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激光三角法测量公式 基于激光三角测距法的激光雷达原理综述

2018年03月09日 来源:激光三角法测量公式 大字体小字体

  目前移动机器人的导航方式主要包括:磁导航、惯性导航和视觉导航,其中视觉导航由于具有信号探测范围广,获取信息完整等优点,是移动机器人导航的一个主要发展方向。目前机器人的SLAM(Simultaneouslocalizationandmapping,同步定位与地图构建)算法中最理想的设备仍旧是激光雷达,机器人通过激光扫描得到所处环境的2D或3D点云,从而可以进行诸如SLAM等定位算法,确定自身在环境当中的位置并创建出所处环境的地图。激光雷达的非接触式测量特点,具有快速、精度高、识别准确等优点,广泛应用于移动机器人视觉系统的距离、角度、位置的测量方面,成为测量研究领域的热点。

  本文主要介绍了激光雷达系统的特点和基本结构,着重讨论了基于激光三角测距法的激光雷达的工作原理,详细论述了二维激光扫描的测量方法,并延伸讨论了三维激光扫描的测量方法及光路结构。

  本发明的目的是克服现有技术中的不足,提供一种能够测量强反射自由曲面物体形状及大倾斜角的表面的多发射单接收激光三角法测头,并且降低了测头的成本,同时还能给出被测点处的表面法线方向。

  由图1可知入射光AO与基线AB的夹角为α,AB为激光器中心与CCD中心的距离,BF为透镜的焦距f,D为被测物体距离基线无穷远处时反射光线在光敏单元上成像的极限位置。DE为光斑在光敏单元上偏离极限位置的位移,记为x。当系统的光路确定后,α、AB与f均为已知参数。由光路图中的几何关系可知△ABO∽△DEB,则有边长关系:

  【关键词】激光雷达激光三角测距法2D/3D激光扫描

  由半导体激光器发射的激光与物体表面法线成一定角度入射到被测物体表面,反(散)射光经B处的透镜汇聚成像,最后被光敏单元采集。

  传统的激光三角法基本原理如图2.4所示,采用直射型,光电探测器采用的是CCD,当散射光通过成像透镜时,如果将CCD以垂直于激光束入射的位置进行安装耦合,则成像到CCD上的光点会由于没有完全聚焦而出现弥散斑,测量并不完全。

  其中CellSize是光敏单元上单个像素的尺寸,DeviationValue是通过像素点计算的投影距离和实际投影距离x的偏差量。当被测物体与基线AB产生相对位移时,x改变为x,由以上条件可得被测物体运动距离y为

  在确定系统的光路时,可将CCD位置传感器的一个轴与基线AB平行(假设为y轴),则由通过算法得到的激光光点像素坐标为(Px,Py)可得到x的值为:

  如图2所示,当激光光束垂直入射被测物体表面,即入射光线与被测物体表面法线共线时,为直射式激光三角法。

  激光雷达LiDAR(LightDetectionandRanging),是激光探测及测距系统的统称,是一种通过位置、距离、角度等测量数据直接获取对象表面点三维坐标,实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。激光雷达最基本的工作原理与普通雷达相似,均是通过发射系统发送一个信号,由接收系统收集并处理与目标作用产生的返回信号,来获得对象表面的三维信息。目前激光雷达的测量原理主要分为脉冲法,相干光法和三角法三种,本文主要讨论基于激光三角测距法的激光雷达系统的工作原理。

  2.2.2直射式激光三角测距法

  激光雷达相比于传统接触式测量具有快速、不接触、精度高等优点,同时该技术受成像条件影响小,反应时间短,自动化程度高,对测量对象表面的纹理信息要求低。

  2.1激光雷达系统的特点及应用前景

  2.2激光三角测距法的基本原理

  2.2.1斜射式激光三角测距法

  2激光雷达基本理论

  用一束激光以一定的入射角度照射被测物体,激光在物体表面发生反射和散射,在另一角度利用透镜对反射激光汇聚成像,光斑成像在CCD(Charge-coupledDevice,感光耦合组件)位置传感器上。当被测物体沿激光方向发生移动时,位置传感器上的光斑将产生移动,其位移大小对应被测物体的移动距离,因此可通过算法设计,由光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形,对光斑位移的计算运用了几何三角定理,故该测量法称为激光三角测距法。

  摘要

  1引言

  按入射光束与被测物体表面法线的角度关系,一般可分为斜射式和直射式两种测距方式。

  在激光雷达应用的主要测量原理中,脉冲法和相干光法对激光雷达的硬件要求高,但测量精度比激光三角法要高得多,故多用于军事领域。相比于此,激光三角测距法因其成本低,精度满足大部分工业及民用要求,得以受到关注。

  由光路图,仿照斜射式激光三角测距法的结论可知:

  当光路系统中,激光入射光束与被测物体表面法线夹角小于90°时,该入射方式即为斜射式。如图1所示的光路图为激光三角法斜射式光路图。

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