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三维激光雷达控制系统设计与实现

三维激光雷达控制系统设计与实现

作者：王宏飞大连海事大学

学位级别：硕士

激光雷达是获取目标三维(3D)空间信息最有效的方式之一,它具有波束窄、方向性强和响应速度快等特点,在机器视觉、军事侦察和地形测绘等领域有着广泛的应用前景。本文结合扫描式三维成像激光雷达的发展现状,围绕其高精度测距技术和高分... 详细信息

激光雷达是获取目标三维(3D)空间信息最有效的方式之一,它具有波束窄、方向性强和响应速度快等特点,在机器视觉、军事侦察和地形测绘等领域有着广泛的应用前景。本文结合扫描式三维成像激光雷达的发展现状,围绕其高精度测距技术和高分辨率扫描成像技术展开研究,设计了一套三维激光雷达样机,利用该样机进行一系列的系统实验,实现了高精度、高分辨率激光扫描式三维成像。本课题研制的三维激光雷达控制系统以脉冲式激光测距原理和机械式二维扫描成像方法为核心。三维激光雷达硬件系统的发射端选择Nd:YAG高能量脉冲激光器作为激光光源,接收端利用APD光电探测器探测回波信号,扫描端采用机械式二维扫描振镜进行扫描成像,控制端以ARM Cortex-M4内核的STM32F407微控制器为核心设计了二维扫描振镜驱动电路、双阈值鉴别电路和TDC时间间隔测量电路。三维激光雷达软件系统采用Free RTOS嵌入式实时操作系统,基于双阈值误差补偿算法实现了高精度测距,基于阶梯型控制信号实现了高分辨率扫描,多任务合作完成了目标三维空间信息的获取。三维激光雷达控制系统搭建完成后,对典型目标进行了标定实验、测距实验和成像实验。实验结果表明三维激光雷达在测距范围为1-10m内的测距精度为±2cm,每帧图像的分辨率为200×200像素,水平和竖直方向的视场角均在20°左右,对典型目标成像结果清晰,达到了预先设计的指标。

关键词：三维激光雷达 TDC-GP22 二维扫描振镜双阈值误差补偿算法

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三维激光雷达无人机树障实时测量系统研究

中国测试 2021年第11期47卷 147-152页

作者：张英汪勇廖如超袁新星康泰钟广东电网有限责任公司机巡作业中心广东广州510145 北京数字绿土科技有限公司北京100089

清除树障是维护输电线路正常运行的重要工作,其核心内容之一是对线路附近的树木进行线树之间的净空距离测量。而线路附近环境较为复杂、线路长度较长,现场巡检人员采用人工方式进行测量工作效率低下。该文提出一种基于三维激光雷达的无... 详细信息

清除树障是维护输电线路正常运行的重要工作,其核心内容之一是对线路附近的树木进行线树之间的净空距离测量。而线路附近环境较为复杂、线路长度较长,现场巡检人员采用人工方式进行测量工作效率低下。该文提出一种基于三维激光雷达的无人机树障实时测量系统,通过无人机搭载三维激光雷达和板载计算机,使得无人机巡线过程中对线路附近树木进行测量。该系统包括将三维点云数据进行预处理,分离地面与非地面点云,在非地面点云中聚类检测出树木,实时测量树木离线净空距离。在工程应用上结合线路运行规程判断是否存在危险树障和结合GPS、无线通信技术对巡检过程进行规范记录,生成检测报告。现场实验表明:该系统可有效提高对导线和树木的测量精度和巡检测量的效率,有利于实现输电线路巡检的数字化和智能化,对线路运行维护有实际应用价值。

关键词：树障三维激光雷达无人机实时测量地面分离

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三维激光雷达在地面无人平台中的外参数标定

应用激光 2019年第1期39卷 113-118页

作者：程子阳任国全张银孔国杰陆军工程大学石家庄校区车辆与电气工程系河北石家庄050003 北京特种车辆研究所北京100071

针对车载三维激光雷达在工作前需要对安装外参数进行标定的问题,综合考虑激光雷达的扫描光束不可见、多线式扫描等特点,提出了一种激光雷达外参数的标定方法。首先对普通纸箱进行扫描,以纸箱两个侧面和地面间的相互垂直关系作为约束,采... 详细信息

