隧道內飛行器的三維激光掃描和自動避障作者：胡威【摘要】：本文介紹了三維激光掃描的所需器件以及工作原理，數據處理的算法，并結合matlab軟件實時繪制模擬的隧道內部結構示意圖。以及根據此算法改進設計的自動避障算法的原理，實現過程和誤差分析。【關鍵字】：三維激光掃描脈沖測距法自動避障本文分為以下幾個部分：三維激光掃描的器材及基本原理點云數據的處理方法及實時圖像的繪制自動避障算法的設計與實現誤差分析【三維激光掃描的器材及基本原理】三維激光掃描系統主要由三維激光掃描儀，計算機，電源供應系統，支架以及系統配套的數據處理軟件構成。其中三維激光掃描儀座位該系統的主要組成部分之一，由激光發射器，接收器，時間計數器，馬達控制可旋轉的濾光鏡，控制電路板，微電腦，CCD相機以及相應軟件等組成。激光測距技術是三維激光掃描儀的主要技術之一，激光測距的原理主要有基于脈沖測距法，相位測距法，激光三角法，脈沖-相位式測距法四種類型。目前，測繪領域所使用的儀器是基于脈沖測距法，本文的測量算法也是根據脈沖測距法設計的。這里所采用的脈沖測距法是一種高速激光測試測距技術。脈沖式掃描儀在掃描時發射出單點的激光。記錄激光的回波信號。通過計算激光的飛行時間，來計算目標點和掃描儀之間的距離，這種測距系統的測距范圍可以達到幾百米到上千米。激光測距系統主要由發射器，接收器，時間計數器，微電腦組成。掃描儀成像方式上，現有三種類型：（1） 全景掃描式：采用一個縱向旋轉棱鏡引導激光光束在豎直方向上掃描，同時利用伺服馬達驅動儀器繞其中心軸旋轉。（2） 相機掃描式：與攝影測量的相機相似，不具有全景式的拍攝特點，適用于室外物體掃描，特別是對長距離的掃描很有優勢。（3） 混合式掃描式：它的水平軸系統不受任何限制，垂直旋轉受鏡面的局限，集成了上述兩種類型的優點。故而這里采用混合掃描式成像方法。【點云數據的處理方法及實時圖像的繪制】掃描工作開始時，先安置儀器，電源，對于掃描控制和數據存儲采用筆記本電腦的分體式掃描儀，需要將數據傳輸的部件連接完整。在確認儀器安置無誤后，可以打開儀器開關電源，是儀器參數設置，主要包括工程文件名，文件存儲位置，掃描范圍，分辨率，標靶類型，精度相關參數的設置等等。確認參數設置正確后，可以執行掃描工作。儀器在掃描過程中會有掃描過程的顯示，實時返回數據，可以及時地檢查和處理數據，儀器會自動避障或者是人工控制令其返回。根據脈沖測距法的原理以及混合式掃描成像方式的特點，返回的數據應為所設定的精度之下的每個單點激光從發射到接收的時間，取光速3x108m/s，所以返回時間取微秒(Hs)為單位。之前所設定的精度，即當前進軸固定時全景式掃描所返回的數據個數，個數越多則精度越高。前進軸的步長，即每次全景掃描返回數據結束時飛行器前行到下一個全景掃描站點之間的距離，取米(刀)為單位。利用Matlab軟件對返回數據處理的代碼如下：(前進軸的步長由儀器參數設置，下面默認為0.02米，每5個步長返回一組數據t)functionr=test(t,n) %七為5行n列矩陣，以微秒為單位，n代表第n次飛行器返回數據s=300火t/2;r=1;k=length(s(1,:));fork1=1:kx(k1)=0.1*(n-1);endfori=1:5ifs(i,k)==inffork2=1:k-1ifs(i,k2)~=infs(i,k)=s(i,k2);breakendendendendfori=1:5forj=1:kifs(i,j)==inf %因黑體效應，反射等造成的無法接受反射激光信號forcircle=j+1:kifs(i,circle)~=infs(i,j)=s(i,circle);bre%默認取值為后面第一個能接受的返回信號以減小誤差endendendifs(i,j)<0.3 %0.3米大約是飛行器能正常伸展的最小距離r=0; %r=0代表飛行器的位置此時需要做出調整，r=1則可以繼續工作breakendendendifr==1threta=linspace(0,2*pi,k);forcircle2=1:5y(circle2,:)=s(circle2,:).*cos(threta)z(circle2,:)=s(circle2,:).*sin(threta)endforcircle3=1:5plot3(x',y(circle3,:),z(circle3,:))holdonx=x+0.02endends下面給出一組測試數據及結果：在命令框里輸入：test([11111inf;2inf2222;333333;inf45444;555555],1)返回值：y=150.000046.3525-121.3525-121.352546.3525150.0000300.000092.7051-242.7051-242.705192.7051300.0000450.0000139.0576-364.0576-364.0576139.0576450.0000600.0000185.4102-606.7627-485.4102185.4102600.0000750.0000231.7627-606.7627-606.7627231.7627750.0000z=0142.658588.1678-88.1678-142.6585-0.00000285.3170176.3356-176.3356-285.3170-0.00000427.9754264.5034-264.5034-427.9754-0.00000570.6339440.8389-352.6712-570.6339-0.00000713.2924440.8389-440.8389-713.2924-0.0000s=150150150150150150300300300300300300450450450450450450600600750600600600750750750750750750ans=1（代表r的取值）繪制圖像為：此程序展示了在所設置的前進軸步長和全景掃描精度之下的隧道內部結構示意圖，單位為米。通過實時返回數據，每5個為一組可以將完整的圖像顯示出來。【自動避障算法的設計】根據上文中的matlab中的程序可知，r=0時即終止掃描并開始調整飛行器的位置直到滿足掃描的條件，下面給出兩種解決方案：（1） 根據最近的一次掃描成像處理后的點云數據，確定垂直于前進軸的隧道內部平面的幾何中心，然后將飛行器定位到該位置處繼續掃描工作。（2） 如若隧道內部結構為紡錘形即幾何中心處掃描的返回結果r=0，則退而求其次選擇距離幾何中心最近且能夠使得r=1的位置。【誤差分析】掃描測量的誤差來源與分析如下：（1） 角度測量誤差：與傳統的經緯儀相似，三維激光掃描儀的軸系也必須滿足以下條件：水平軸（前進軸，也是第一旋轉軸）應垂直于視準軸（激光束的發射與接收軸）水平軸應垂直于垂直軸（第二旋轉軸），垂直軸應該鉛直，且當視準軸水平時，垂直度盤的度數應為90度，即初始時三軸兩兩垂直。視準軸，水平軸，垂直軸相交于儀器中心。所以，角度誤差可分為：垂直度盤指標差，視準軸誤差和偏心差（即三線不重合于儀器中心點）（2） 距離測量誤差：脈沖式測距法的誤差主要是加常數誤差（激光束的發射點和接收點到儀器中心的常數的測量誤差），和比例改正誤差（即儀器的基準頻率偏離設定值時，測距結果和所