基于激光雷达的三维车载扫描仪系统研究

潘明夷　才家华　龙星宇

摘 要：该文针对树木靶标外形轮廓等的外形探测问题，介绍一种可移动式的三维激光扫描系统。将激光雷达搭载可移动的车载平台，通过激光雷达扫描获取距离数据和车载扫描平台的位移数据完成空间三维信息的采集。借助串口通信将数据发送至上位机，经Visual studio 2008设计编写的数据处理软件，最终在上位机可实现实时描绘平台激光雷达所在剖面的空间轮廓。采集获取的三维点云数据可为物体的三维建模提供技术支持。

关键词：激光雷达 靶标探测 三维数据 轮廓扫描

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0017-05

Abstract： A moving 3D laser scanning system is introduced in this paper， aiming at the contour detection of the contour shape of the tree target. The laser radar is equipped with a movable vehicle platform， and the spatial 3D information is collected by the distance data obtained from the laser radar scanning and the displacement data of the vehicle scanning platform. The data is sent to the host computer by serial communication， and the data processing software is designed and written by Visual Studio 2008. Finally， the spatial profile of the laser radar profile in the upper computer is realized. The 3D cloud data acquired can provide technical support for 3D modeling of objects.

Key Words： LADAR； Target detection； Three-dimensional data； Profile scanning

自20世纪以来，激光扫描技术愈加受到重视。随着硬件技术的不断发展和点云处理技术的不断进步，激光扫描在越来越多的领域得到了应用。在林业资源勘查领域，往往采用人工测量方法测量树木胸径的信息，测量材积时更是需要将整棵树伐倒，造成了诸多的不便。

由于上述问题的存在，三维激光扫描技术在林业方面有了越来越多的应用，北京林业大学在2004年组织实验，首次将三维激光扫描系统引入森林资源调查，对单株样木的测量因子进行了三维激光扫描检测方法和传统的中央断面区分求积法实测材积，发现精度满足森林资源调查的精度要求[1]。刘伟乐等人利用三维激光扫描仪对样地的楊树进行扫描，利用得到的点云数据提出一种自动、高效提取单木胸径的算法[2]。韦雪花等人针对树冠形状不规则，树冠体积难以测量和计算的问题，提出一种基于三维激光扫描点云的树冠体积计算方法——体元模拟法[3]。王佳等人利用三维激光扫描仪获取单株树木的点云数据，通过点云数据的处理提取测树因子，经实验结果发现此方法与传统方法相比更符合树木实际情况[4]。

以上所提出的利用三维激光扫描仪测取树木数据的方法，均采用地面三维激光扫描仪，此类激光扫描仪造价高、体积大、携带不便；同时需要在多点多站采集数据，单木的数据采集工作量就已十分庞大。虽减少了对树木的损伤，但仍十分不便。吴宾等人利用车载激光扫描仪，获取多株行道树的点云数据，提出一种基于分层网格点密度的单株树信息提取方法[5]。上述研究将地面三维激光扫描仪与汽车相结合，提高了采集效率，但也增加了设备成本，难以普及，在某些领域仍使用不便。

该文采用普通二维激光扫描仪配合自行设计的车载平台方案，体积小巧，操控简便，可以进入林木覆盖较为密集的树林内部进行单木的轮廓扫描作业，解决了室内环境、树木轮廓等点云数据的获取与处理的问题，以较低的成本实现了较高精度的三维激光扫描。

1 车载激光雷达扫描仪的系统设计与分析

1.1 车载激光雷达扫描系统的测量原理

激光雷达发射的激光束对Y-Z平面进行点扫描，获取的剖面数据作为Y轴和Z轴数据，车载平台上的姿态传感器和车速计算后得到的距离数据作为X轴数据，相结合组成整套系统的三维数据部分。通过运动控制和激光雷达的扫描，可得到物体的三维坐标数据。

1.2 车载激光雷达扫描系统硬件设计

车载激光雷达扫描系统是将低成本二维激光扫描仪与可移动的车载平台相结合，实现空间三维信息的采集，其主要是由激光雷达、车载控制板、无线通信模块、姿态传感器、电源与总线接口模块、四轴驱动器、伺服电机、底盘支架等组成，系统框图如图1所示。

（1）数据采集模块。

该系统使用的扫描仪可在6 m范围内完成360°扫描。使用的STM32F407VET6高性能32位处理器的车载控制板，可以读取姿态传感器MPU6050的测量数据，实时获取车载平台行进过程中的姿态角。激光雷达扫描获取的剖面数据以及姿态传感器和车速计算后得到的距离数据相结合，组成整套系统的三维数据部分，实现数据采集功能。

（2）通信模块。

系统使用的车载控制板可通过无线通信模块nRF24L01接受无线手柄的遥控指令，控制车载平台的移动速度和方向，使用的通信模块HC-05和上位机进行串口通信，实现数据传输功能。

（3）电机驱动模块。

底盘采用45号钢制作而成，强度较高，可原地转弯，可适应室内、室外普通路面及泥泞路面。车载底盘搭载的四轴驱动器模块用于驱动四路直流有刷伺服电机，集成了四轮差动运动控制算法，可以通过RS232串口、CAN总线通信，实现对底盘整体或单个电机的运动控制。

