进行三维激光扫描的摆动装置及其坐标转换方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于测绘科学技术领域，涉及一种利用二维激光扫描仪进行三维激光扫描 的摆动装置，本发明还涉及该进行三维激光扫描的摆动装置的坐标转换方法。
【背景技术】
[0002] 激光雷达通过旋转镜面将脉冲激光向平面内各个方向发射并由激光接收器接收 反射光线，通过计时器计算反射和接收之间的时间差测量出障碍物到雷达的距离。
[0003] HOKUK)公司的30LX型激光雷达可实现二维270°平面扫描，探测最远30m的障碍 物。该型雷达应用于智能车辆，用于探测车辆前方的障碍物或其它车辆，从而实现智能车辆 规避障碍物或其它车辆、保持安全行车距离等。H0KUY0-30LX雷达在平面270°内按一定频 率发射激光束，遇到障碍物时反射光束，并由激光接收器接收，从而得到在扫描平面内的障 碍物的一个或多个点的信息。利用该信息可得到障碍物的距离（深度）和宽度信息，但不 知道高度信息；另外，如果障碍物不在扫描平面内，则无法探测到障碍物，只能得到扫描平 面上的障碍物的距离（深度）和宽度信息，而无法得到在高度方向上的任何信息，无法准确 识别障碍物及进行三维环境的感知。
[0004] 三维激光扫描仪能够获得整个三维空间上的数据信息，然而三维激光扫描仪普遍 价格不菲，且体积相对较大。在进行三维激光扫描时，往往是"停走"式扫描，且必须在预先 设定的地点扫描。然而在一些特殊环境，如矿井或洞穴等环境，往往需要更为方便灵巧的手 持式激光测图设备。因此，业内亟待开发出一种能改变HOKUYO雷达在此类应用的局限性， 将二维激光雷达转变为可进行移动三维扫描的激光雷达。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种利用二维激光扫描仪进行三维激光扫描的摆动装置，将 二维激光雷达转变为三维扫描的激光雷达；可以得到扫描平面上的障碍物的距离（深度） 和宽度信息，同时又得到高度方向上的信息，方便雷达进行障碍物识别及进行三维环境的 感知。
[0006] 本发明的另一目的是提供进行三维激光扫描的摆动装置的坐标转换方法。
[0007] 本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种利用二维激光扫描仪进行 三维激光扫描的摆动装置，二维激光扫描仪固定在雷达摆动支架上，雷达摆动支架和摆动 控制装置外壳通过转动轴承相连，转动轴承与摆动控制装置外壳侧壁固接，摆动控制装置 外壳内部设置有支持编码盘的舵机及嵌入式控制板，支持编码盘的舵机与嵌入式控制板相 连，跟踪整个系统的位姿变化的惯性测量单元固定在摆动控制装置外壳上。
[0008] 本发明的特征还在于，转动轴承的轴线位于二维激光扫描仪的雷达激光束发射的 物理中心平面上。
[0009] 摆动控制装置外壳的外部连线12V的电源和串口通讯，串口与计算机相连。
[0010] 二维激光扫描仪为H0KUY0-30LX雷达。
[0011] 本发明的所采用的另一种技术方案是，进行三维激光扫描的摆动装置的坐标转换 方法，按照以下步骤进行：
[0012] 步骤 1，
[0013] 每次读取到激光数据后，记录下激光数据的获取时间，设为t1;同时立刻读取串口 数据，获取摆动装置的当前摆动位置，读取完数据的时间设为t2;
[0014] 步骤 2，
[0015] 设相邻两次获得激光数据时对应的摆动装置角度分别为％，a2;对应的时间分别 Stpt2，则摆动装置的近似角速度为W= (B1-B2) Atft2);
[0016] 步骤 3，
[0017] 在获取激光数据与之对应的摆动角度数据之间，假设对应值的角度为A，时间为 T，摆动装置实际继续多摆动了 difTA = A-(T-〇. 01)*w，摆动装置真实的摆动角度是B = A-difTA，至此对摆动装置的误差补偿完毕；
[0018] 步骤 4，
[0019] 由于摆动装置的摆动，使得对于激光一个摆动周期内的点，其摆动轨迹为曲线 Θ *sin Θ，假设激光结束上一个扫描前的理想扫描点为线段AB，一个周期后的理想扫描点 为线段CD，而实际点为AB与CD间的虚线，对于真实扫描点E来说，由其坐标（X，y)可以获 得其相对于CD坐标轴的偏转角度Θ ;而其相对于AB坐标轴的偏移角度是γ = α-θ ;
