基于二维激光传感器的三维图像获取系统

基于二维激光传感器的三维图像获取系统

作者：何旭冯肖维何敏

来源：《电子技术与软件工程》2017年第18期

摘要

本文基于二维激光传感器设计出一整套实现三维旋转扫描距离图像采集系统。利用二维激光传感器在云台上旋转扫描以达到扫描整个空间的效果，然后利用计算机技术对采集到的点云数据进行拼接以重建三维环境图像，针对噪点采用加权滤波从而抑制噪点。

【关键词】激光传感器数据拼接点云滤波

1引言

三维激光扫描技术是现今科学研究的热门之一，在众多领域有着积极的应用。然而现有的三维激光传感器的价格十分昂贵，所以在减少成本的条件下较高质量的获取环境点云数据具有现实意义。本文提出采用价格便宜的二维激光传感器通过旋转以达到三维的效果。

2系统的设计与实现

2.1数据采集系统

本系统由STM32开发板、奥松机器人RB-150MG舵机、日本HOKUY公司的激光扫描测距仪URG-10LX和云台构成。

URG-10LX传感器，测量范围为0.06m至10m，测量精度为±40mm，扫描角度范围为270°，角度精度为0.25°，—次扫描有1080个测量值。

舵机为标准180度旋转舵机，PWM控制信号周期为20ms，当脉宽为1.5ms时舵机在中立点，即0度位置，范围180度。

上位机通过TCP/IP协议发送指令给ARM开发板，产生pwm波实现舵机旋转180°，并且在每0.9°里有足够的延时时间配合激光传感器扫描一次，舵机负载俯仰扫描270°的二维激光传感器，传感器每次扫描一个截面，旋转采集整个环境的距离数据发送给上位机。

2.2上位机部分

这部分主要编写界面程序实现指令的发送、接收和数据的拼接、滤波、显示等处理。2.2.1坐标转换

通过本系统得到空间中一个截面270°范围内均匀分布的1080个点的距离（每个数据点的角度间隔为0.25°）和下位机驱动的舵机旋转的角度O.9°（—共扫描200次）。假设某点是第i 帧扫描数据的第a个点，则舵机相对于起点位置的角度β=0.9i，激光点的俯仰角a=0.25a-45。得到的三维坐标就是：

3畸变处理

3.1估计模型的构建

将数据采集系统放在实验室（长方体形状）进行数据采集，可以发现原始数据有明显的畸变现象。采集的激光点云数据在小范畴内满足一个预估模型，这样可以通过己知的点云数据利用预估模型得到点的预估值。

通过坐标转换后得到的是一个离散数据集合{（d，α，β）1|l=1，…，N}；而对于系统采集一帧数据，没有了旋转的角度信息即β即{（d，α）1|l=1，…，N}在二维极坐标下进行直线拟合。己知距离图像上任意一点Pn（dn，αn），其前面有两点Pn-1（dn-1，αn-1），和Pn-2（dn-2，αn-2），可以确定一条直线，极点到直线的垂直距离P以及垂线和极轴的夹角θ，且0≥θ≥π，可得等式：

可解得直线方程：

ρ=dcos（α-θ）（3）

把待滤波点的角度θ代入方程（3）中即可得到对应于角度θ的预测值。在点的另

一个领域采用相同的方法即可获得第二个u预测点。对三个预测点进行加权平均。设点到极点的距离。则有滤波后的点到极点的距离为：

3.3实验结果

本文的数据处理部分实在core-i72.70GHZ下用C++编写。显示点云滤波后数据如图，采集的图像符合原有的环境，特征明显。

4结束语

本文在三维传感器价格昂贵的限制条件下，通过一些简单的硬件使二维激光传感器旋转并在软件层面对数据拼接、加权滤波。较为出色的以低成本的二维传感器完成对周围环境的三维数据高质量的采集，为点云后续处理提供了高质量的数据来源。

参考文献

[1]习晓环，骆社周，王方建，王成.地面三维激光扫描系统现状及发展评述[J].地理空间信息，2012，10（06）：13-15.

[2]张晓东，罗火灵，VTK图像图像开发进阶[M].北京：机械工业出版社，2015.