三维扫描束和成像系统的制作方法
【专利摘要】一种三维扫描束和成像系统(800)，能够实现环境的经济有效的三维扫描。所述系统(800)包括测距设备(805)、以及具有第一端(815)和第二端(820)的反应联接机构(810)。第一端(815)连接至测距设备(805)，并且第二端(820)连接至移动所述系统(800)通过环境的物体(825)。另外，成像设备(840)操作地耦接至反应联接机构(810)的第一端(815)或第二端(820)。在使用中，所述物体(825)相对于环境的加速由反应联接机构(810)转换成测距设备(805)相对于物体(825)的运动，这增大了测距设备(805)相对于环境的视场。
【专利说明】三维扫描束和成像系统
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及扫描束和成像系统。具体而言，尽管并不排他地，本发明涉及使用 反应联接机构进行三维（3D)扫描和成像的系统。
【背景技术】
[0002] 在没有先验映射的环境中进行操作的车辆、人员或机器人通常必须构造映射，以 便工作和适应其工作环境，或者为终端用户提供精确的模型。映射和定位（包括同时定位 和映射（SLAM))是移动机器人中存在的基本问题，并且包括以下情景：对于其姿态无已知 映射或精确测量的移动物体必须对二者作出估计和保持。
[0003] 物体的姿态是指其空间上的位置和定向。对于移动任务（比如，机器人导航、映射 以及规划）而言，确切地了解移动物体的姿态，通常较为重要。具体地众所周知的是，在某 些环境下，传统的导航系统不能进行操作或者不切实际。例如，在诸如建筑物内部、在地下 矿场内、或者在深水区内等环境中，基于卫星的全球定位系统（GPS)技术和基于蜂窝的定 位技术通常不起作用。如果不能获得这种环境的详细映射，那么在该环境中进行操作中的 车辆、人员或机器人可能需要依靠替代的导航系统，例如，SLAM系统，所述系统可包括惯性 测量单元（MU)或其他传感器，以用于确定位置和定向。
[0004] 3D扫描束系统可提供用于映射和/或定位应用中的数据。通常，这种系统包括活 动的、动力联接机构，所述动力联接机构使传感器在多个自由度中移动，有效地增加了传感 器的视场，以便获得3D扫描。例如，某些系统可包括输出一维束的激光测距设备。如果测 距设备安装至动力多自由度联接或动力常平架机构中，那么能够使激光重复地扫描通过三 维空间，例如，车辆前面的空间。然后从该设备中收集的数据可用于限定3D"点云"，其有效 地限定了环境的图像或映射。其他测距设备可包括二维激光扫描器，所述二维激光扫描器 围绕中心轴线旋转，或当固定到车辆中时，在第三维内移动，以便限定3D点云。此外，3D闪 光灯检测和测距（LIDAR)设备可包含并联的多个探测器，以便生成3D测距数据。
[0005] 在很多情况下，3D扫描束系统刚性地安装至车辆或机器人中，并且相对于该车辆 或机器人的定向，连续地扫描特定的区域。然后，所收集的数据可用于映射和/或定位应用 或用于更多基本的物体探测和场景认知目的中。然而，在某些情况下，该扫描束系统附接于 其上的车辆或机器人的振动或颠簸会导致在刚性安装的扫描束系统中引起误差。因此，已 经设计了复杂的振动隔离和稳定系统，以便有效地防止3D扫描束系统出现不期望的振动 或移动。
[0006] 在某些应用中，为了增大扫描传感器的视场以便有效地扫描三维区域所必需的硬 件可为非常复杂并且昂贵的。因此，需要一种改进的3D扫描束和成像系统。
[0007]发明目的
[0008]本发明的一些实施例的目的在于，为客户提供改进和优于上述现有技术的优点， 和/或克服并且缓解现有技术的一个或多个上述缺点，和/或提供一种有用的商业选择。
【发明内容】
[0009] 因此，在一种形式中，本发明为一种三维扫描束系统，包括：
[0010] 测距设备；
[0011] 反应联接机构，具有第一端和第二端，其中，所述第一端连接至所述测距设备，并 且所述第二端连接至移动所述系统通过环境的物体；以及
