[實用新型]月球車高速三維激光成像雷達系統

無效

• 申請號: 200820124203.1
• 申請日: 2008-11-28
• 公開（公告）號: CN201293837Y
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 居鶴華;馬巖;王亮
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 張 慧

技術領域

本實用新型涉及一套高速的三維激光成像雷達系統，該系統作為月球車樣機系統重要的視覺傳感器，通過對月球車前方工作環境進行探測，利用獲取的位置信息建立三維點云模型，為月球車路徑規劃、自主導航等提供重要的視覺基礎。

背景技術

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研究所的Surmann等[Surmann?H，Lingemann?K，Nuchter?A，etc.“A?3D?laser?rangefinder?for?autonomous?mobile?robots”，Proceedings?on?32nd?InternationalSymposium?on?Robotics.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三維測量；日本東京大學的Zhao等[Zhao?H，Shibasaki?R.“Reconstruction?textured?CAD?model?of?urban?environment?usingvehicle-borne?laser?range?scanners?and?line?cameras”，Proceedings?ofInternational?Workshop?on?Computer?Vision?Systems.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，例如裝置結構復雜、體積大、掃描速度慢、激光采樣速度慢、工作環境有限等，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，以改變現有三維激光雷達體積大、掃描速度慢、工作環境有限等不足，使得該實用新型可以在強光環境下正常工作，測量精度在較惡劣環境下得到保證。在保證測量數據精度的同時，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據的同步問題，使測量數據的同步性得到充分的保證。

本實用新型是采用以下技術手段實現的：

本實用新型整個高速三維激光成像雷達系統由“一維”激光測距儀與“二維”掃描伺服機電系統組成。選擇高性能的點結構光激光測距儀，使得該實用新型可以在室外強光環境下正常工作，測量精度在較惡劣環境下得到保證。考慮到月球表面沒有大氣，故在設計掃描伺服機電系統時選擇了沒有電刷的直流伺服電機。掃描機電系統結構獨特，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。在保證測量數據精度的同時，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據的同步問題，測量數據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，該系統包括：點結構光激光測距儀，以及掃描雙驅動無刷伺服電機系統以及一個激光反射棱鏡；所述的雙驅動無刷伺服電機，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俯仰轉動；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據為同步數據；所述的采樣數據，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：