确的三维点云。为了提高数据融合的计算效率，本系统可根据激光的配置参数自动生成查询表，拿到激光点云的原始数据后可通过查询迅速获得点云的x和z轴位置信息，极大的减少了计算量。最后本系统可输出PCL开源库支持的标准PCD格式的数据。
如图1所示本系统整体主要由三个模块组成，分别为电机运动控制模块、激光数据采集模板、三维点云数据融合模块。
电机运动控制模块基于Modbus-RTU协议开发完成，具备上电使能、速度控制和状态查询功能，支持单线程和多线程两种运动模式。激光数据采集模块基于TCP协议开发完成，包括激光传感器的扫描和输出参数配置和保存功能，可获取激光扫描的原始数据。
电机运动控制模块和激光驱动模块均通过XML解析模块获取基本的配置参数。三维点云融合模块通过高精度的时间同步将电机的位置数据和激光的二维点云数据同步融合，并基于PCL开发完成，支持单帧模式和多帧模式，支持查询表可迅速将激光扫描的原始数据转换为真实坐标，可输出标准的PCD格式数据，具有良好的普适性。
一、电机运动控制模块(逻辑框图如图2所示)
初始化：该模块首先从配置文件中载入Modbus初始化的参数，例如串口地址、设备身份识别符、波特率、数据位数、停止位、奇偶校验等参数。然后利用载入的参数创建Modbus的设备、连接、设置超时、设置设备身份识别符等。最后确保电机处于初始位置。
上电使能：电机需要上电使能才能接收运动控制指令实现运动。理论上，电机上电使能需要物理开关改变DI的状态，本电机的控制器具备虚拟DI，支持系统上电使能，所以本系统通过Modbus通信改变控制器的虚拟DI的状态实现电机的上电使能。
速度控制：电机的的运动模式有位置模式、速度模式和力矩模式。在本三维点云采集系统下，电机的运动处于速度模式，通过Modbus通信直接设置速度即可让电机按照指定的速度旋转，实现速度控制，电机的运行速度可以通过配置文件给定。
状态查询：当电机接收到运动控制指令后，电机开始运动，电机可能处于加速运动状态、匀速运动状态；当电机运行到终点位置后，电机处于到点终止运动状态，不同的电机运动状态对应不同的DO信号，通过查询DO的状态，即可获取电机的运动状态。
二、激光驱动模块(逻辑框图如图3所示)
初始化：激光的初始化包括配置激光的IP地址和端口，构建TCP连接，并监听激光的数据服务端。
配置/保存参数：首先通过XML配置文件获取激光扫描和输出点云数据的配置参数，然后通过TCP通信和特定的指令修改激光传感器的参数，例如扫描频率和分辨率，输出最大最小角度范围等等，在设置完配置参数之后，可以通过发送相应的指令在激光传感器永久存储区保存配置参数。
获取激光点云数据：初始化完成后，我们可以向激光请求点云数据。在首次请求时，系统会通过指令让激光以固定的频率和分辨率扫描并输出结果；之后则只需根据TCP协议接受点云数据的消息即可，获取的点云数据为极坐标数据，即由距离和对应的角度构成。
三、三维点云数据融合模块(功能框图如图4所示)
坐标转换：三维点云的数据为笛卡尔坐标系下的数据，所以在融合之前需要将激光的原始极坐标数据转换为笛卡尔坐标数据，由于激光以固定的起始、终止角度，固定的分辨率扫描和输出结果，所以本系统为提高数据坐标转换的效率，使用查表法实现。根据配置参数事先生成角度序列的正弦和余弦值，作为表格。当坐标转换时，仅需要通过表格查询该极坐标的角度所对应的正弦和余弦值即可。
时间同步：要想获取三维点云数据，还需融合同步带电机的位置信息。所以需要将激光和电机进行时间同步，本系统以电机开始运动的时刻作为起始时刻，每当获取到一帧激光数据后即查询当前的时间作为激光扫描结束的时间，并根据激光扫描的周期推算得到激光开始扫描的时间。获取到时间后，根据电机的运动速度即可推算电机的位置信息。
PCD生成/保存：CD为PCL开源库定义并支持的三维点云标准数据格式，本系统借助PCL开源库可将每一帧三维激光点云数据添加到PCD文件中作为一行，由此生成结构化的PCD点云数据并保存到硬盘的指定目录下。
以下将对系统各模块作出详细的说明：
一、电机运动控制模块：
1、功能
Modbus初始化，包括串口地址、设备身份识别符、波特率、数据位、停止位和奇偶校验等等；
