[发明专利]月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一套高速的三维激光成像雷达系统，特别涉及一种月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法。该套系统作为月球车样机系统重要的视觉传感器，通过对月球车前方工作环境进行探测，利用获取的位置信息建立三维点云模型，为月球车路径规划、自主导航等提供重要的视觉基础。

背景技术

激光雷达主要有二维和三维两种，二维激光雷达仅在固定平面上扫描获取距离信息，即单线扫描；三维激光雷达则可认为是在转动的平面上完成的多线扫描。三维激光雷达在复杂地形机器人定位、绘制环境地图以及工程测量等领域具有更大的应用价值。90年代中期我国的陆祖康等人曾以相位法测距原理自主研制三维激光雷达，并在第一代自主机器人应用中获得了良好的效果[项志宇，“快速三维扫描激光雷达的设计及其系统标定”，浙江大学学报(工学版)，2006，40(12)，2130-2133。]。近年来，国外一些大学采取改装组合二维激光雷达以获得三维扫描功能的方法，如德国自主智能系统研究所的Surmann等[Surmann H，LingemannK，Nuchter A，etc.“A 3D laser range finder for autonomous mobile robots”，Proceedings on 32nd International Symposium on Robotics.Seoul，Korea：IFR，2001：153—158.]采用了将二维激光雷达增加一维扫描装置的方法实现三维测量；日本东京大学的Zhao等[Zhao H，Shibasaki R.“Reconstructiontextured CAD model of urban environment using vehicle-borne laser rangescanners and line cameras”，Proceedings of International Workshop onComputer Vision Systems.Vancouver，Canada：IEEE，2001：453—458.]运用安装在机器人上的两个二维激光雷达分别获得扫描位置和扫描信息，然后加以融合的方法获得环境的三维信息。

目前，三维激光雷达仍存在一些不足与限制，例如装置结构复杂、体积大、扫描速度慢、激光采样速度慢、工作环境有限等，另外，高昂的价格也限制三维激光雷达的进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种月球车高速三维激光成像雷达系统以及成像方法，以改变现有三维激光雷达体积大、扫描速度慢、工作环境有限等不足，使得该发明可以在强光环境下正常工作，测量精度在较恶劣环境下得到保证。在保证测量数据精度的同时，采用激光测距仪的高速采集接口和光电编码器的输出信号两种途径解决采样数据的同步问题，使测量数据的同步性得到充分的保证。

本发明是采用以下技术手段实现的：

本发明整个高速三维激光成像雷达系统由“一维”激光测距仪与“二维”扫描伺服机电系统组成。选择高性能的点结构光激光测距仪，使得该发明可以在室外强光环境下正常工作，测量精度在较恶劣环境下得到保证。考虑到月球表面没有大气，故在设计扫描伺服机电系统时选择了没有电刷的直流伺服电机。扫描机电系统结构独特，采取双电机控制单棱镜的方式反射激光射线并控制扫描方向，垂直电机无减速箱，高转速利于棱镜防尘，进一步保障测量精度；水平电机设有减速箱，增加输出力矩。在保证测量数据精度的同时，采用激光测距仪的高速采集接口和光电编码器的输出信号两种途径解决了采样数据的同步问题，测量数据的同步性得到了充分的保证。

一种月球车高速三维激光成像雷达系统，该系统包括：点结构光激光测距仪，以及扫描双驱动无刷伺服电机系统以及一个激光反射棱镜；所述的双驱动无刷伺服电机，为安装位置呈90度的垂直电机和水平电机，电机输出轴所在轴线与激光射线相交于棱镜反射斜面中心；其中，一个垂直电机控制单棱镜在与电机输出轴垂直的平面上绕轴线方向连续自旋，另一个水平电机则采用步进的方式控制该扫描平面在垂直方向上一定范围内俯仰转动；所述垂直电机和水平电机的前端，分别设有与其同轴安装的光电码盘和编码器；与激光测距仪配套的高速采集接口，获得的距离与棱镜滚动和俯仰角度的采样数据为同步数据；所述的采样数据，对其进行野值剔除、空间极坐标系到笛卡尔坐标系的坐标变换，最后建立扫描场景的三维点云模型；

所述的坐标变换公式为：