基于平面多目標(biāo)光學(xué)定位

藍(lán)昭博++王洪源++陳慕羿++付垚++湯秋艷

摘要：將多個(gè)激光雷達(dá)依照一定的擺放順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面物體的位置確定。通過(guò)三角定位原理，利用激光雷達(dá)對(duì)平面上的物體進(jìn)行固定頻率掃描，獲得時(shí)間組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與windows平臺(tái)的連通，通過(guò)frame_grabber與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通過(guò)Matlab軟件對(duì)得到的實(shí)踐組坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合處理，以此得到物體在平面上的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)。

關(guān)鍵詞：多目標(biāo)；激光雷達(dá)；三角定位；坐標(biāo)處理

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）30-0251-02

1 平面多目標(biāo)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)測(cè)距是在平面底角擺放激光雷達(dá)傳感器，平面放置物體，傳感器以固定頻率旋轉(zhuǎn)發(fā)射激光打在物體上，接受反射回來(lái)的激光，可根據(jù)傳感器與平面角度和反射時(shí)間得到一組位置時(shí)間數(shù)據(jù)，通過(guò)算法和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就可以確定該物體在平面的相對(duì)位置。對(duì)于多目標(biāo)的定位，我們采取使用兩個(gè)激光傳感器，根據(jù)兩個(gè)傳感器分別打在物體上，從而依靠對(duì)同一物體的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而得到物體準(zhǔn)確的位置信息，也避免物體間相互遮擋從而導(dǎo)致的物體定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題。定位系統(tǒng)平面圖如圖1所示。

圖1 平面多目標(biāo)定位系統(tǒng)平面圖

以對(duì)角線方式擺放的雙激光雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)了當(dāng)物體間發(fā)生遮擋時(shí)，物體最少會(huì)被掃描一次，從而得到一組時(shí)間和位置數(shù)據(jù)。不會(huì)因?yàn)檎趽醵鴮?dǎo)致物體無(wú)法被掃描的情況發(fā)生。

近距離平面多目標(biāo)定位系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，PC端、激光雷達(dá)傳感器。激光雷達(dá)設(shè)備主要負(fù)責(zé)對(duì)平面內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)物體進(jìn)行掃描，在同一時(shí)間得到同一物體的兩組位置數(shù)據(jù)，根據(jù)激光雷達(dá)的SDK與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連通。而計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)接收，以及對(duì)接受數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合、平滑處理等操作。

2 相關(guān)算法和原理

激光三角測(cè)距原理：激光的三角測(cè)距原理是就是讓一束激光經(jīng)過(guò)發(fā)射源照射到被測(cè)物體表面上，物體表面散射的光線通過(guò)接收器匯聚到高分辨率的光電檢測(cè)器上，形成一個(gè)散射光斑，該散射光斑的中心位置由傳感器與被測(cè)物體表面之間的距離決定，而光電檢測(cè)器件輸出的電信號(hào)與光斑中心位置有關(guān)。因此，通過(guò)對(duì)光電檢測(cè)器件輸出電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，就可以獲得傳感器與被測(cè)物體表面距離的信息。如圖2所示，就是激光雷達(dá)三角測(cè)距原理圖。根據(jù)圖顯示，若假設(shè)發(fā)射源和接收器間的距離為Y，移動(dòng)前發(fā)射源與被測(cè)物體的距離為X1，移動(dòng)后發(fā)射源與被測(cè)物體距離為X2，根據(jù)公式1所示，就可以計(jì)算出被測(cè)物體的位置。

三角交匯定位原理：該方法利用傳感器測(cè)得被測(cè)目標(biāo)與傳感器間的方位信息進(jìn)行三角交匯，從而測(cè)得目標(biāo)位置方法原理圖如圖3所示。

設(shè)被測(cè)目標(biāo)T的坐標(biāo)為（x，y），平面兩條邊作為直角坐標(biāo)系的X軸和Y軸，傳感器1放在坐標(biāo)為（x1，y1），傳感器2放置在坐標(biāo)為（x2，y2）。傳感器1測(cè)得與目標(biāo)物體的距離用r1表示，傳感器2測(cè)得與目標(biāo)的距離用r2表示。如下公式（2）可得：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

如表1顯示，數(shù)值和實(shí)際距離為10：1厘米。傳感器1和傳感器2下屬的“測(cè)算位置”表示單個(gè)傳感器測(cè)量的目標(biāo)位置坐標(biāo)。融合位置代表兩傳感器依靠三角交匯原理所測(cè)算出的位置坐標(biāo)。三角交匯原理分為三種情況。第一種，由于圓心距離大于兩圓半徑和時(shí)，兩圓相離。即兩傳感器測(cè)出的距離和小于兩傳感器距離時(shí)，無(wú)法測(cè)算目標(biāo)位置，也就是表明測(cè)算距離有誤，需重新測(cè)量，如表1位置1、位置3、位置6數(shù)據(jù)所示。第二種，當(dāng)物體間發(fā)生遮擋，單個(gè)目標(biāo)無(wú)法被兩個(gè)傳感器同時(shí)掃描到時(shí)，可依據(jù)單個(gè)傳感器定位原理進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)算，如表1位置4、位置7數(shù)據(jù)所示。第三種，當(dāng)傳感器測(cè)算距離無(wú)誤且不發(fā)生遮擋時(shí)，可以正確估算目標(biāo)位置坐標(biāo)，如表1位置2、位置5、位置8、位置9數(shù)據(jù)所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用激光傳感器可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)近距離目標(biāo)位置信息的獲取，在軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和操作?？梢栽诙喾N途徑對(duì)位置信息進(jìn)行應(yīng)用，比如游戲軟件的人物定位等。在實(shí)際生活中有廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張志涌.精通MATLAB 6.5版[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[2] 王德志.激光雷達(dá)原理[J].科協(xié)論壇，2008（5）.

[3] 李清泉.李必軍.陳靜.激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（5）.

[4] 吳劍鋒.王文.陳子辰.激光三角法測(cè)量誤差分析與精度提高研究[J].機(jī)電工程，2003（5）.