CN113777580A - 一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪 - Google Patents

Abstract

一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪属于地理信息数据采集领域、环境三维形貌测绘技术领域,包括单线激光雷达、惯性测量单元IMU、旋转机构和上位机。本发明能够对激光雷达的视野范围进行扩大，完成对不同空间中三维形貌的测量；本发明结构简单，适用场景丰富，可手持或车载等，在移动中完成三维重建，操作方便、结果稳定；本发明提供了完整的点云处理、拼接系统，使用简单、集成度高。

Description

一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪

技术领域

本发明属于地理信息数据采集领域、环境三维形貌测绘技术领域，特别是涉及到一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪。

背景技术

随着移动机器人产业的快速发展，越来越多的智能设备投入到非结构化环境的工作中去，环境三维感知与测量的需求日益增长。其中，由于各类智能车辆在行驶时对道路、建筑等信息依赖度较高，因而室外环境中的三维重建显得更为重要。

激光雷达是一种采用非接触激光测距技术的扫描式传感器，通过发射激光光束和收集反射回来的光束，来形成点云和获取数据，经过运算处理，可生成精确的三维立体图像，准确的获取物理空间环境信息。目前，激光测距雷达主要有二维和三维两种，二维激光雷达只在一个固定的扫描平面上获取距离信息，也称为单线扫描；三维激光雷达则在二维扫描的同时，还能转动扫描平面，也称为多线扫描，单线激光雷达将单个激光器安装在垂直旋转轴上，通过沿某一个固定方向旋转转轴，使激光器在某一平面获得该平面周围环境的点云信息，即形成平面二维点云，从而可以绘制该平面的环境物理结构。

与二维激光雷达相比，由于三维激光雷达能够直接快速地获取环境的三维信息，因此，三维激光雷达在包括复杂地形机器人导航、工程测量等领域具有更大的应用价值，但是，由于三维激光雷达的装置复杂度高，此外，因三维激光雷达加工工艺要求较高，所以高性能的三维激光雷达往往价格很高，使得应用成本非常高。

传统采用的多线激光雷达价格较高，且结果点云稀疏，仅能覆盖激光扫描线所在区域，无法满足大范围三维测量的需求。因此，许多装置通过采用成本较低的单线激光雷达，将激光雷达扫描平面在空间中进行摆动，并对各个位姿下的测量数据进行拼接，从而得到高密度的空间三维点云。

但室外环境的三维重建需求复杂，现有装置很难满足。一方面，在室外除了正上方的天空和正下方的平地，其他方向均有着有用信息，而目前的摆动装置大多因机构限制无法进行全向扫描，只能进行小范围的空间测量，不能一次性完成对重要信息的重建；另一方面，不同场景、不同应用对测量结果的需求也各不相同，在狭窄环境中测量装置需对近处的信息进行覆盖，而在宽阔的环境下远处的信息更需要得到重点扫描，但现有的装置视野范围和结果点云的分布大多是固定的，无法根据需求进行调节，很难适应不同的测量情况。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪用于解决现有的三维激光雷达的装置复杂度高，而室外环境的三维重建装置由于视野范围和结果点云的分布大多是固定的，无法根据需求进行调节，很难适应不同的测量情况等技术问题。

一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪，包括单线激光雷达、惯性测量单元IMU、雷达固定板、旋转机构和上位机；

所述旋转机构包括机械外壳、单片机、减速电机、滑环固定杆和滑环；所述机械外壳的内部安装有单片机、减速电机和滑环，机械外壳还包括手柄；所述减速电机的输出轴伸出至机械外壳的外部并通过螺母与雷达固定板固定连接；所述雷达固定板与单线激光雷达固定连接；所述惯性测量单元IMU固定安装在雷达固定板的一侧，惯性测量单元IMU与上位机信号传输连接；所述单片机分别与上位机以及减速电机电性连接；所述单线激光雷达通过滑环固定杆以及滑环与减速电机电性连接，单线激光雷达与上位机信号传输连接；所述上位机设置有三维重建模块。

