基于二維激光傳感器的三維圖像獲取系統

何旭+馮肖維+何敏

摘要

本文基于二維激光傳感器設計出一整套實現三維旋轉掃描距離圖像采集系統。利用二維激光傳感器在云臺上旋轉掃描以達到掃描整個空間的效果，然后利用計算機技術對采集到的點云數據進行拼接以重建三維環境圖像，針對噪點采用加權濾波從而抑制噪點。

【關鍵詞】激光傳感器 數據拼接 點云濾波

1引言

三維激光掃描技術是現今科學研究的熱門之一，在眾多領域有著積極的應用。然而現有的三維激光傳感器的價格十分昂貴，所以在減少成本的條件下較高質量的獲取環境點云數據具有現實意義。本文提出采用價格便宜的二維激光傳感器通過旋轉以達到三維的效果。

2系統的設計與實現

2.1數據采集系統

本系統由STM32開發板、奧松機器人RB-150MG舵機、日本HOKUY公司的激光掃描測距儀URG-10LX和云臺構成。

URG-10LX傳感器，測量范圍為0.06m至10m，測量精度為±40mm，掃描角度范圍為270°，角度精度為0.25°，—次掃描有1080個測量值。

舵機為標準180度旋轉舵機，PWM控制信號周期為20ms，當脈寬為1.5ms時舵機在中立點，即0度位置，范圍180度。

上位機通過TCP/IP協議發送指令給ARM開發板，產生pwm波實現舵機旋轉180°，并且在每0.9°里有足夠的延時時間配合激光傳感器掃描一次，舵機負載俯仰掃描270°的二維激光傳感器，傳感器每次掃描一個截面，旋轉采集整個環境的距離數據發送給上位機。

2.2上位機部分

這部分主要編寫界面程序實現指令的發送、接收和數據的拼接、濾波、顯示等處理。2.2.1坐標轉換

通過本系統得到空間中一個截面270°范圍內均勻分布的1080個點的距離（每個數據點的角度間隔為0.25°）和下位機驅動的舵機旋轉的角度O.9°（—共掃描200次）。假設某點是第i幀掃描數據的第a個點，則舵機相對于起點位置的角度β=0.9i，激光點的俯仰角a=0.25a-45。得到的三維坐標就是：

3畸變處理

3.1估計模型的構建

將數據采集系統放在實驗室（長方體形狀）進行數據采集，可以發現原始數據有明顯的畸變現象。采集的激光點云數據在小范疇內滿足一個預估模型，這樣可以通過己知的點云數據利用預估模型得到點的預估值。

通過坐標轉換后得到的是一個離散數據集合{（d，α，β）1|l=1，…，N}；而對于系統采集一幀數據，沒有了旋轉的角度信息即β即{（d，α）1|l=1，…，N}在二維極坐標下進行直線擬合。己知距離圖像上任意一點Pn（dn，αn），其前面有兩點Pn-1（dn-1，αn-1），和Pn-2（dn-2，αn-2），可以確定一條直線，極點到直線的垂直距離P以及垂線和極軸的夾角θ，且0≥θ≥π，可得等式：

可解得直線方程：

ρ=dcos（α-θ） （3）

把待濾波點的角度θ代入方程（3）中即可得到對應于角度θ的預測值 。在點的另

一個領域采用相同的方法即可獲得第二個u預測點 。對三個預測點進行加權平均。設 點到極點的距離。則有濾波后的點到極點的距離為：

3.3實驗結果

本文的數據處理部分實在core-i72.70GHZ下用C++編寫。顯示點云濾波后數據如圖，采集的圖像符合原有的環境，特征明顯。

4結束語

本文在三維傳感器價格昂貴的限制條件下，通過一些簡單的硬件使二維激光傳感器旋轉并在軟件層面對數據拼接、加權濾波。較為出色的以低成本的二維傳感器完成對周圍環境的三維數據高質量的采集，為點云后續處理提供了高質量的數據來源。

參考文獻

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