基于激光测距的移动机器人3d环境感知系统设计

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1、高技术通讯2005年9月第15卷第9期基于激光测距的移动机器人3-D环境感知系统设计!邹小兵!蔡自兴于金霞孙国荣（中南大学信息科学与工程学院长沙410083）摘要采用2-D扫描的激光测距传感器与精密转动云台设计并实现了非结构化环境下的移动机器人感知系统，通过传感器平台俯仰与水平的转动实现了3-D环境感知。针对噪声干扰提出了一种动态自适应滤波器，通过时间与空间上相邻测量值的分析实现了实时动态的滤波。在3-D环境的地形重建过程中，结合中值滤波器与高斯滤波器实现了高度图的平滑与插补。通过地形平坦性分析判断移动机器人的可行区域与障碍区域，从而为移动机器人导航过程中的环境建模与路径规划提供了支持。关键词

2、移动机器人，激光测距，高度图，滤波，地形平坦性分析噪声产生原因，提出动态自适应滤波器（dynamic0引言adaptivefilter，DAF），通过时间与空间上相邻测量值的分析实现实时动态滤波。在3-D环境的地形重建距离检测是移动机器人障碍测定的一个关键问过程中，结合中值滤波器与高斯滤波器实现高度图题。障碍距离检测通常采用立体视觉、微波雷达、超的平滑与插补。在导航过程中，通过地形平坦性分［1-4］声波传感器、红外传感器、激光测距系统等。长析判断移动机器人的可行区域与障碍区域。本系统期以来，缺乏针对三维环境的必要探测手段。多目的研制，可以为移动机器人在复杂的3-D环境下进计算机视觉在三维建模过

3、程中，易受到光照、分辨行环境感知与路径规划提供支持。［4］率、焦距调节、关注点选择等多种因素的影响。近年来激光测距技术的发展，尤其是在此基础上形成1激光雷达感知系统的结构的激光雷达三维成像技术，能够有效地解决用视觉技术获得深度信息的难题。激光测距系统包括单点德国SICK公司生产的LMS291型二维测距激光的测距传感器、在平面上进行线扫描的2-D激光雷雷达采用飞行时间测距（timeOfflight：TOF），其工作达［5-7］以及能够对一个区域进行面扫描的3-D激光原理见图1［11，12］。［8-10］雷达。在结构化的运行环境中，激光雷达通常被水平安置在移动机器人的某个高度上实现在2-D［7］平

4、面上的障碍检测。在非结构化环境中，由于可能存在不同高度的障碍物，因此需要激光雷达能够实现面扫描的功能。但是目前能够进行3-D环境测量的激光雷达系统还很昂贵，而且体积、重量都还不适合在一般移动机器人上应用。图1LMS291激光测距原理本文设计并实现了一个以激光测距传感器、精密转动云台相结合的3-D环境测量与分析系统。激激光器发射的激光脉冲经过分光器后，分为2光雷达采用德国SICK公司生产的LMS291，设计了路。一路进入接受器，另一路则由反射镜面发射到两个高精密的电控转台，以实现水平与俯仰方向的被测物体表面，反射光也经由反射镜到达接受器。精确转动，从而可以利用2-D激光测距仪实现3-D发射光与反

5、射光的频率完全相同，通过测量发射脉环境中的障碍检测。本文分析了系统误差与传感器"国家自然科学基金（60234030）资助项目。!男，1969生，博士生；研究方向为智能控制理论与应用，机器人技术等；联系人，E-mail：csutzxb@263.net（收稿日期：2005-01-04）—38—邹小兵等：基于激光测距的移动机器人3-D环境感知系统设计冲与反射脉冲之间的时间间隔并与光速的乘积来测RS422接口实现500K波特率下的通讯。一块基于［l2］定被测物的距离。LMS29l的反射镜转动速度为ISA插槽的步进电机控制卡PCL839对传感器云台4500rpm，即每秒旋转75次。由于反射镜的转动，激的

6、水平与俯仰转动进行控制。光雷达得以在一个角度范围内获得线扫描的测距数激光雷达可以设置为连续扫描与指令触发扫描据。两种模式。激光雷达采用l80/0.5模式，每个测量激光脉冲的能量在时间上高度集中，可用于漫数据为2个字节，包含起始码与校验码的数据包长反射的非合作目标测距。由于激光输出可产生极窄度为732个字节。在500K波特率的通讯速率下，传的脉冲，因此测距可以达到很高的精度。LMS29l对输延迟时间约为l3ms，激光雷达的扫描时间为物体移动距离的最小分辨率为l0mm位移，可以采26.67ms，因此采用40ms的监控周期启动激光雷达用l/0.5/0.25等3种扫描角解析度模式。扫描角的扫描。此时激

7、光雷达的扫描频率约为25hz，即每度范围为l80（采用解析度为l/0.5）和l00（采用秒可以获得25X36l=9025个测量点的数据。解析度为0.25）。当采用l扫描角解析度模式时，2基于测距信息的3-D地形重建一次扫描的周期为l3.33ms。采用0.5解析度模式时，通过0.5相位差的2次扫描得到36l个测量数通过3-D地形重建，不仅能够直观地观测移动据。因此，采用0.5模式时完成一次扫描的时间