所述单片机为STM32单片机。

所述滑环与减速电机同轴安装，滑环与滑环固定杆固定连接。

所述三维重建模块接收单线激光雷达在各位姿下的空间三维测量数据和惯性测量单元IMU发送的单线激光雷达的实时位姿数据信息，并根据点云拼接算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

(1)本发明能够对激光雷达的视野范围进行扩大，完成对不同空间中三维形貌的测量；

(2)本发明结构简单，适用场景丰富，可手持或车载等，在移动中完成三维重建，操作方便、结果稳定；

(3)本发明提供了完整的点云处理、拼接系统，使用简单、集成度高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪的结构框图。

图2为本发明一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪的结构示意图。

图3为本发明一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪中滑环固定杆和滑环的安装位置示意图。

其中，1-单线激光雷达、2-惯性测量单元IMU、3-固定板、4-螺母、5-输出轴、6-机械外壳、7-减速电机、8-手柄、9-滑环固定杆、10-滑环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细叙述。

如图1所示，为本发明的整体框架图，主要由上位机、单线激光雷达1以及旋转机构组成，其中旋转机构主要包括减速电机7、STM32单片机和滑环10。上位机中设置有三维重建模块，该模块主要是以算法为主，算法包含四大模块，依次为：特征点提取、位姿变换估计、特征点云配准、优化建图，经由上述模块后，可得到三维重建结果。

如图2和图3所示，一种基于可旋转单线激光雷达的三维扫描仪，该装置是包括单线激光雷达1、惯性测量单元IMU2、雷达固定板3、螺母4、电机输出轴5、机械外壳6、减速电机7、手柄8、滑环固定杆9和滑环10。

单线激光雷达1与固定板3相连，惯性测量单元IMU2安装在固定板3上，同时固定板3侧面钻有孔洞与减速电机7的输出轴5相连，并通过螺母4固定，滑环10安装在机械外壳6的内部并通过滑环固定杆9固定，滑环10与机械外壳6以及减速电机7同轴安装，减速电机7位于机械外壳6尾部，手柄8安装在机械外壳6外表面。

由减速电机7带动单线激光雷达1旋转，同时单线激光雷达1采集三维数据，惯性测量单元IMU2监测单线激光雷达1的实时位姿，单线激光雷达1和惯性测量单元IMU2的数据传输到上位机，由上位机中的三维点云重建模块对三维数据进行处理，根据算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。

算法流程包括特征点提取、位姿变换估计、点云配准、优化建图。

具体算法流程为，单线激光雷达1返回的结果为连续的点序列，该点序列的下标可以表示激光在极坐标系下的角度，点序列对应的数值表示当前光束距离物体的距离信息。假设某一光束在扫描平面内对应的发射角度为θi，测得的距离为di，将极坐标系转换到直角坐标系下为：

该单线激光雷达1由减速电机7带动旋转，通过读取惯性测量单元IMU2的数据值得到该激光旋转的角度。同时规定激光的初始坐标系与世界坐标系重合。世界坐标系使用{W}表示，激光的坐标系用{L}表示。使用旋转矩阵可以很容易的描述激光坐标系{L}与相对于初始坐标系之间的转换关系。先假设该扫描仪处于静止状态，减速电机7带动单线激光雷达1旋转，即激光坐标系{L}与初始坐标系的原点重合，只有在z轴上进行了旋转。使用欧拉角yaw、pitch和roll角度分别表示沿z轴、y轴和x轴旋转的角度。旋转顺序是先yaw，然后pitch，最后roll，使用ψ表示yaw，θ表示pitch，φ表示roll。旋转矩阵可以直接从对应的欧拉角得到，欧拉角对应的旋转矩阵如下：

