專利名稱：：月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
：本實用新型涉及一套高速的三維激光成像雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為月球車樣機系統(tǒng)重要的視覺傳感器，通過對月球車前方工作環(huán)境進行探測，利用獲取的位置信息建立三維點云模型，為月球車路徑規(guī)劃、自主導航等提供重要的視覺基礎。
背景技術(shù)：
：激光雷達主要有二維和三維兩種，二維激光雷達僅在固定平面上掃描獲取距離信息，即單線掃描；三維激光雷達則可認為是在轉(zhuǎn)動的平面上完成的多線掃描。三維激光雷達在復雜地形機器人定位、繪制環(huán)境地圖以及工程測量等領域具有更大的應用價值。90年代中期我國的陸祖康等人曾以相位法測距原理自主研制三維激光雷達，并在第一代自主機器人應用中獲得了良好的效果[項志宇，"快速三維掃描激光雷達的設計及其系統(tǒng)標定"，浙江大學學報(工學版)，2006，40(12)，2130-2133。]。近年來，國外一些大學采取改裝組合二維激光雷達以獲得三維掃描功能的方法，如德國自主智能系統(tǒng)石開究所的Surmann等[SurmannH，LingemannK，NuchterA,etc."A3Dlaserrangefinderforautonomousmobilerobots"，Proceedingson32ndInternationalSymposiumonRobotics.Seoul,Korea:IFR，2001:153—158.]采用了將二維激光雷達增加一維掃描裝置的方法實現(xiàn)三維測量；日本東京大學的Zhao等[ZhaoH，ShibasakiR."ReconstructiontexturedCADmodelofurbanenvironmentusingvehicle-bornelaserrangescanners肌dlinecameras",ProceedingsofInternationalWorkshoponComputerVisionSystems.Vancouver,Canada:IEEE，2001:453—458.]運用安裝在機器人上的兩個二維激光雷達分別獲得掃描位置和掃描信息，然后加以融合的方法獲得環(huán)境的三維信息。目前，三維激光雷達仍存在一些不足與限制，例如裝置結(jié)構(gòu)復雜、體積大、掃描速度慢、激光采樣速度慢、工作環(huán)境有限等，另外，高昂的價格也限制三維激光雷達的進一步應用。本
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于，通過提供一種月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，以改變現(xiàn)有三維激光雷達體積大、掃描速度慢、工作環(huán)境有限等不足，使得該實用新型可以在強光環(huán)境下正常工作，測量精度在較惡劣環(huán)境下得到保證。在保證測量數(shù)據(jù)精度的同時，采用激光測距儀的高速采集接口和光電編碼器的輸出信號兩種途徑解決采樣數(shù)據(jù)的同步問題，使測量數(shù)據(jù)的同步性得到充分的保證。本實用新型是采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)的本實用新型整個高速三維激光成像雷達系統(tǒng)由"一維"激光測距儀與"二維"掃描伺服機電系統(tǒng)組成。選擇高性能的點結(jié)構(gòu)光激光測距儀，使得該實用新型可以在室外強光環(huán)境下正常工作，測量精度在較惡劣環(huán)境下得到保證?？紤]到月球表面沒有大氣，故在設計掃描伺服機電系統(tǒng)時選擇了沒有電刷的直流伺服電機。掃描機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獨特，采取雙電機控制單棱鏡的方式反射激光射線并控制掃描方向，垂直電機無減速箱，高轉(zhuǎn)速利于棱鏡防塵，進一步保障測量精度；水平電機設有減速箱，增加輸出力矩。在保證測量數(shù)據(jù)精度的同時，采用激光測距儀的高速采集接口和光電編碼器的輸出信號兩種途徑解決了采樣數(shù)據(jù)的同步問題，測量數(shù)據(jù)的同步性得到了充分的保證。