针对车载三维激光雷达在工作前需要对安装外参数进行标定的问题,综合考虑激光雷达的扫描光束不可见、多线式扫描等特点,提出了一种激光雷达外参数的标定方法。首先对普通纸箱进行扫描,以纸箱两个侧面和地面间的相互垂直关系作为约束,采用随机抽样一致性算法(RANSAC)在获取的点云数据中拟合出三个平面的初始模型,并通过旋转、平移步骤优化平面模型的拟合精度,从最优模型中提取同名向量和同名点;然后基于空间向量的三维坐标系转换模型,对激光雷达的旋转和平移参数进行求解,只需采集一次数据即可完成所有外参数的标定;最后结合仿真和在标定后对室外环境三维重建的结果,验证了算法的有效性。

关键词：三维激光雷达外参数标定 RANSAC算法同名向量三维坐标系转换

三维激光雷达在公路施工质量控制中的应用研究

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三维激光雷达在公路施工质量控制中的应用研究

作者：杨晨辉交通运输部公路科学研究所

学位级别：硕士

路面平整度及结构层厚度是评价道路施工质量控制中的关键指标,传统的检测方法对于施工路段进行检测及评价时具有一定的局限性。地面三维激光雷达扫描系统具有非接触性、检测效率快、数据精度高等优势,其数据可以用于表面平整度及结构层... 详细信息

路面平整度及结构层厚度是评价道路施工质量控制中的关键指标,传统的检测方法对于施工路段进行检测及评价时具有一定的局限性。地面三维激光雷达扫描系统具有非接触性、检测效率快、数据精度高等优势,其数据可以用于表面平整度及结构层厚度检测。因此,本文重点探讨了地面式三维激光雷达扫描系统在公路施工质量中的平整度及厚度指标检测中的应用问题,并开展了以下研究工作:(1)重点阐述了三维激光雷达扫描系统的技术原理,通过误差传播定律分析其精度能够满足道路施工平整度及厚度检测的要求。(2)结合点云数据自身及目标分析对象点云数据的特点,研究路面点云数据处理过程中的关键技术方法,包括点云数据去噪、点云数据精简、标靶拟合、路面边线提取及路面三角网格生成等。(3)整理并总结了路面平整度评价方法及指标,从重复性试验及相关性试验两方面研究地面三维激光雷达扫描设备用于路面平整度检测的可靠性。重复性试验结果显示其变异系数为4.442%小于5%满足要求;相关性试验结果显示其检测结果与水准仪检测结果的相关性系数为=0.997≥0.98,符合相关性试验要求。(4)研究不同统计间隔及不同断面数据对计算结果的影响,分析系统检测数据的一致性,研究结果表明随着统计间隔的加长,指标计算值逐步趋向于一个稳定的数值,更能反映路段整体的平整度状况;同时,不同车道与同一车道内不同断面的高程数据的指标计算结果均有不同程度的波动,研究提出了车道加权国际平整度指数的概念用以评价路段平整度。(5)提出了一套三维激光雷达扫描设备用以检测施工路段平整度及厚度的具体作业方案。实例工程数据计算得到国际平整度指数及提出的RS标准差指标与路段平整度标准差之间具有良好的线性关系。(6)结合实例工程,对中面层厚度进行检测,每车道按照5m长度为间隔进行单元划分,提出路面厚度偏差量的指标用以评定结构层厚度施工均匀性,提出了结构层偏薄处的厚度补偿法。

关键词：三维激光雷达平整度检测厚度检测国际平整度指数点云数据处理

三维激光雷达交互显示及点云数据分析系统研究及实现

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三维激光雷达交互显示及点云数据分析系统研究及实现

作者：周忠稳东南大学

学位级别：硕士

随着激光雷达技术的发展,国内外越来越多的企业和学校对三维激光雷达开展了研究。三维激光雷达技术的原理是通过反射激光测得雷达周围物体的角度和距离,并转换成空间中的点坐标,多个点可以组成点云数据,对点云的研究有助于环境感知。激... 详细信息

