基于二维激光雷达的三维测距系统设计与实现
摘要：三维扫描激光雷达的优点在于能够快速准确地获取环境的三维几何信息，但同时它高昂的价格也大大限制了它的应用范围，设计了一个快速三维测距雷达系统，并为其内在参数做了标定，系统主要由一个二维激光雷达、一个步进电机驱动的俯仰机械装置及其相关控制单元构成。专门设计的高速数据通讯卡实现激光雷达数据的高速传输，保证系统能工作在高速采样状态，对几个主要的内在参数做了分析，并采用最小误差平方和方法对系统做了标定。是一种系统扫描速度越快精度越高，以低成本获得高质量三维数据的有效实现手段。
关键词：串口通信 激光雷达 单片机 步进电机及械装置
1．研究目的及意义
随着现代化的深入，我国“工业4.0人工智能”成为一大重点，工业4.0强调的就是自动化和信息化不断融合的过程，人类的大部分体力劳动和脑力劳动都将被机器和人工智能所取代，如今激光雷达以其测距速度快，精度高，获取信息直观等优点在军事、航空和民用等领域得到了越来越多的应用。在智能移动机器人的研究中，激光雷达更是和CCD摄像机、超声传感器等一起成为机器人必不可少的外部环境感知传感器之一，激光雷达又分为二维和三维，其中，由于三维激光雷达能直接快速获取环境的三维信息，因此在包括复杂地形机器人导航、工程测量等领域具有更大的应用价值。不过，由于三维激光雷达的装置复杂度高，价格也比二维激光雷达高出十多倍，高昂的价格限制了它的进一步应用[1][2]。那么该课题研究基于二维激光雷达的三维测距系统，就是采用步进电机实现激光雷达扫描平面转动，以较低成本获得高质量三维数据[3][4]。
2.国内外研究概况
2.1．国外研究情况
对激光雷达系统的研究起步较早，并取得了不小的进展。三维激光雷达则在二维扫描的同时还能转动扫描。如德国SICK公司生产的LMS系统2D雷达和奥地利RIEGL公司生产的RIEGL系列远距三维雷达，和二维激光雷达相比，由于三维激光雷达能直接快速获取环境的三维信息，因此在包括复杂地形机器人导航、工程测量等领域具有更大的应用价值。不过，由于三维激光雷达的装置复杂度高，价格也比二维激光雷达高出十多倍[5][6]。三维激光雷达高昂的价格限制了它的进一步应用。近年来，为了满足科研和实验的需要，国外有些大学采取了改装或组合二维激光雷达以获得三维采样功能的方法，如卡内基梅隆大学(CMU)和德国的自主智能系统研究所(AIS)都采用了将二维激光雷达增加一维扫描装置的方法实现三维测量，而日本东京大学的Zhao等人则运用安装在机器人上的两个二维激光雷达分别获得扫描位置和扫描信息，然后加以融合的方法获得环境的三维信息[7][8][9]。
2.2．国内研究情况
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