一種月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括點結(jié)構(gòu)光激光測距儀，以及掃描雙驅(qū)動無刷伺服電機系統(tǒng)以及一個激光反射棱鏡；所述的雙驅(qū)動無刷伺服電機，為安裝位置呈90度的垂直電機和水平電機，電機輸出軸所在軸線與激光射線相交于棱鏡反射斜面中心；其中，一個垂直電機控制單棱鏡在與電機輸出軸垂直的平面上繞軸線方向連續(xù)自旋，另一個水平電機則采用步進的方式控制該掃描平面在垂直方向上一定范圍內(nèi)俯仰轉(zhuǎn)動；所述垂直電機和水平電機的前端，分別設有與其同軸安裝的光電碼盤和編碼器；與激光測距儀配套的高速采集接口，獲得的距離與棱鏡滾動和俯仰角度的采樣數(shù)據(jù)為同步數(shù)據(jù)；所述的釆樣數(shù)據(jù)，對其進行野值剔除、空間極坐標系到笛卡爾坐標系的坐標變換，最后建立掃描場景的三維點云模型；所述的坐標變換公式為4其中，d為激光測距儀距離讀數(shù)，^為激光發(fā)射處到棱鏡反射斜面中心的距離，I為3*3單位陣，n為棱鏡反射面的單位法向量，p為入射光線的單位向量，h為棱鏡反射斜面中心到參考平面的距離。前述的電機選用直流無刷伺服電機，其中水平電機設有減速箱。前述的水平電機通過聯(lián)軸器帶動垂直電機、光電碼盤和編碼器、激光反射棱鏡及相關連接機械部件，繞減速箱前端輸出軸在垂直方向上步進運動以改變掃描平面，控制激光測距儀的射線進行多線掃描。前述的光學碼盤開有數(shù)個用以讀取角度信息的孔，這些孔一方面用以讀取角度，另一方面提供掃描角度范圍、兩電機間協(xié)調(diào)工作的控制信號，與激光測距儀高速采集接口配合，保證距離和角度的同步。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果本實用新型涉及一種月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小、功耗低，掃描速度快，光學棱鏡高速旋轉(zhuǎn)有利于防塵，三維數(shù)據(jù)精度高，同步效果好，該特點是進行環(huán)境表面模型三維重構(gòu)的重要保證。另外，適合強光環(huán)境下工作也是本實用新型的顯著優(yōu)勢。目前利用該套激光成像雷達系統(tǒng)，通過對月球車前方環(huán)境的掃描測試，成功建立了前方工作環(huán)境的三維點云模型，圖像真實清晰。圖1是本實用新型的機械結(jié)構(gòu)示意圖(前視圖)；圖2是機械結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視圖)；圖3是光電編碼器與碼盤組合示意圖；圖4是本實用新型的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5是坐標變換示意圖；圖6是棱鏡俯仰示意圖(一)圖7是棱鏡俯仰示意圖(二)圖8是棱鏡滾動示意圖(一)圖9是棱鏡滾動示意圖(二)圖IO是月球車三維激光雷達成像系統(tǒng)的工作流程圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施例加以說明首先，選擇一款點結(jié)構(gòu)光激光測距儀作為核心傳感器，該激光測距儀具有測量精度高、采樣速度快、使用方便、適用于室外強光環(huán)境等優(yōu)點。其次，采取雙電機驅(qū)動單棱鏡的設計思路，實現(xiàn)對激光射線方向的控制完成掃描。具體而言，該實用新型選用兩個性能優(yōu)越的無刷直流伺服電機，和一個用來反射激光射線的斜面棱鏡，兩個電機的安裝位置呈90度，且電機輸出軸所在軸線與激光射線相交于棱鏡反射斜面中心，這樣，一個電機控制棱鏡在平面上繞輸出軸線方向連續(xù)自旋，另一個電機則采用步進的方式控制該掃描平面在垂直方向上俯仰轉(zhuǎn)動，從而控制激光射線進行多線掃描。除此以外，該實用新型利用光電編碼器產(chǎn)生的TTL電平信號，控制掃描范圍、提供歩進控制信號并讀取棱鏡滾動和俯仰的角度信息。光電編碼器和碼盤組合與無刷電機(或減速箱)的前端輸出軸共軸安裝。利用激光測距儀配套的高速采集接口，獲得距離與棱鏡滾動和俯仰角度的采樣數(shù)據(jù)，同時解決了距離讀數(shù)與兩個角度讀數(shù)的同步問題。對采樣數(shù)據(jù)進行相關處理，包括野值剔除、空間極坐標系到笛卡爾坐標系的坐標變換，最后建立掃描場景的三維點云模型。