[0012] 成像设备，操作地耦接至反应联接机构的第一端或第二端；
[0013] 借此在使用中，所述物体相对于所述环境的加速由所述反应联接机构转换成所述 测距设备相对于所述物体的运动，这增大了所述测距设备相对于所述环境的视场，并且所 述测距设备的视场与所述成像设备的视场重叠。
[0014] 可选地，所述系统进一步包括定向传感器，所述定向传感器附接至所述测距设备。
[0015] 可选地，所述系统进一步包括与所述测距设备操作地耦接的计算机系统，其中，所 述计算机包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储限定记录算法的程序代码部分， 并且其中，所述记录算法处理来自于所述测距设备的数据，以便限定所述环境的3D点云。
[0016] 可选地，所述测距设备包括激光器。
[0017] 可选地，所述激光器包括二维扫描束激光器。
[0018] 可选地，所述3D点云被实时地限定。
[0019]可选地，所述测距设备发送和接收以下类型信号中的至少一种：光信号、声信号、 超声波信号、射频信号、伽玛辐射信号、微波信号。
[0020] 可选地，所述反应联接机构包括弹簧。
[0021] 可选地，所述定向传感器包括惯性测量单元（IMU)。
[0022] 可选地，所述反应联接机构的第一端与所述测距设备之间的连接为流体耦接。
[0023] 可选地，所述成像设备安装在所述测距设备上。
[0024] 可选地，所述成像设备包括可见光照相机、红外照相机、紫外（UV)线照相机、或超 光谱数据成像装置。
[0025] 通过以下的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 为了便于理解本发明并且能够使本领域的技术人员对本发明进行有效的实践，将 参照附图仅以举例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
[0027] 图1为示出了根据本发明的实施例的3D扫描束系统的侧视图的示意图。
[0028] 图2为示出了连接至汽车的前端的图1的系统的侧视图的示意图。
[0029] 图3为示出了连接至施工安全帽的顶部的图1的系统的侧视图的示意图。
[0030] 图4为示出了根据本发明的一些实施例的扫描器相对于环境内的表面进行的平 移运动的视图。
[0031] 图5为示出了根据本发明的实施例的获得环境的三维扫描的方法的一般流程图。
[0032] 图6为示出了根据本发明的一些实施例的包括用于限定3D点云的计算机系统的 系统元件的框图。
[0033] 图7为示出了根据本发明替代实施例的3D扫描束系统的侧视图的示意图。
[0034] 图8为示出了根据本发明进一步实施例的3D扫描束系统的透视图的视图。
【具体实施方式】
[0035]本发明涉及一种3D扫描束系统和方法。通过将所述系统附接至物体（比如，车 辆、机器人、人或动物），能够经济可靠地获得环境的3D扫描。然后，来自于3D扫描的数据 可用于各种用途中，比如，物体检测、接近检测、映射、定位、或碰撞躲避。
[0036]在本专利说明书内，诸如第一和第二、左和右、顶部和底部等形容词仅仅用于相对 于另一个部件或方法步骤限定一个部件或方法步骤，不必要求这些形容词所描述的特定相 对位置或顺序。诸如"含有"或"包括"等词语不用于限定排他的一组部件或方法步骤。相 反的，这种词语仅仅限定包括在本发明的一个特定实施例内的最小组的部件或方法步骤。
[0037] 参照图1，示意图示出了根据本发明的实施例的3D扫描束系统100的侧视图。系 统100包括2D激光束扫描器105形式的测距设备、以及盘簧110形式的反应联接机构。盘 簧110的第一端115连接至2D激光束扫描器105。盘簧110的第二端120连接至物体125。 然后，反应联接机构将物体125的平移加速（如箭头130所示）转换成2D激光束扫描器 105的旋转运动（如箭头135所示）。
