簡(jiǎn)直牛！不看就虧大了——3D激光雷達(dá)完美設(shè)計(jì)（制作原理、步驟、源碼&原理圖全部開源）

2017/02/27

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前言：

說起來，該3D激光掃描測(cè)距儀(3D激光雷達(dá))就核心設(shè)計(jì)原理來而言，應(yīng)該在激光鍵盤（https://www.cirmall.com/circuit/2978/detail?3）設(shè)計(jì)項(xiàng)目之后?，F(xiàn)在給大伙講講3D掃描測(cè)距儀的相關(guān)原理和制作細(xì)節(jié)。請(qǐng)耐心讀完，方可吸收其中的精華。

在開始介紹原理前，先給出一些掃描得到的3D模型以及演示視頻，給大家一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)

掃描得到的房間一角：

掃描的我

掃描儀實(shí)物

激光三角測(cè)距原理這里統(tǒng)一列出他們的參數(shù)：

攝像頭：VGA畫質(zhì)的USB攝像頭，30fps (市面普遍可以購買的型號(hào))。非廣角
激光器：50mW 紅外一字線激光 808nm
濾光片：10mm直徑紅外低通濾光片
舵機(jī)：HS-322hd 43g標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)

本文結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單介紹了激光雷達(dá)產(chǎn)品的現(xiàn)狀：

線狀激光進(jìn)行截面測(cè)距原理
3D激光掃描儀的制作考慮
參考文獻(xiàn)

簡(jiǎn)介-激光掃描儀/雷達(dá)：

這里所說的激光掃描測(cè)距儀的實(shí)質(zhì)就是3D激光雷達(dá)。如上面視頻中展現(xiàn)的那樣，掃描儀可以獲取各轉(zhuǎn)角情況下目標(biāo)物體掃描截面到掃描儀的距離，由于這類數(shù)據(jù)在可視化后看起來像是由很多小點(diǎn)組成的云團(tuán)，因此常被稱之為：點(diǎn)云(Point Clould)。在獲得掃描的點(diǎn)云后，可以在計(jì)算機(jī)中重現(xiàn)掃描物體/場(chǎng)景的三維信息。

這類設(shè)備往往用于如下幾個(gè)方面：

機(jī)器人定位導(dǎo)航

目前機(jī)器人的SLAM算法中最理想的設(shè)備仍舊是激光雷達(dá)(雖然目前可以使用kinect，但他無法再室外使用且精度相對(duì)較低)。機(jī)器人通過激光掃描得到的所處環(huán)境的2D/3D點(diǎn)云，從而可以進(jìn)行諸如SLAM等定位算法。確定自身在環(huán)境當(dāng)中的位置以及同時(shí)創(chuàng)建出所處環(huán)境的地圖。這也是我制作他的主要目的之一。
零部件和物體的3D模型重建
地圖測(cè)繪

現(xiàn)狀：

目前市面上單點(diǎn)的激光測(cè)距儀已經(jīng)比較常見，并且價(jià)格也相對(duì)低廉。但是它只能測(cè)量目標(biāo)上特定點(diǎn)的距離。當(dāng)然，如果將這類測(cè)距儀安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)掃描一周，就變成了2D激光雷達(dá) （LIDAR）。相比激光測(cè)距儀，市面上激光雷達(dá)產(chǎn)品的價(jià)格就要高許多：

Hokuyo 2D激光雷達(dá)截圖：

上圖為Hokuyo這家公司生產(chǎn)的2D激光雷達(dá)產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的售價(jià)都是上萬元的水平。其昂貴的原因之一在于他們往往采用了高速的光學(xué)振鏡進(jìn)行大角度范圍(180-270)的激光掃描，并且測(cè)距使用了計(jì)算發(fā)射/反射激光束相位差的手段進(jìn)行。當(dāng)然他們的性能也是很強(qiáng)的，一般掃描的頻率都在10Hz以上，精度也在幾個(gè)毫米的級(jí)別。

