1、 基于二維激光傳感器的三維圖像獲取系統(tǒng) 何旭+馮肖維+何敏Summary本文基于二維激光傳感器設(shè)計(jì)出一整套實(shí)現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)掃描距離圖像采集系統(tǒng)。利用二維激光傳感器在云臺(tái)上旋轉(zhuǎn)掃描以達(dá)到掃描整個(gè)空間的效果，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接以重建三維環(huán)境圖像，針對(duì)噪點(diǎn)采用加權(quán)濾波從而抑制噪點(diǎn)。【Key】激光傳感器 數(shù)據(jù)拼接 點(diǎn)云濾波1引言三維激光掃描技術(shù)是現(xiàn)今科學(xué)研究的熱門之一，在眾多領(lǐng)域有著積極的應(yīng)用。然而現(xiàn)有的三維激光傳感器的價(jià)格十分昂貴，所以在減少成本的條件下較高質(zhì)量的獲取環(huán)境點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有現(xiàn)實(shí)意義。本文提出采用價(jià)格便宜的二維激光傳感器通過旋轉(zhuǎn)以達(dá)到三維的效果。2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1

2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本系統(tǒng)由STM32開發(fā)板、奧松機(jī)器人RB-150MG舵機(jī)、日本HOKUY公司的激光掃描測(cè)距儀URG-10LX和云臺(tái)構(gòu)成。URG-10LX傳感器，測(cè)量范圍為0.06m至10m，測(cè)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(gè)測(cè)量值。舵機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)180度旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，PWM控制信號(hào)周期為20ms，當(dāng)脈寬為1.5ms時(shí)舵機(jī)在中立點(diǎn)，即0度位置，范圍180度。上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送指令給ARM開發(fā)板，產(chǎn)生pwm波實(shí)現(xiàn)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)180，并且在每0.9里有足夠的延時(shí)時(shí)間配合激光傳感器掃描一次，舵機(jī)負(fù)載俯仰掃描270的二維激光傳感器，傳感器每次掃描一個(gè)截面，旋轉(zhuǎn)采

3、集整個(gè)環(huán)境的距離數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。2.2上位機(jī)部分這部分主要編寫界面程序?qū)崿F(xiàn)指令的發(fā)送、接收和數(shù)據(jù)的拼接、濾波、顯示等處理。2.2.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過本系統(tǒng)得到空間中一個(gè)截面270范圍內(nèi)均勻分布的1080個(gè)點(diǎn)的距離（每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的角度間隔為0.25）和下位機(jī)驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度O.9（共掃描200次）。假設(shè)某點(diǎn)是第i幀掃描數(shù)據(jù)的第a個(gè)點(diǎn)，則舵機(jī)相對(duì)于起點(diǎn)位置的角度=0.9i，激光點(diǎn)的俯仰角a=0.25a-45。得到的三維坐標(biāo)就是：3畸變處理3.1估計(jì)模型的構(gòu)建將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放在實(shí)驗(yàn)室（長(zhǎng)方體形狀）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)有明顯的畸變現(xiàn)象。采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在小范疇內(nèi)滿足一個(gè)預(yù)估模型，這樣可以通

4、過己知的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用預(yù)估模型得到點(diǎn)的預(yù)估值。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到的是一個(gè)離散數(shù)據(jù)集合（d，）1|l=1，N；而對(duì)于系統(tǒng)采集一幀數(shù)據(jù)，沒有了旋轉(zhuǎn)的角度信息即即（d，）1|l=1，N在二維極坐標(biāo)下進(jìn)行直線擬合。己知距離圖像上任意一點(diǎn)Pn（dn，n），其前面有兩點(diǎn)Pn-1（dn-1，n-1），和Pn-2（dn-2，n-2），可以確定一條直線，極點(diǎn)到直線的垂直距離P以及垂線和極軸的夾角，且0，可得等式：可解得直線方程：=dcos（-） （3）把待濾波點(diǎn)的角度代入方程（3）中即可得到對(duì)應(yīng)于角度的預(yù)測(cè)值 。在點(diǎn)的另一個(gè)領(lǐng)域采用相同的方法即可獲得第二個(gè)u預(yù)測(cè)點(diǎn) 。對(duì)三個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)平均。設(shè) 點(diǎn)到極點(diǎn)的距離。

5、則有濾波后的點(diǎn)到極點(diǎn)的距離為：3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文的數(shù)據(jù)處理部分實(shí)在core-i72.70GHZ下用C+編寫。顯示點(diǎn)云濾波后數(shù)據(jù)如圖，采集的圖像符合原有的環(huán)境，特征明顯。4結(jié)束語本文在三維傳感器價(jià)格昂貴的限制條件下，通過一些簡(jiǎn)單的硬件使二維激光傳感器旋轉(zhuǎn)并在軟件層面對(duì)數(shù)據(jù)拼接、加權(quán)濾波。較為出色的以低成本的二維傳感器完成對(duì)周圍環(huán)境的三維數(shù)據(jù)高質(zhì)量的采集，為點(diǎn)云后續(xù)處理提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來源。Reference1習(xí)曉環(huán)，駱社周，王方建，王成.地面三維激光掃描系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展評(píng)述J.地理空間信息，2012，10（06）：13-15.2張曉東，羅火靈，VTK圖像圖像開發(fā)進(jìn)階M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.endprint電子技術(shù)與軟件工程2017年18期電子技術(shù)與軟件工程的其它文章ORACLE數(shù)據(jù)庫的使用技巧及維護(hù)要點(diǎn)船舶及海洋結(jié)構(gòu)物聲振激勵(lì)源