电机上电使能，通过Modbus更改电机控制器对应寄存器的数值实现电机的上电和断电；
电机速度控制，通过Modbus更改电机控制器对应寄存器的数值设置电机的运行速度，控制电机运动；
电机状态查询，通过Modbus查询电机控制器对应寄存器的数值并根据协议推算电机的运动状态；
2、输入输出
输入包括：Modbus初始化配置参数、电机上电使能、速度控制和状态查询所需要的控制器寄存器地址；
输出包括：电机的响应；
3、接口定义
类名称为：MotorControl
构造函数：默认构造函数
默认拷贝构造函数
传递配置文件参路径参数的构造函数
传递Modbus初始化参数的构造函数
成员变量：全是私有变量，无共有变量
成员函数：初始化init
退出exit
上电使能enable
断电去能disable
设置速度setVelocity
前进goForward
后退goBackward
状态查询isRunning
4、测试要点(给出测试模块的主要测试要求)
测试电机的初始化。设置相应的参数，例如波特率为57600，数据位为8，停止位为2，奇偶校验为N等，完成Modbus的初始化。之后设置Modbus通信超时以及检验电机初始位置。若初始化成功则返回值为0，否则返回值为-1；
测试电机速度运动控制。通过Modbus分别控制电机正向和反向运动；
测试查询电机的运动状态。通过Modbus查询电机的运行状态，包括加减速运动、匀速运动和停止运动等；
二、激光数据采集模块
1、功能
激光初始化：包括设置激光的IP和端口，建立TCP连接，获取激光的配置参数等；
设置/保存配置参数：激光完成初始化之后，可以通过TCP套接字配置或者保存相应的参数，包括分辨率和频率，扫描起始和终止角度等等；
获取激光点云数据：激光开始扫描后，可逐帧获取扫描的原始数据，并以数组的形式保存在内存中。
2、输入输出
输入包括：激光的地址和端口，扫描的配置参数等等；
输出包括：激光扫描的原始点云数据和激光返回值数据等等；
3、接口定义
类名称为：LMS1xx
构造函数：默认构造函数
默认拷贝构造函数
传递激光IP地址和端口参数的构造函数
成员变量：全是私有变量，无共有变量
成员函数：初始化initialize
退出Uninitialize
设置激光扫描参数SetScanFreqAndRes
设置激光输出参数SetOutputRange
保存激光参数SaveParams
获取激光数据GetMeasurements
4、测试要点(给出测试模块的主要测试要求)
测试激光的初始化，初始化的结果可以在Terminal里面打印，若初始化成功则会打印扫描的配置参数。
测试激光配置参数的修改和保存。
测试获取激光点云数据，可以将获取的点云数据由极坐标转化为笛卡尔坐标，并可视化，对比被扫描物体的真实形状，测试激光点云的准确性。
三、三维点云数据融合模块
1、功能
对激光点云数据和同步带电机位置数据进行时间同步,以电机开始运动的时刻为时间起点，以电机停止运动的时刻为时间终点，以获取到激光数据的时间作为当前帧数据的时间。
激光点云坐标系转换，本系统利用查表法可迅速将点云数据由极坐标系为笛卡尔坐标系。
生成并保存PCD文件，本系统可将每一帧融合后的三维点云数据添加到PCD文件中，生成格式化的点云数据，扫描结束后可存储到硬盘的指定目录下面。
2、输入输出
输入包括：激光的原始极坐标系下的点云数据，同步后的时间；输出包括：PCD格式的三维点云文件；
3、接口定义
类名称为：LMS1xxToPointCloud
构造函数：默认构造函数
默认拷贝构造函数
传递激光数据输出参数的构造函数
成员变量：全是私有变量，无共有变量成员函数：将激光数据转换为点云convertToPointCloud
添加点云数据addPointsToPointCloud
设置激光扫描参数SetScanFreqAndRes
重置输出范围resetOutputRange
重置点云resetPointCloud
提取点云数据extractPointCloud
4、接口定义
类名称为：LMS1xxToPointCloud
构造函数：默认构造函数
默认拷贝构造函数
传递激光数据输出参数的构造函数