随着激光雷达技术的发展,国内外越来越多的企业和学校对三维激光雷达开展了研究。三维激光雷达技术的原理是通过反射激光测得雷达周围物体的角度和距离,并转换成空间中的点坐标,多个点可以组成点云数据,对点云的研究有助于环境感知。激光雷达技术已经应用于社会各个层面:军事上,激光雷达已广泛应用于侦测、制导、测量等应用中;民用方面,激光雷达已经广泛应用于无人驾驶、移动机器人、辅助检测、场景搭建、虚拟现实等场景中,且需求呈现扩大趋势。为了打破国外垄断,我们与国内激光雷达厂商合作,开发具有自主知识产权的三维激光雷达点云交互显示及点云数据分析系统,为国内激光雷达厂商自主研发的激光雷达设备演示、评测以及后期应用扩展提供了配套算法,促进我国三维激光雷达的研发和应用发展,具有重要的价值和意义。本文对国内三维激光雷达合作生产厂商需求进行了分析,公司的需求包括对激光雷达实时显示,评估雷达的测量精度以及最终的对雷达的扩展应用。因此研制出了一种三维激光雷达交互显示和点云分析系统,主要包括5个模块:基础模块、显示模块、滤波去噪模块、精度评估模块和物体检测模块,在上述三个需求模块之前,增加了基础部分与专门的滤波操作部分。基础模块负责直接与激光雷达进行点云数据传输,对文件存储、雷达通信进行了较详细深入的研究。显示模块负责处理点云可视化方面的工作,使得点云可以根据不同属性呈现不同的颜色,并制订了不同的颜色编码方式,可对点云属性有直观的了解。滤波模块主要目的是减少噪声对后续点云处理的影响,根据不同的应用场景,制订了不同的滤波方式:对于实时显示的静态场景,提出了一种基于点云时空的滤波方式,成功应用于激光雷达降噪中;对于精度评估方面,通过多次测量消除了点云的随机噪声,使得评估结果更加精确。精度评估模块主要分析了雷达误差,提出一种标准化激光雷达点云质量量化评估方法,通过测量高精度的标准房间数据,与激光雷达点云数据进行比较,分析出雷达的标准差、系统误差和丢包率等属性,为激光雷达的研发与质检提供了重要依据。物体检测模块将深度学习网络整合到系统之中,通过处理道路中的点云数据,对道路数据中的车辆进行三维物体检测,完成了对点云数据的物体检测功能,扩展了系统的应用场景。最后,通过分析点云的处理流程,创造性地设计了各模块间的组织架构。使用Open GL可视化库函数,基于面向对象的C++编程语言,调用Pytorch深度学习网络模块,在MFC开发框架下进行了模块功能的研发实现,编写了界面化的点云可视化和分析系统。通过对各模块进行系统性测试,验证了实验结果的准确性,确保功能完善的前提下,实现了系统的流畅和稳定。

关键词：三维激光雷达可视化滤波物体检测系统实现

基于改进密度聚类的三维激光雷达点云滤波算法研究

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应用激光 2023年第7期43卷 87-93页

作者：陶泽宇苏建强董朝轶单馨平内蒙古工业大学电力学院内蒙古呼和浩特010080 内蒙古自治区机电控制重点实验室内蒙古呼和浩特010051

三维激光雷达是无人驾驶、机器人等领域环境感知部分的重要组成,其扫描周围环境获取的点云数据中存在大量离群点等噪声数据。针对噪声点滤除不准确的问题,创新地提出一种改进密度聚类(DBSCAN)算法,利用栅格化网络寻找点云密度最大栅格,... 详细信息

三维激光雷达是无人驾驶、机器人等领域环境感知部分的重要组成,其扫描周围环境获取的点云数据中存在大量离群点等噪声数据。针对噪声点滤除不准确的问题,创新地提出一种改进密度聚类(DBSCAN)算法,利用栅格化网络寻找点云密度最大栅格,并在其中筛选初始点,自适应调整聚类半径和参数,最后完成聚类滤波。试验结果表明,该算法在保留原始点云特征的情况下有效滤除了离群点,在滤波时间基本不变的情况下,效果优于其他传统的滤波算法。

关键词：三维激光雷达点云数据 DBSCAN 统计滤波半径阈值滤波

三维激光雷达图像在铁路异物侵限检测中的应用研究

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三维激光雷达图像在铁路异物侵限检测中的应用研究

作者：林玉兵北方工业大学

学位级别：硕士

铁路异物侵限检测一直是多年来的研究热点,侵限检测大多采用视觉的方法,由于视觉受光照、天气等外界环境变化影响较大,本文提出了三维激光雷达铁路异物侵限检测系统,主要设计实现三维激光雷达铁路异物侵限检测系统,还原三维场景,实现目... 详细信息