[0020] 步骤 5，
[0021] 对于相对于AB坐标轴偏转为γ的点Ε，乘旋转矩阵，获得点E在坐标轴AB下的坐 标（X 1，Y1)，
[0022] X1= cos ( θ ) *χ - sin ( Θ ) *y
[0023] Y1= sin ( θ ) *x+cos ( θ ) *y
【主权项】
1. 一种利用二维激光扫描仪进行三维激光扫描的摆动装置，其特征在于，二维激光扫 描仪（1)固定在雷达摆动支架上（4)，雷达摆动支架（4)和摆动控制装置外壳（7)通过转 动轴承（6)相连，转动轴承（6)与摆动控制装置外壳（7)侧壁固接，摆动控制装置外壳（7) 内部设置有支持编码盘的舵机（5)及嵌入式控制板（3)，支持编码盘的舵机（5)与嵌入式 控制板（3)相连，跟踪整个系统的位姿变化的惯性测量单元（2)固定在摆动控制装置外壳 (7)上。
2. 根据权利要求1所述的一种利用二维激光扫描仪进行三维激光扫描的摆动装置，其 特征在于，所述转动轴承（6)的轴线位于二维激光扫描仪（1)的雷达激光束发射的物理中 心平面上。
3. 根据权利要求1所述的一种利用二维激光扫描仪进行三维激光扫描的摆动装置，其 特征在于，所述摆动控制装置外壳（7)的外部连线12V的电源和串口通讯，串口与计算机相 连。
4. 根据权利要求1所述的一种利用二维激光扫描仪进行三维激光扫描的摆动装置，其 特征在于，所述二维激光扫描仪（1)为H0KUY0-30LX雷达。
5. -种如权利要求1-5任何一项所述的摆动装置的坐标转换方法，其特征在于，按照 以下步骤进行： 步骤1， 每次读取到激光数据后，记录下激光数据的获取时间，设为t1;同时立刻读取串口数 据，获取摆动装置的当前摆动位置，读取完数据的时间设为t2; 步骤2， 设相邻两次获得激光数据时对应的摆动装置角度分别为a2;对应的时间分别为t t2，则摆动装置的近似角速度为w= (ai-aj/f^-i^); 步骤3， 在获取激光数据与之对应的摆动角度数据之间，假设对应值的角度为A，时间为T， 摆动装置实际继续多摆动了difTA=A-(T-0.01)*w，摆动装置真实的摆动角度是B= A-difTA，至此对摆动装置的误差补偿完毕； 步骤4， 由于摆动装置的摆动，使得对于激光一个摆动周期内的点，其摆动轨迹为曲线 0*sin0，假设激光结束上一个扫描前的理想扫描点为线段AB，一个周期后的理想扫描点 为线段CD，而实际点为AB与CD间的虚线，对于真实扫描点E来说，由其坐标（x，y)可以获 得其相对于CD坐标轴的偏转角度0 ;而其相对于AB坐标轴的偏移角度是Y= ; 步骤5， 对于相对于AB坐标轴偏转为Y的点E，乘旋转矩阵，获得点E在坐标轴AB下的坐标 (X!，y!)， x:= cos ( 0 ) *x - sin ( 9 ) *y y:= sin ( 0)*x+cos(9 ) *y
对所有的扫描点应用步骤5中的转换方法，便把激光扫描点的坐标由激光坐标系转移 到世界坐标系。
【专利摘要】本发明公开了进行三维激光扫描的摆动装置及其坐标转换方法，二维激光扫描仪固定在雷达摆动支架上，雷达摆动支架和摆动控制装置外壳通过转动轴承相连，转动轴承与摆动控制装置外壳侧壁固接，摆动控制装置外壳内部设置有支持编码盘的舵机及嵌入式控制板，支持编码盘的舵机与嵌入式控制板相连，跟踪整个系统的位姿变化的惯性测量单元固定在摆动控制装置外壳上。通过精确的计算摆动装置的摆动角度，在激光摆动的同时，获得整个空间的三维数据。利用摆动装置实现的二维扫描不仅性价比高于三维激光扫描仪，且其体积相对轻便，能够在获得三维数据的同时，通过数据的配准可获得扫描仪的位置，解决了地图的同步获取与定位技术。
【IPC分类】G01S17-93, G01S7-481, G01S17-42
【公开号】CN104808192
【申请号】CN201510179358
【发明人】李昕, 王琰, 张晋彰, 陈宇航, 张爱娟
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月15日