[0038]2D激光束扫描器105因此能够显著增大其视场，并且以3D扫描物体125前面的 环境。不需要独立供电的常平架机构或其他独立的激励源来产生2D激光束扫描器105的 旋转运动。因此，在使用测距设备扫描环境所需要的硬件受成本或空间约束的限制时，系统 100可经济有效地运行。
[0039]根据本发明的某些实施例，可选的定向传感器（诸如惯性测量单元（MU) 145、照 相机、磁力计或其他装置等）可附接至测距设备。在需要限定测距设备的位置或定向的数 据的应用中，这样一种定向传感器能参与处理来自测距设备的数据。
[0040]例如，成像传感器（比如照相机）可以附接至反应联接机构的第一端（测距设备 侦D或附接至反应联接机构的第二端（物体侧），以便将图像值（比如颜色、纹理、强度或其 他测量值）分配给由测距设备获得的3D点云中的一些或所有距离点。
[0041]在第一情况下，将成像传感器附接至测距设备通常会要求计算校准以确定成像传 感器和测距设备之间的几何形状。另外，还可以要求成像传感器、测距设备、和定向传感器 (如果存在的话）之间的定时。假设该校准信息，由测距设备测量的一个或多个点可以投射 到照相机的成像平面上，并且可以将在类似时间测量的图像值分配给这些距离点。
[0042]在第二情况下，其中成像传感器附接至反应联接机构的第二端（物体侧），单个刚 性的校准可能不足以将图像值映射至距离点。在这种情况下，要求动态校准例程，借此多次 估计图像帧和点云之间的几何形状。附接至反应联接机构的第二端（物体侧）的额外定向 传感器可以可选地用于帮助校准估计过程。
[0043] 参照图2,示意图示出了连接至汽车200的前端的系统100的侧视图。因此物体 125由汽车200代替。汽车200的平移加速被转换成2D激光束扫描器105的旋转运动，能 够以3D扫描汽车200前面的区域。汽车200在正常使用期间自然发生的其他加速，例如， 颠簸（即，上下）加速和转向加速能参与激励2D激光束扫描器105的旋转运动。本领域的 技术人员会理解的是，施加于物体125的力和扭矩会引起扫描器105相对于物体125的运 动（主要为旋转运动，但是也有小幅平移运动）。结果为扫描器105相对于正在扫描的环境 的放大运动。
[0044]2D激光束扫描器（诸如扫描器105)是商业上可广泛获得的，或者可使用商业上可 获得的元件容易地制造这种扫描器。例如，扫描器105可包括由SICKAG制造的光探测和 测距（LIDAR)激光测量传感器（LMS)模型291。或者，可使用各种其他类型的测距设备，包 括例如使用各种类型辐射或信号（例如光信号、声信号、超声波信号、射频（RF)信号、伽玛 辐射信号、或微波信号）的测距设备。所述辐射或信号能够用于多种测距技术中，包括例如 飞行时间（TOF)、调频连续波（FMCW)、三角测量和相移测距技术。而且，根据本发明的测距 设备不需要进行2D扫描，而是例如可为简单的一维束测距设备。所述一维束测距设备的旋 转也能够提供环境的有效3D扫描。
[0045]根据本发明的一些实施例，反应联接机构也可包括各种商业上可获得的现成 (COTS)产品或定制的产品。例如，盘簧110可包括由各种材料（包括聚合物和金属合金） 制成的各种盘簧。而且，反应联接机构可包括其他部件，例如，与测距设备连接的多个弹簧 或类似弹簧的材料。本领域的技术人员会理解的是，并且根据本公开，各种其他类型的弹性 连接机构（包括例如简单的弹性杆、膨胀气球、海绵、橡胶等等）均可用于提供反应联接机 构，所述反应联接机构将物体的加速转换成测距设备的运动。
[0046]而且，本领域的技术人员会理解的是，根据本发明的反应联接机构还可用作将扫 描器105与物体125的高频运动隔离开的无源机械过滤器。可对反应联接机构（例如弹簧 110)进行调谐，以便既以特定的频率谐振从而满足应用要求，又抑制可能成问题的高频运 动。例如，某些高频运动可使得通过记录算法进行的处理复杂化，或者可对扫描器105造成 损坏。