铁路异物侵限检测一直是多年来的研究热点,侵限检测大多采用视觉的方法,由于视觉受光照、天气等外界环境变化影响较大,本文提出了三维激光雷达铁路异物侵限检测系统,主要设计实现三维激光雷达铁路异物侵限检测系统,还原三维场景,实现目标检测。三维激光雷达铁路异物侵限检测系统主要包括设计实现三维激光雷达、三维点云数据采集、三维建模、点云数据预处理和目标检测。本文的主要工作包括:（1）控制器硬件电路设计和云台系统的实现。（2）GL-1025二维激光雷达和云台系统实现三维激光雷达系统。（3）上位机采集系统设计,实现对GL-1025激光雷达和云台系统的通信,确定二者的扫描顺序,对采集到三维点云数据进行格式转换和三维建模。（4）对采集到的点云数据做三维显示,并能360°查看三维图像。（5）对三维点云数据做预处理,由于点云数据过于庞大,采用降维处理,并确定检测区域以及去除掉孤立点。（6）点云处理采用两种方案做目标检测:灰度图像处理的方案和点云聚类的方案。1)灰度图像处理方案:基于目标的高度特征采用OTSU（最大类间方差法）算法寻找合适的阈值分离目标和背景,提取目标。实验证明该算法能分离出部分目标,但容易丢失小目标;2)点云聚类方案:点云聚类的方法有多种,通过K 均值聚类和 DBSCAN（Densi ty-Based Spatial Clustering of Appl ications with Noise）聚类做对比,实验证明K均值聚类无法将目标与背景分开,DBSCAN密度聚类算法具有明显优越性,能自动分类,并且在多场景中均有较高的检测精度和较快的运行时间。

关键词：铁路侵限检测三维激光雷达点云数据处理三维目标检测

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露天煤矿三维激光雷达运动畸变算法研究

煤炭科学技术 2024年

作者：李慧李敏超崔丽珍马宝良张清宇潘冰冰内蒙古科技大学数智产业学院

近年来，随着我国煤矿业的快速发展，智能化技术的运用越来越广泛。其中，露天煤矿环境的精确定位导航技术研发显得尤为重要。同步定位和地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）作为无人驾驶的关键技术，在露天煤矿... 详细信息

近年来，随着我国煤矿业的快速发展，智能化技术的运用越来越广泛。其中，露天煤矿环境的精确定位导航技术研发显得尤为重要。同步定位和地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）作为无人驾驶的关键技术，在露天煤矿中的应用面临诸多挑战。由于露天煤矿道路周围环境特征点较少，且环境退化严重，SLAM技术需要根据稀疏的特征点进行定位和地图构建，难度较大。此外，由于斜坡和道路不平，传感器易产生抖动，导致机器人运行时的运动畸变问题。针对这些问题，文中提出了一种新的解决方案。首先，对传感器外部参数进行重新标定，采用惯导和激光雷达融合的方式，以增强数据的一致性和准确性。在此基础上，采用全特征点匹配方式，直接对激光雷达采集的数据进行点云降采样提取。通过在算法前端对预处理后的激光点云数据添加迭代最近点（Iterative Closest Point，ICP）匹配提取出关键帧点云X，再结合惯导数据对点云信息进行畸变校正形成点云P，再次通过迭代最近点配准X和P。此外，后端采用因子图加入了回环检测提高约束的方法，进一步提高算法在露天煤矿环境下的定位精度和建图效果。实验结果表明，文中所提算法具有较高的定位精度和完整的建图效果，未产生明显的畸变。侧壁纹理清晰，具有一定的鲁棒性，有效提高了在露天煤矿环境下的鲁棒性和精度。

关键词：露天煤矿三维激光雷达同步定位和建图运动畸变点云匹配

基于三维激光雷达的道路边界提取和障碍物检测算法

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模式识别与人工智能 2020年第4期33卷 353-362页

作者：王灿孔斌杨静王智灵祝辉中国科学院合肥智能机械研究所特种机器人研究室合肥230031 安徽省智能驾驶技术及应用工程实验室合肥230088 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所智能车辆技术研究中心合肥230088

为了快速有效地提取智能车辆在不同环境下的道路环境信息,提出基于三维激光雷达的道路边界提取和障碍物检测算法.首先,对三维激光雷达点云数据进行栅格化滤波处理,利用单束激光点云空间邻域联合分割的方法进行空间分析,得到点云平滑度... 详细信息

为了快速有效地提取智能车辆在不同环境下的道路环境信息,提出基于三维激光雷达的道路边界提取和障碍物检测算法.首先,对三维激光雷达点云数据进行栅格化滤波处理,利用单束激光点云空间邻域联合分割的方法进行空间分析,得到点云平滑度特征图像.然后,采用自适应方向搜索算法获取道路边界候选点,并进行聚类分析和曲线拟合.最后,对道路边界约束下可通行区域内点云进行聚类分割,获得道路内障碍物方位和距离信息.实验表明,文中算法能够实时准确地提取道路边界和障碍物位置信息,满足智能车环境建模和路径规划的需求.

关键词：无人驾驶汽车三维激光雷达道路边界障碍物检测点云处理