如圖1所示，其中，l和2均為直流無刷伺服電機，l為前述垂直電機，2為前述水平電機，3是2的減速箱，4和5為光電編碼器和碼盤組合；6為聯(lián)軸器，7為激光反射棱鏡，8為激光測距儀，21和24分別表示激光測距儀發(fā)出的射線和經(jīng)棱鏡反射后的激光射線，從7反射斜面中心到激光測距儀8發(fā)出光線表面的垂直距離為4(可測，具體參照圖5所示)；垂直直流無刷伺服電機1和水平直流無刷伺服電機2呈90度安裝，且需嚴格保證1和3的前端輸出軸所在軸線相交于斜面光學棱鏡7的反射斜面中心。垂直電機1控制棱鏡在與其輸出軸垂直的平面上連續(xù)自旋，反射激光射線，實現(xiàn)在固定平面上的單線掃描。水平電機2采用步進方式控制該掃描平面在垂直方向上俯仰轉(zhuǎn)動，具體而言，借助聯(lián)軸器6帶動1、4、7及相關連接機械部件，繞水平電機2的輸出軸(3的輸出軸)在垂直方向上步進運動以改變掃描平面，控制激光測距儀8的射線進行多線掃描。4和5的結(jié)構(gòu)如圖3所示。4的光學碼盤與垂直電機1前端輸出軸共軸安裝，5的光學碼盤與3的前端輸出軸和6共軸安裝。圖2是機械結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視圖)，其中9為1的CAN控制器，10為2的CAN控制器；圖3中，ll為光電編碼器，12和13為光學碼盤。其中，12的周圍開512個孔用以讀取角度信息，即當其在11中轉(zhuǎn)過一個孔的角度時，11隨即產(chǎn)生一個矩形脈沖信號送入激光測距儀8的高速采集接口卡(如圖4所示)，采集接口對于一個完整的脈沖按照4次計數(shù)，這樣，當12旋轉(zhuǎn)一周時采集卡計數(shù)為2048次，則1和3前端輸出軸轉(zhuǎn)過角度的測量分辨率為0.176度；另外，13為根據(jù)需要自行設計的光學碼盤，用以控制角度范圍和提供步進控制信號。請參閱圖4所示，為本實用新型的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，進一步介紹光電編碼器與碼盤的作用。14為120歐電阻，15和16分別為CANH和CANL信號線，17為PCI總線；圖4中，與水平電機1和3共軸安裝的兩個光學碼盤12用來測量計算電機輸出軸的轉(zhuǎn)動角度，將脈沖計數(shù)信息返回激光測距儀8的高速采集接口，該接口的每個采樣值包含8返回的距離信息與兩個電機轉(zhuǎn)動的相對角度信息，這樣，距離與兩個角度達到了時刻上的嚴格同步。對于垂直電機l而言，13周圍開120度凹槽，當在ll中旋轉(zhuǎn)至該凹槽位置時，11會產(chǎn)生一個脈沖上升沿，將該信號送入10用作電機2的步進控制信號，平面方向每連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周，水平電機的減速箱3的前端輸出軸轉(zhuǎn)動"一步"，實現(xiàn)了兩個電機間協(xié)調(diào)控制。該信號同時送入高速接口的采樣啟停控制端，此時，在120度范圍內(nèi)TTL高電平信號控制下高速接口采集數(shù)據(jù)，在該范圍外則停止數(shù)據(jù)采集，嚴格保證了在平面上的掃描范圍為120度。對于水平電機2而言，13周圍開約70度凹槽，與之配合的11產(chǎn)生信號送入10作為俯仰掃描的換向控制信號，這樣可以實現(xiàn)7在俯仰方向70度范圍內(nèi)往復擺動。另外，在通過高速采集接口獲得距離與角度采樣的同時，讀取該信號高低電平變化，可用來對采樣數(shù)據(jù)按俯仰的步進方向依次進行"分組"，即分為向上運動獲得的采樣數(shù)據(jù)組和向下數(shù)據(jù)組，這樣做的好處是可以進一歩保證數(shù)據(jù)的同歩性。圖5是坐標變換示意圖，其中，18為目標被測物，0(;-X"Y"Z<;為全局直角坐標系；(T-X'TZ'"為以棱鏡反射斜面中心為原點的直角坐標系，滿足右手法則；0"-XTZP為繞OT軸轉(zhuǎn)動的直角坐標系，P為滾動角；(T-XYZt為繞(fr軸轉(zhuǎn)動的直角坐標系，4>為俯仰角；n為單位法向量，p為^^的單位向量，與入射光線同方向，p'為5^的單位向量，與反射光線同方向；^為激光發(fā)射處到棱鏡反射斜面中心的距離，h為棱鏡反射斜面中心到參考平面(例如地面)X"0'T的距離，均可直接測量得到。