牛场牛粪清理机器人系统中激光雷达三维环境重构的设计与应用

发布时间：2020-05-13 04:15

【摘要】：本论文是针对于牛场牛粪清理机器人系统项目中的激光雷达三维环境重构的设计,主要内容是将激光雷达RPLIDAR A3 M1采集的二维点云转化为三维数据从而实现重构,进而为机器人提供前方障碍物信息。针对该设计需求,论文从数据采集及预处理、多角度点云配准、三维重建三个方面,建立了一套完整的三维环境重构的理论体系。本文主要完成了如下任务:(1)点云数据采集及预处理。由于本设计用到的是二维激光雷达,所以设计了一款自动旋转云台来辅助激光雷达采集三维点云数据。采集到的点云数据利用欧几里得算法将不同区域的点云分离开实现感兴趣区域的提取、利用邻域搜索算法kd-tree移除离群噪声点,利用最小距离方法完成点云精简。(2)多角度点云配准。为完成物体的完整重构,本设计运用四个激光雷达对物体进行多角度扫描。首先,计算点云数据配准中使用的点云曲面的特征量,包括法向量和曲率;其次,将点云配准分为初始配准和ICP精确配准两个步骤,以将多个视角下的点云匹配到同一个坐标系中。(3)三维重构。经过采集、预处理和配准后的点云数据没有拓扑关系,也没有关于面和边的信息,因此有必要重建点云之间的拓扑关系。曲面重建的过程是通过三维点云数据拟合形成最终闭合曲面。本文设计运用当前流行的BPA算法进行曲面重构实验并给出最终效果图。最后,对本设计如何应用到“标准化牛场的牛粪清理装置研发”项目中进行了详细说明。项目中可将两个二维激光雷达与旋转云台搭载在dashgo机器人平台之上进行三维环境重构,从而获得机器人前方的障碍物信息,包括障碍物的大小和形状以及多个障碍物之间的距离,最终使机器人在拾捡牛粪的过程中能够有效避障,为项目的开发提供有效支撑。
【图文】：

激光雷达,二维,公司,扫描频率

图２－１邋ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１激光雷达逡逑ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１激光雷达，它是ＳＬＡＭＴＥＣ公司开发的，新一代二维激光雷达，采样能力逡逑高达每秒１６０００次。实物如图２－１所示。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１是二维激光测距雷达的增强版本，可在２５米半径的二维平面上进行３６０逡逑度激光测距扫描，并生成所在空间的点云数据信息。与其他系列激光雷达相比，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑测距性能更稳定，支持两种工作模式：增强模式和室外模式。在增强模式下，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑的测距范围和采样频率可以达到最大值，以实现最理想的室内测距效果；在室外模式下，逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ】具有更高的承受环境光干扰能力。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１的典型扫描频率为１０Ｈｚ邋（６００ｒｐｍ），扫描频率可根据用户要求在５－２０ＨＺ逡逑范围内任意调节。在１０Ｈｚ的扫描频率下，１６ｋＨｚ的采样频率可以实现０．２２５°的角度分辨率（即逡逑Ｉｓ扫】０周，并采集１６０００个点，平均每０．２２５°采集一个点）。逡逑（２）逦ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３激光雷达构成与连接逡逑ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１主要由激光测距核心、供电及机械、通讯与供电接口三部分组成

系统构成,工作原理,示意图,激光雷达

宁夏大学硕士学位论文逦第二章激光雷达三维扫描系统的构成逡逑图２－１邋ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１激光雷达逡逑ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１激光雷达，它是ＳＬＡＭＴＥＣ公司开发的，新一代二维激光雷达，采样能力逡逑高达每秒１６０００次。实物如图２－１所示。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１是二维激光测距雷达的增强版本，可在２５米半径的二维平面上进行３６０逡逑度激光测距扫描，并生成所在空间的点云数据信息。与其他系列激光雷达相比，，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑测距性能更稳定，支持两种工作模式：增强模式和室外模式。在增强模式下，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑的测距范围和采样频率可以达到最大值，以实现最理想的室内测距效果；在室外模式下，逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ】具有更高的承受环境光干扰能力。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１的典型扫描频率为１０Ｈｚ邋（６００ｒｐｍ），扫描频率可根据用户要求在５－２０ＨＺ逡逑范围内任意调节。在１０Ｈｚ的扫描频率下，１６ｋＨｚ的采样频率可以实现０．２２５°的角度分辨率（即逡逑Ｉｓ扫】０周
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;S817.3;TN958.98

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