将公式Rz，Ry和Rx相乘，可以得到旋转矩阵，使用c_θ表示cosθ，s_θ表示sinθ，则旋转矩阵R：

设平移矩阵为t_3×1，则转换矩阵T_4×4为：

在激光传感器数据的表现形式中，线段上的点可以表示为平面点，两个线段的交点可表示为边缘点，同时要满足特征点位于激光数据中。对于单线激光雷达1的扫描结果是在同一平面内，从扫描结果中任意取出连续三个点可以确定唯一一个圆。已知三个点P1(x1,y1)、P2(x2,y2)和P3(x3,y3)，假设圆心坐标为P0(x0,y0)，半径为r。

由圆的定义可建立三个等式方程：

消除r²后并化简得到：

可求得圆心坐标为：

其中：

因此p₂点的曲率ρ可以表示为：

激光扫描点可以通过计算曲率ρ的大小来分类，当扫描点对应的曲率ρ大于一定阈值时则该点为边缘点；当扫描点对应的曲率ρ小于一定阈值时则该点为平面点。

场景重建需要完成在运动的过程中，将所有采集到的数据点转换到同一坐标系下，因此需要对单线激光雷达1的位姿进行运动估计。使用基于特征点匹配的方法进行运动估计，首先建立特征点到对应直线或平面的几何关系，由于特征点的位姿转换关系可以反映出单线激光雷达1的位姿变换，因此可以根据特征点的几何关系对单线激光雷达1的位姿进行估计。单线激光雷达1一次扫描的结果使用s表示，算法的输入为单线激光雷达1上一次采集完成的s_k-1、当前正在采集的点云s_k和位姿的初始转换矩阵

该转换矩阵为上一次迭代结果，作为当前迭代的初始估计值。s_k开始采集时，

被清零以重新初始化。然后，算法开始从s_k中提取特征点组成ε_κ和H_k，对于ε_κ和H_k中的每一个特征点，都从s_k-1找到其对应的直线或者平面。

将特征点与周围点云图进行配准，将所有点云集合[S1,S2,…,Sn]转换到起始的激光坐标系下，假设起始时刻的激光坐标系与世界坐标系重合,每个坐标系之间的转换结果是已知的激光运动估计，同时每个坐标系下的点云集合也已经得到，只需要将所有的运动估计转换到初始时刻的激光坐标系下，同时将对应的点云集合进行坐标转换，便可以得到初始坐标系下场景三维重建的结果。

Claims (4)

1.一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪，其特征是：包括单线激光雷达(1)、惯性测量单元IMU(2)、雷达固定板(3)、旋转机构和上位机；

所述旋转机构包括机械外壳(6)、单片机、减速电机(7)、滑环固定杆(9)和滑环(10)；所述机械外壳(6)的内部安装有单片机、减速电机(7)和滑环(10)，机械外壳(6)还包括手柄(8)；所述减速电机(7)的输出轴(5)伸出至机械外壳(6)的外部并通过螺母(4)与雷达固定板(3)固定连接；所述雷达固定板(3)与单线激光雷达(1)固定连接；所述惯性测量单元IMU(2)固定安装在雷达固定板(3)的一侧，惯性测量单元IMU(2)与上位机信号传输连接；所述单片机分别与上位机以及减速电机(7)电性连接；所述单线激光雷达(1)通过滑环固定杆(9)以及滑环(10)与减速电机(7)电性连接，单线激光雷达(1)与上位机信号传输连接；所述上位机设置有三维重建模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪，其特征是：所述单片机为STM32单片机。

3.根据权利要求1所述的一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪，其特征是：所述滑环(10)与减速电机(7)同轴安装，滑环(10)与滑环固定杆(9)固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于可旋转单线激光雷达的三维激光扫描仪，其特征是：所述三维重建模块接收单线激光雷达(1)在各位姿下的空间三维测量数据和惯性测量单元IMU(2)发送的单线激光雷达(1)的实时位姿数据信息，并根据点云拼接算法对接收到的信息进行重建，实现对空间三维形貌的还原。

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