圖6、圖7是棱鏡俯仰示意圖，棱鏡從位置a順時針沿俯仰方向運動至位置b,4>為俯仰角；其中，19和20分別為位置a和位置b時的棱鏡反射斜面法線，21為激光測距儀8發(fā)出的入射光線，22和23分別為位置a和位置b的反射光線；圖8、圖9是棱鏡滾動示意圖，棱鏡從位置a順時針滾動至位置b，法線夾角為,，其在x'"crr平面上的投影即為滾動角e;利用該實用新型進行測試，整個激光雷達成像系統(tǒng)的工作流程如圖12所示。從該流程圖中不難發(fā)現(xiàn)，在生成三維點云模型之前，需對本次掃描獲得的采樣數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理，首先剔除野值，可通過激光測距儀8的高速采集接口讀取激光返回信號強度信息并將其作為剔除野值的依據(jù)，或者自行設定有效的測量距離范圍以去掉范圍以外的數(shù)據(jù)點。接下來，由于獲得的數(shù)據(jù)為8測得的距離與棱鏡繞兩個自由度方向轉(zhuǎn)過角度的變化量，需要進行空間極坐標系到笛卡爾坐標系的變換，將數(shù)據(jù)點(d,e,do轉(zhuǎn)變?yōu)?x，y，z)，其中，d為8測量得到的距離值，實際包含兩段距離，即d-d。+l^l，如圖5所示。坐標變換的原理如圖5、圖6、圖7、圖8和圖9所示。這里，Om-XpYpZp為繞crr軸轉(zhuǎn)動的直角坐標系，e為滾動角，其相對于鏡面坐標系om-x"rr的坐標變換矩陣為2廣cos/0sin"、010-sin"0cos"(1)cr-xTzt為繞(rr軸轉(zhuǎn)動的直角坐標系，*為俯仰角，其相對于鏡面坐標系cr-rrzm的坐標變換矩陣為'cos-—sin^0、g(m=s一cos^0001(2)"0:假設棱鏡在起初未開始運動時，其反射面相對于鏡面坐標系om-rrr的單位法向COS(7T/4)'現(xiàn)考慮棱鏡的滾動與俯仰運動，則棱鏡反射斜面單位法向量n可—sin(;r/4)0按下式計算"0再考慮反射光線與入射光線的鏡面映像，變換矩陣為i=/-2u/(4)其中，I為3X3單位陣。這樣即可得到反射光線的單位向量(5)現(xiàn)在反射光線的方向已知，"已知，^和h可直接測量，就可獲得18上的激光點相對于全局坐標系0''^^的三維坐標(x,y,z)，艮P:"、、o乂(6)利用上述方法對所有激光雷達采樣數(shù)據(jù)進行坐標變換得到其三維坐標并顯示。請參閱圖12所示，是月球車三維激光雷達成像系統(tǒng)的工作流程圖；啟動IOO，初始化CAN接口板及激光測距儀高速采集接口110;水平電機運動至初始掃描位置后停止工作，并將其工作模式設置為步進模式120;啟動垂直電機，此時水平電機在編碼器輸出信號控制下按步進模式工作130;激光測距儀采集接口在編碼器輸出信號控制下開始采集數(shù)據(jù)，存入計算機內(nèi)存140;校準距離采樣數(shù)據(jù)150;判斷采樣點個數(shù)是否達到設置量？160;如是，垂直電機停止工作，水平電機隨即停止步進，兩電機復位170;如否，回到采集數(shù)據(jù)步驟140;生成采樣數(shù)據(jù)文件180;剔除野值并進行坐標變換190;生成三維點云模型200。利用該實用新型進行測試，具有掃描速度快，，同步效果好等特點。目前利用該套激光成像雷達系統(tǒng)，通過對月球車前方環(huán)境的掃描測試，成功建立了前方工作環(huán)境的三維點云模型，圖像真實清晰。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發(fā)明已進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換；而一切不脫離發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。