2D激光雷達(dá)使用單束點(diǎn)狀激光進(jìn)行掃描，因此只能采集一個(gè)截面的距離信息。如果要測(cè)量3D的數(shù)據(jù) ，就需要使用如下2種方式進(jìn)行擴(kuò)充：

采用線狀激光器
使用一個(gè)2D激光雷達(dá)掃描，同時(shí)在另一個(gè)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。從而掃描出3D信息。

說明：

第一種方式是改變激光器的輸出模式，由原先的一個(gè)點(diǎn)變成一條線型光。掃描儀通過測(cè)量這束線型光在待測(cè)目標(biāo)物體上的反射從而一次性獲得一個(gè)掃描截面的數(shù)據(jù)。這樣做的好處是掃描速度可以很快，精度也比較高。但缺點(diǎn)是由于激光變成了一條線段，其亮度(強(qiáng)度)將隨著距離大幅衰減，因此測(cè)距范圍很有限。對(duì)于近距離(<10m)的測(cè)距掃描而言，這種方式還是很有效并且極具性價(jià)比的，本文介紹的激光雷達(dá)也使用這種方式，

對(duì)于第二種方式，優(yōu)點(diǎn)是可以很容易用2D激光雷達(dá)進(jìn)行改造，相對(duì)第一種做法來說，他在相同的激光器輸出功率下掃描距離更遠(yuǎn)。當(dāng)然，由于需要控制額外自由度的轉(zhuǎn)軸，其誤差可能較大，同時(shí)掃描速度也略低。

這類激光雷達(dá)產(chǎn)品目前在各類實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中出現(xiàn)的比較多，但對(duì)于個(gè)人愛好著或者家用設(shè)備中，他們的價(jià)格實(shí)在是太高了。當(dāng)然，目前也有了一個(gè)替代方案，那就是kinect，不過他的成像分辨率和測(cè)距精度相比激光雷達(dá)而言低了不少，同時(shí)無法在室外使用。

低成本的方案

造成激光雷達(dá)設(shè)備高成本的因素為

使用測(cè)量激光相位差/傳播時(shí)間差測(cè)距
高速振鏡的高成本
矯正算法和矯正人工成本

對(duì)于個(gè)人DIY而言，第三個(gè)因素可以排除，所謂知識(shí)就是力量這里就能體現(xiàn)了:-) 對(duì)于前2個(gè)因素，如果要實(shí)現(xiàn)完全一樣的精度和性能，那恐怕成本是無法降低的。但是，如果我們對(duì)精度、性能要求稍微降低，那么成本將可以大幅的下降。

首先要明確的是投入的物料成本與能達(dá)成的性能之間并非線型比例的關(guān)系，當(dāng)對(duì)性能要求下降到一定水平后，成本將大幅下降。對(duì)于第一個(gè)因素，可以使用本文將介紹的三角測(cè)距方式來進(jìn)行。而對(duì)于掃錨用振鏡，則可以使用普通的電機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光器來替代。

本文介紹的低成本3D激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了如下的成本/性能：

成本：~￥150

測(cè)量范圍：最遠(yuǎn)6m

測(cè)量精度：（測(cè)量距離與實(shí)際距離的誤差）最遠(yuǎn)6m出最大80mm誤差，近距離(<1m)，誤差水平在 5mm以內(nèi)

掃描范圍：180度

掃描速度：30 samples/sec (比如以1度角度增量掃描180度，耗時(shí)6秒)

對(duì)于精度而言，這個(gè)低成本方案足以超過kinect，不過掃描速度比較慢，但是對(duì)于一般業(yè)余用途而言已經(jīng)足夠。不過，該掃描速度是很容易提升的，本文將在分析其制約因素后介紹提高掃描速度的方法。

原理和算法：https://www.csksoft.net/blog/post/lowcost_3d_laser_...