1.3 车载激光雷达扫描系统软件设计

（1）下位机程序。

平台下位机由Keil uVision4编写。车载扫描平台里的车载控制板可接受无线手柄遥控的行动指令，控制车载平台的移动速度和方向，通过激光雷达采集空间坐标信息，并与上位机、手柄进行串口通信，可将扫描获取数据发送给上位机，完成数据采集功能。下位机程序流程图如图2所示。

（2）上位机程序。

上位机数据处理软件由Visual studio 2008设计编写，主要对收集数据进行简单的处理，点击上位机数据处理软件选择串口，设置高度和角度，点击启动测试按钮，可在线实时描绘扫描平台所在剖面的空间轮廓，上位机程序流程图如图3所示。

1.4 车载激光雷达扫描系统的实验与分析

扫描系统所使用的激光扫描仪有效探测距离为6 m，而且室内的空间环境较为复杂，不同形状的物体会造成不同程度的遮挡，所以，在进行室内模拟实验时，应选择铁柜和走廊等较为典型的物体进行实验。

首先进行系统平台稳定度的探究。以走廊环境为扫描对象，选定一起点，开启扫描角度180°～360°，控制平台以0.2 m/s的速度沿直线向前行进10 m，扫描图像保持不变，如图4所示。

为探究扫描系统的可行性与探测精度，选取铁柜为扫描对象，如图5所示，并以不同的平台运行速度进行检测，将扫描结果与人工精确测量的结果相对比，研究平台的测量精度，扫描结果如图6所示。

表1为物体扫描实验结果，先人工測量相关参数，再将系统进行10次扫描获得数据求取平均值作为扫描结果，通过分析实验结果可知，扫描系统的测量精度较高，保持在93%以上。

为进一步探测系统对非规则物体轮廓的探测情况，对连续盆栽进行轮廓扫描实验。将多个盆栽间隔20 cm摆放成列，另一侧为平整玻璃或墙壁，使平台可以从中间形成的通道中穿过。车载平台从一端出发，沿盆栽列以0.2 m/s的速度匀速前进，依次通过三个盆栽后停止，在上位机软件上可以在线显示出来盆栽的外形轮廓，如图7所示。

根据上位机软件显示的图像可以发现，当平台运行速度较小时，扫描到的数据很稳定且精度很高，表明平台与系统运行可靠且测量精度高。

1.5 车载激光雷达扫描系统的创新点

（1）可靠性好，测量精度高。车载激光雷达扫描仪将一般的低成本二维激光扫描仪与可移动的车载平台相结合，以较低价格实现空间三维信息的获取。在模拟实验测试过程中，根据上位机软件显示的图像可以发现，当车载扫描平台运行速度较小时，扫描到的数据很稳定且精度很高，测量误差在93%以上。

（2）反馈及时、扫描范围可控。通过串口通信，可将扫描数据发送给上位机，借助设计的数据处理软件，可以实时动态观测扫描对象的外形轮廓。显示范围可以对显示框进行放缩，角度调节选择关闭或开放某一角度的扫描图像，方便及时调整平台的扫描角度。

（3）无需可见光源。车载激光扫描仪使用的激光雷达，采用的是三角测距原理，无需可见光源，能在各类室内环境及无日光照射的环境下工作，拓宽了工作适用范围。

2 结语

该文提出的车载三维激光扫描仪实现了对竖直平面的切割扫描，灵活地利用二维激光扫描仪实现了三维激光扫描仪的功能，可应用于管道、室内房间、林业勘查等领域的点云数据的获取与处理，为三维激光扫描点云数据采集领域提供一种新的思路。然而，该方案还有许多不足之处，例如：车载底盘由于缺少水平方向的点云信息，仍需手动遥控行进；车载底盘不够灵活且定位修正能力仍有欠缺等，对此，仍有许多方面有待改进，如，加入车载底盘自动算法，使得车载地盘实现简单自主移动；可以将车载底盘设计地更加紧凑，采用圆形底盘，将车载芯片、电机驱动等竖直叠加放置等。

参考文献

[1] 邓向瑞，冯仲科，罗旭.三维激光扫描系统在林业中的应用研究[J].北京林业大学学报，2005（S2）：43-47.

[2] 韦雪花，王永国，郑君，等.基于三维激光扫描点云的树冠体积计算方法[J].农业机械学报，2013（7）：235-240.

[3] 王佳，杨慧乔，冯仲科.基于三维激光扫描的树木三维绿量测定[J].农业机械学报，2013（8）：229-233.

[4] 刘伟乐，林辉，孙华，等.基于地面三维激光扫描技术的林木胸径提取算法分析[J].中南林业科技大学学报，2014（11）：111-115.

[5] 吴宾，余柏蒗，岳文辉，等.一种基于车载激光扫描点云数据的单株行道树信息提取方法[J].华东师范大学学报：自然科学版，2013（2）：38-49.