權(quán)利要求1、一種月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括點結(jié)構(gòu)光激光測距儀，掃描雙驅(qū)動無刷伺服電機系統(tǒng)及一個激光反射棱鏡；其特征在于所述的雙驅(qū)動無刷伺服電機，為安裝位置呈90度的垂直電機和水平電機，電機輸出軸所在軸線與激光射線相交于棱鏡反射斜面中心；其中，一個垂直電機控制棱鏡在與其輸出軸垂直的平面上繞軸線方向連續(xù)自旋，另一個水平電機則采用步進的方式控制該平面在垂直方向上的一定范圍內(nèi)俯仰轉(zhuǎn)動；所述垂直電機和水平電機的前端，分別設有與其同軸安裝的光電碼盤和編碼器；與激光測距儀配套的高速采集接口，獲得的距離與棱鏡滾動和俯仰角度的采樣數(shù)據(jù)為同步數(shù)據(jù)；所述的采樣數(shù)據(jù)，對其進行野值剔除、空間極坐標系到笛卡爾坐標系的坐標變換，最后建立掃描場景的三維點云模型；所述的坐標變換公式為<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mi>x</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>y</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>z</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mi>d</mi><mo>-</mo><msub><mi>d</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mrow><mo>(</mo><mi>I</mi><mo>-</mo><mn>2</mn><mo>·</mo><mi>n</mi><mo>·</mo><msup><mi>n</mi><mi>T</mi></msup><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>p</mi><mo>+</mo><mfencedopen='('close=')'><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>h</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>]]></math></maths>其中，d為激光測距儀距離讀數(shù)，d0為激光發(fā)射處到棱鏡反射斜面中心的距離，I為3×3單位陣，n為棱鏡反射面的單位法向量，p為入射光線的單位向量，h為棱鏡反射斜面中心到參考平面的距離。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，其特征在于所述的電機選用直流無刷電機，其中水平電機設有減速箱。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，其特征在于所述的水平電機通過聯(lián)軸器帶動垂直電機、光電碼盤和編碼器、激光反射棱鏡及相關連接機械部件，在垂直方向上步進運動以改變掃描平面，控制激光測距儀的射線進行多線掃描。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，其特征在于所述的光學碼盤開有數(shù)個孔，這些孔一方面用以讀取角度，另一方面提供掃描角度范圍、兩電機間協(xié)調(diào)工作的控制信號，與激光測距儀高速采集接口配合，保證距離和角度的同止少。專利摘要本實用新型一種月球車高速三維激光成像雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括點結(jié)構(gòu)光激光測距儀，掃描雙驅(qū)動無刷伺服電機系統(tǒng)以及一個激光反射棱鏡；采用安裝位置呈90度的垂直電機和水平電機，兩電機輸出軸所在軸線與激光射線相交于棱鏡反射斜面中心；垂直電機控制棱鏡在與其輸出軸垂直的平面上繞軸線方向連續(xù)自旋，另一個水平電機則采用步進的方式控制該平面在垂直方向上一定范圍內(nèi)俯仰轉(zhuǎn)動；還設有光電碼盤和編碼裝置；與激光測距儀配套的高速采集接口，獲得的距離與棱鏡滾動和俯仰角度的采樣數(shù)據(jù)為同步數(shù)據(jù)；結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小、功耗低，掃描速度快，激光反射棱鏡高速旋轉(zhuǎn)有利于防塵，三維數(shù)據(jù)精度高，同步效果好。文檔編號G01S17/00GK201293837SQ20082012420公開日2009年8月19日申請日期2008年11月28日優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日發(fā)明者居鶴華,亮王,巖馬申請人:北京工業(yè)大學