[0047]而且，可对反应联接机构进行调谐，从而根据与硬件相关的时间常数，加长扫描器 105的脉冲响应；在物体125已经停止移动之后，有效地使得扫描器105能够继续移动一段 时间。因此，反应联接机构能够存储能量（例如，机械能或重力能）并且随着时间的过去而 缓慢地释放。
[0048]反应联接机构的其他实施例可包括减震器或适用于该机构的其他物理活动范围 限制器。这可用于例如将扫描器105的视场限制为具体应用的兴趣范围。
[0049]参照图3,示意图示出了连接至施工安全帽300的顶部的系统100的侧视图。根据 这个实施例，在工人戴着安全帽300时，步行时其头部进行点头或进行其他自然运动时，可 足以激励2D激光束扫描器105进行旋转运动。因此该系统100可用于有效地扫描直接位 于工人前面的工作地点，例如，建筑物内部、地下矿场内、或各种其他环境中。
[0050] 图3中所示的系统100可设计成使用非常少的功率，因为不需要任何电机或其他 动力机构激励测距设备的扫描或旋转运动。因此，仅需要较低功率的电池为测距设备提供 动力以便将功率提供给例如测距设备的固态电路。
[0051]本发明的一些实施例可用于为计算机系统提供扫描数据。然后计算机系统可使用 记录算法处理所述数据以便限定3D点云。本领域的技术人员了解的是，这种3D点云能够 用于各种映射和/或定位应用或成像应用中。
[0052]因此诸如系统100等系统可用于各种应用中。例如，在映射领域中，系统100可安 装在移动平台上，例如，车辆、推车、人类或动物，并且可用于获得环境的3D图。在机器人应 用中，系统100可用于地形映射或一般场景识别。如图3中所示，本发明的各种轻质实施例 可用作导航目的的可佩戴或手持式装置。例如，诸如警察、消防人员或军事人员等第一回应 者能够在已经映射的建筑物内部使用系统100。然后，来自于系统100的数据中产生的局部 获取的地图与现有的全局图可实时地进行比较，以便定位和协助第一回应者。在远程环境 (例如，地下矿场或水下环境）中，使用机器人或其他车辆可实现相似的定位和映射功能。
[0053] 在MichaelBosse和RobertZlot的以下论文中提供了可与本发明结合使 用的记录算法的一个实例，〃Continuous3DScan-Matchingwitha2DSpinning Laser"，ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsand Automation,pages4312-4319,Kobe,Japan,May12-17,该论文的全文以引用的方式并入 本文中。下面总结了这种记录算法如何运行。
[0054] 例如，对于图3中所示的与安全帽300连接的系统100,戴着安全帽300的人移动 时，通过弹簧110激励运动。扫描器105因此旋转通过额外的自由度和更广的视场，从而在 普通2D扫描平面的外部进行测量并且提供周围环境的3D测量。然而，最初扫描器运动的 确切属性可能是未知的。人们可使用来自于与激光扫描器105刚性地连接的MU145的数 据对扫描器105的旋转运动作出估计；但是平移运动可能完全是未知的。记录算法能恢复 平移运动，对旋转运动估计进行校正，并且额外地进行定时同步。
[0055] 参照图4,视图不出了根据本发明的一些实施例的扫描器105相对于环境内的表 面Z1和Z2进行的平移运动。如图所示，假设扫描器105在时间h时位于第一位置处并且在 时间t2时位于第二位置处。在使用记录算法对系统100所获得的数据进行处理之前，并不 确切地知晓扫描器105在时间h和t2时的姿态（即，位置和定向）（虽然例如基于来自于 IMU145的数据可了解位置的某些估计）。如图所示，表面Z1和Z2表示在第一和第二位置 处均由扫描器105的束140测量的环境内的表面。记录算法的第一步骤为执行数据相关， 其确定扫描器105实际上在确定表面Z1和Z2的两个位置处看见共同的特征。然后，形成约 束条件H的系统，该约束条件使特征匹配和施加给扫描器105的姿态的校正X相联系。本 领域的技术人员会理解的是，图4仅仅显示了姿态和匹配的子集；然而，一个实际的实施例 通常考虑扫描器105更长的轨迹以及一整套距离测量。
