[發(fā)明專利]基于嵌入式GPU的單像素激光雷達成像裝置及成像方法

在審

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• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107870334A
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳鑫;王志斌;黃曦;孫浩;張建奇
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)昆山創(chuàng)新研究院;西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/481;G01S7/48
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心61205
• 代理人: 王品華,朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光雷達探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于單像素激光雷達成像裝置，可 用于目標(biāo)三維點云模型獲取、場景三維信息感知和室內(nèi)環(huán)境掃描重建。

背景技術(shù)

激光雷達探測技術(shù)有助于提高感知周圍三維環(huán)境的能力，該技術(shù)是利用激光測距技術(shù) 獲得場景中各個對象的三維坐標(biāo)信息，基于激光雷達探測技術(shù)的應(yīng)用被廣泛使用在軍事和 民用領(lǐng)域，如激光雷達預(yù)警系統(tǒng)、無人駕駛汽車和室內(nèi)精確定位等。傳統(tǒng)的激光雷達存在 掃描生成的數(shù)據(jù)量大、三維信息處理運算復(fù)雜和面陣探測器成本高昂的問題，限制了其在 三維信息感知領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。因此，構(gòu)建高效的、微型的、精確的激光雷達成像裝置 就顯得尤為重要。

目前，已有多種小型化的三維成像和感知方法與裝置，包括微軟公司的Kinect三維 體感裝置、基于雙目視覺或多視點的立體成像技術(shù)、線掃描激光雷達裝置等。其中：

Kinect三維體感裝置，主要集成了多個傳感器，用于獲得人體的手勢、姿態(tài)等深度信 息，但是該裝置不具備完整的三維場景感知能力，只能獲得朝向方向的深度信息，且其成 像結(jié)果需要經(jīng)過異源數(shù)據(jù)的融合處理，處理方法比較復(fù)雜。

基于雙目視覺或多視點的立體成像方法是計算機圖形學(xué)應(yīng)用中的經(jīng)典手段，都是通過 圖像的方式保存目標(biāo)在不同視角下的位置信息，通過特征點匹配的方法進行配準(zhǔn)，在圖像 /視頻處理和計算機視覺領(lǐng)域中較為流行，但該方法需要對所有圖像進行極線匹配，且對 成像裝置需要進行精確定標(biāo)，處理效率低下。

目前較為流行的線掃描激光雷達通過向三維場景發(fā)射激光光速并精確統(tǒng)計回波的時 間間隔，進而獲得目標(biāo)距激光雷達的距離，獲得對周圍環(huán)境的三維信息。但是線掃描激光 雷達裝置需要讓線陣探測器高速旋轉(zhuǎn)掃描，因此對機械加工和裝置穩(wěn)定性要求較高，體積 較大，功耗較高，數(shù)據(jù)處理效率較低，很難適用于便攜與小型的三維場景感知應(yīng)用。

上述幾種三維場景感知與探測方法的共同不足是：對周圍三維場景的感知效率不高， 與小型化、智能化的激光雷達立體成像應(yīng)用不兼容。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于嵌入式GPU的單像素激光 雷達成像裝置及成像方法，以提高對場景三維信息獲取的效率和點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并能兼 容激光雷達在小型化、智能化平臺的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)通過將激光飛時單元探測器與兩軸轉(zhuǎn)臺相結(jié)合，建立基于嵌入式GPU的 單像素激光雷達成像裝置,其技術(shù)實現(xiàn)方案如下：

一種基于嵌入式GPU的單像素激光雷達成像裝置，其特征在于，包括：

水平傳動電機，用于帶動激光測距傳感器底座作水平軸向的運動；

激光測距傳感器底座，用于帶動單像素飛時激光測距傳感器進行水平和垂直兩個軸向 的運動；

單像素飛時激光測距傳感器，固定在激光測距傳感器底座上，用于收集水平和垂直兩 個方向上空間的點云數(shù)據(jù)信息，將這些信息發(fā)送到嵌入式GPU底座中；

垂直傳動電機，用于帶動單像素飛時激光測距傳感器作垂直軸向的轉(zhuǎn)動；

嵌入式GPU底座，根據(jù)單像素飛時激光測距傳感器輸入的空間點云數(shù)據(jù)信息，通過多 線程并行處理方式完成對該點云數(shù)據(jù)的非線性曲面指數(shù)計算和均勻光滑曲面重建，并將重 建好的三維光滑曲面模型進行動態(tài)成像顯示。

上述裝置，其特征在于水平傳動電機中設(shè)有掃描步長控制單元，用于通過接收來自嵌 入式GPU底座的指令控制水平傳動電機的傳動桿水平轉(zhuǎn)動。

上述裝置，其特征在于垂直傳動電機與水平傳動電機級聯(lián)帶動激光測距傳感器底座做 水平和垂直兩個軸向的轉(zhuǎn)動，激光測距傳感器采集周圍環(huán)境到自身的距離信息，并將距離 信息構(gòu)建成半球空間點云數(shù)據(jù)，最后通過接線將距離信息傳入到嵌入式底座中。

上述裝置，其特征在于嵌入式GPU底座中設(shè)有：

供電與數(shù)據(jù)指令傳輸單元，用于將水平傳動電機、垂直傳動電機和激光測距傳感器連 接到嵌入式GPU底座，由嵌入式GPU板卡提供5V的供電電壓；

嵌入式GPU板卡，用于接受來自激光測距傳感器的半球空間點云數(shù)據(jù)并進行計算，得 到均勻的規(guī)則四邊形模型網(wǎng)格，并保存成三維模型格式后輸出給嵌入式GPU動態(tài)渲染單 元。

嵌入式GPU動態(tài)渲染單元，用于將嵌入式GPU板卡中的三維幾何模型作為輸入，對三 維幾何模型進行著色處理，動態(tài)地顯示三維圖像。

本發(fā)明利用所述裝置進行成像的方法，包括：

1)利用嵌入式GPU板卡控制水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個傳動電機按順序啟動，進行激光 掃描；

2)采集激光傳感器到周圍環(huán)境點的距離信息；