[发明专利]一种基于三维点云数据获取装置的三维点云数据坐标转化方法

说明书

本发明公开一种利用二维激光扫描仪的三维点云数据获取装置及方法，给出了激光点云数据从二维到三维的坐标转化方法。分析了由于传感器工作模式差异、硬件工艺水平等因素对转化过程的影响，并给出了相应的解决方法：通过Kalman滤波来逼近转台的真实速度；修正了串口数据的获取时间；补偿了一个周期内的激光点的角度变化量；推算出激光扫描仪在水平轴及纵轴的角度、位置偏差。实验表明，利用旋转平台进行静态三维激光扫描时，可以准确的获取空间的三维点云结构。当进行移动扫描时，由于其体积相对轻便，在获得三维数据的同时，通过数据的配准可获得移动平台的位置，实现了地图的同步获取与定位。

技术领域

本发明涉及2D激光测距传感器实现3D建图技术领域，具体涉及一种基于三维点云数据获取装置的三维点云数据坐标转化方法。

背景技术

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。如velodyne HDL-64E(售价约30万RMB)，ibeo Scala laser(售价约20万RMB)。

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[1-2]。基于2D激光测距传感器实现3D建图是一种低成本3D建图方案，同时也是一种可以实现360度全方向3D建图的最佳方案，在室内和封闭空间的3D测量应用领域具有极高的实用意义和商业价值。因此，业内亟待开发出一种能改变2D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。

目前基于2D激光测距传感器实现3D建图主要有两种运动模式，一种是180度摆动的模式，一种是连续旋转的模式。两种模式的目的都是为了将2D测量面进行旋转得到3D测量空间。

第一种模式，180度摆动模式，需要将激光器安装在一个可以180度范围内左右摆动的装置上，以1Hz的频率摆动。这种运动模式简单容易实现，但是两个端点位置的加减速运动导致了整体转动速度不均匀，影响2D到3D的坐标变换关系，且摆动的惯性震荡对激光器有一定损伤，降低了设备的使用寿命。

第二种模式，连续旋转模式，是将激光器安装在一个可以连续单方向旋转的装置上，转动速度保持恒定，有利于计算插值出精确的位置关系，从而得到更精确的2D到3D变换关系。且连续旋转的惯性方向恒定，对激光器没有震荡损伤。

张几等实现了以上两种模式的激光扫描技术，并公开了其利用激光点云数据进行三维地图构建的相关代码[3]。M.Bosse等人设计了利用弹簧弹力进行摆动扫描的设备，叫做Zebedee，该设备集成了二维激光扫描仪和惯性导航设备[4].德国的3D LASERSCAN公司同样实现了以上两种模式，并基于此技术实现了产品的商业化[5]。然而他们的文献中均没有介绍激光点云数据在进行配准构图前的2D到3D的坐标变换方法。

[1]M.Kaess,H.Johannsson,R.Roberts,V.Ila,J.Leonard,and F.Dellaert,“iSAM2:Incremental smoothing and mapping using the bayes tree,”TheInternational Journal of Robotics Research,vol.31,pp.217–236,2012.

[2]R.Zlot and M.Bosse,“Efficient large-scale 3D mobile mapping andsurface reconstruction of an underground mine,”in The 7th InternationalConference on Field and Service Robots,Matsushima,Japan,July 2012.