成员变量：全是私有变量，无共有变量
成员函数：将激光数据转换为点云convertToPointCloud
添加点云数据addPointsToPointCloud
设置激光扫描参数SetScanFreqAndRes
重置输出范围resetOutputRange
重置点云resetPointCloud
提取点云数据extractPointCloud
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机系统或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和系统的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是系统方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于2D激光雷达的三维点云数据合成系统，其特征在于：包括激光扫描雷达和同步带，同步带用于带动激光扫描雷达移动，同步带设置有电机；
还包括电机运动控制模块、激光数据采集模板和三维点云数据融合模块；
所述电机运动控制模块用于控制电机运动；
所述激光数据采集模板用于获取激光扫描雷达的原始扫描数据；
三维点云数据融合模块通过电机运动控制模块获取电机位置数据，还通过激光数据采集模板获取激光扫描雷达的二维点云数据；
二维点云数据作为x和z轴的位置，同步带电机的位置作为y轴的位置，三维点云数据融合模块将电机位置数据和二维点云数据进行时间同步后融合为三维点云数据；
还设有配置文件解析模块，电机运动控制模块和激光驱动模块通过配置文件解析模块获取基本的配置参数；
电机运动控制模块包括初始化操作和运动控制操作；
还设有高精度计时模块，利用高精度计时模块融合同步带电机的位置信息和激光的点云信息；
所述初始化操作包括以下步骤：
A1、从配置文件中载入配置参数；
A2、创建并打开控制器；
A3、设置控制器ID；
A4、设置串行通信协议的超时；
A5、判断电机是否位于初始位置，位于初始位置则初始化完成；不位于初始位置则控制电机运动到初始位置；
所述运动控制操作包括以下步骤：
B1、电机上电使能；
B2、设置电机运行速度并开始运动；
B3、查询电机运行状态；
B4、判断电机是否达到目标位置，未达到目标位置则返回进行步骤B3，达到目标位置则控制电机断电去能；
步骤B1中所述的电机上电使能方法为：通过串行通信协议更改电机控制器对应寄存器的数值实现电机的上电和断电；
步骤B2中设置电机运行速度方法为：通过串行通信协议更改电机控制器对应寄存器的数值设置电机的运行速度，控制电机运动；
步骤B3中查询电机运行状态的方法为：通过串行通信协议查询电机控制器对应寄存器的数值并根据协议推算电机的运动状态；
激光数据采集模板包括以下操作步骤：
C1、初始化操作；
C2、设置激光扫描分辨率和频率；
C3、设置激光输出的角度参数；
C4、保存配置参数到激光扫描雷达内；
C5、获取激光点云数据；
C6、判断是否结束获取数据，不结束则返回进行步骤C5；
步骤C1中的初始化操作包括以下步骤：
D1、载入配置参数；
D2、创建串行通信协议套接字；
D3、创建串行通信协议套接字连接；
D4、开始监听缓冲区监视器；
D5、获取激光扫描分辨率和频率；
D6、获取激光输出的角度参数；
三维点云数据融合模块包括坐标转换单元、时间同步单元以及PCD生成保存单元；
所述坐标转换单元用于将激光扫描雷达的原始极坐标数据转换为笛卡尔坐标数据；
所述时间同步单元用于将激光扫描雷达和电机进行时间同步；
所述PCD生成保存单元用于将每一帧三维激光点云数据添加到PCD文件中作为一行，由此生成结构化的PCD点云数据并保存到硬盘的指定目录下；
所述时间同步单元的时间同步方法为：以电机开始运动的时刻作为起始时刻，每当获取到一帧激光数据后即查询当前的时间作为激光扫描结束的时间，并根据激光扫描的周期推算得到激光开始扫描的时间，获取到时间后，根据电机的运动速度即可推算电机的位置信息。
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