[0056] 记录算法可将先前的轨迹（例如，仅仅包含取自于IMU145的定向估计）和一组 范围扫描用作输入。使用先前的轨迹，人们可将扫描点（即，距离测量）投射到未记录的 (即，通常对准较差的）3D点云内。轨迹可限定为扫描器105的原点的位置和定向（在六个 自由度内（DOF)内-三个位置自由度和三个旋转自由度）的连续时间历史。在六个DOF内 限定用于三维刚性本体的姿态。因此，可将轨迹限定为函数T(τ)，其针对扫描器105的扫 描持续时间中的每个时间τ相对于地面坐标框架规定扫描器105的六个DOF姿态。
[0057] 然后，将环境的工作空间离散化为单元或"体素"（体积元素）的3D网格，并且根 据落在每个体素边界内的这组扫描点，为每个体素计算统计值。为了解决环境和边界效应 的非均匀采样，通过多个分辨率和偏移计算3D网格。为给定体素计算的统计值限定了椭圆 体，其使用一阶矩和二阶矩μ，s与这些点相符，所述一阶矩和二阶矩描述与点Pi相符的椭 圆体的参数：
【权利要求】
1. 一种三维扫描束系统，包括： 测距设备； 反应联接机构，具有第一端和第二端，其中，所述第一端连接至所述测距设备，并且所 述第二端连接至移动所述系统通过环境的物体；以及 成像设备，操作地耦接至所述反应联接机构的所述第一端或所述第二端； 借此在使用中，所述物体相对于所述环境的加速由所述反应联接机构转换成所述测距 设备相对于所述物体的运动，这增大了所述测距设备对于所述环境的视场，并且所述测距 设备的视场与所述成像设备的视场重叠。
2. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括附接至所述测距设备的定向传感器。
3. 根据权利要求1所述的系统，进一步包括与所述测距设备操作地耦接的计算机系 统，其中，所述计算机包括计算机可读介质，所述计算机可读介质存储限定记录算法的程序 代码部分，并且其中，所述记录算法处理来自于所述测距设备的数据，以便限定所述环境的 3D点云。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述测距设备包括激光器。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述激光器包括二维扫描束激光器。
6. 根据权利要求3所述的系统，其中，所述3D点云被实时地限定。
7. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述测距设备发送和接收以下类型信号中的至 少一种：光信号、声信号、超声波信号、射频信号、伽玛辐射信号、微波信号。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述反应联接机构包括弹簧。
9. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述定向传感器包括惯性测量单元（IMU)。
10. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述反应联接机构的所述第一端与所述测距设 备之间的连接为流体耦接。
11. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述成像设备包括可见光照相机、红外照相机、 紫外（UV)线照相机、或超光谱数据成像装置。
12. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述成像设备安装在所述测距设备上。
【文档编号】G01S17/42GK104380133SQ201380031744
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年4月17日 优先权日:2012年4月17日
【发明者】迈克尔·卡斯滕·博塞, 罗伯特·迈克尔·兹洛特 申请人:联邦科学和工业研究组织