【摘要】：本論文是針對于牛場牛糞清理機(jī)器人系統(tǒng)項(xiàng)目中的激光雷達(dá)三維環(huán)境重構(gòu)的設(shè)計(jì),主要內(nèi)容是將激光雷達(dá)RPLIDAR A3 M1采集的二維點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)重構(gòu),進(jìn)而為機(jī)器人提供前方障礙物信息。針對該設(shè)計(jì)需求,論文從數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、多角度點(diǎn)云配準(zhǔn)、三維重建三個方面,建立了一套完整的三維環(huán)境重構(gòu)的理論體系。本文主要完成了如下任務(wù):(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。由于本設(shè)計(jì)用到的是二維激光雷達(dá),所以設(shè)計(jì)了一款自動旋轉(zhuǎn)云臺來輔助激光雷達(dá)采集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用歐幾里得算法將不同區(qū)域的點(diǎn)云分離開實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域的提取、利用鄰域搜索算法kd-tree移除離群噪聲點(diǎn),利用最小距離方法完成點(diǎn)云精簡。(2)多角度點(diǎn)云配準(zhǔn)。為完成物體的完整重構(gòu),本設(shè)計(jì)運(yùn)用四個激光雷達(dá)對物體進(jìn)行多角度掃描。首先,計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)中使用的點(diǎn)云曲面的特征量,包括法向量和曲率;其次,將點(diǎn)云配準(zhǔn)分為初始配準(zhǔn)和ICP精確配準(zhǔn)兩個步驟,以將多個視角下的點(diǎn)云匹配到同一個坐標(biāo)系中。(3)三維重構(gòu)。經(jīng)過采集、預(yù)處理和配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)沒有拓?fù)潢P(guān)系,也沒有關(guān)于面和邊的信息,因此有必要重建點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系。曲面重建的過程是通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合形成最終閉合曲面。本文設(shè)計(jì)運(yùn)用當(dāng)前流行的BPA算法進(jìn)行曲面重構(gòu)實(shí)驗(yàn)并給出最終效果圖。最后,對本設(shè)計(jì)如何應(yīng)用到“標(biāo)準(zhǔn)化牛場的牛糞清理裝置研發(fā)”項(xiàng)目中進(jìn)行了詳細(xì)說明。項(xiàng)目中可將兩個二維激光雷達(dá)與旋轉(zhuǎn)云臺搭載在dashgo機(jī)器人平臺之上進(jìn)行三維環(huán)境重構(gòu),從而獲得機(jī)器人前方的障礙物信息,包括障礙物的大小和形狀以及多個障礙物之間的距離,最終使機(jī)器人在拾撿牛糞的過程中能夠有效避障,為項(xiàng)目的開發(fā)提供有效支撐。
【圖文】：

圖２－１邋ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１激光雷達(dá)逡逑ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１激光雷達(dá)，它是ＳＬＡＭＴＥＣ公司開發(fā)的，新一代二維激光雷達(dá)，采樣能力逡逑高達(dá)每秒１６０００次。實(shí)物如圖２－１所示。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１是二維激光測距雷達(dá)的增強(qiáng)版本，可在２５米半徑的二維平面上進(jìn)行３６０逡逑度激光測距掃描，并生成所在空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。與其他系列激光雷達(dá)相比，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑測距性能更穩(wěn)定，支持兩種工作模式：增強(qiáng)模式和室外模式。在增強(qiáng)模式下，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑的測距范圍和采樣頻率可以達(dá)到最大值，以實(shí)現(xiàn)最理想的室內(nèi)測距效果；在室外模式下，逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ】具有更高的承受環(huán)境光干擾能力。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１的典型掃描頻率為１０Ｈｚ邋（６００ｒｐｍ），掃描頻率可根據(jù)用戶要求在５－２０ＨＺ逡逑范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。在１０Ｈｚ的掃描頻率下，１６ｋＨｚ的采樣頻率可以實(shí)現(xiàn)０．２２５°的角度分辨率（即逡逑Ｉｓ掃】０周，并采集１６０００個點(diǎn)，平均每０．２２５°采集一個點(diǎn)）。逡逑（２）邐ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３激光雷達(dá)構(gòu)成與連接逡逑ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１主要由激光測距核心、供電及機(jī)械、通訊與供電接口三部分組成

寧夏大學(xué)碩士學(xué)位論文邐第二章激光雷達(dá)三維掃描系統(tǒng)的構(gòu)成逡逑圖２－１邋ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１激光雷達(dá)逡逑ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１激光雷達(dá)，它是ＳＬＡＭＴＥＣ公司開發(fā)的，新一代二維激光雷達(dá)，采樣能力逡逑高達(dá)每秒１６０００次。實(shí)物如圖２－１所示。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１是二維激光測距雷達(dá)的增強(qiáng)版本，可在２５米半徑的二維平面上進(jìn)行３６０逡逑度激光測距掃描，并生成所在空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息。與其他系列激光雷達(dá)相比，，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑測距性能更穩(wěn)定，支持兩種工作模式：增強(qiáng)模式和室外模式。在增強(qiáng)模式下，ＲＰＬＩＤＡＲＡ３Ｍ１逡逑的測距范圍和采樣頻率可以達(dá)到最大值，以實(shí)現(xiàn)最理想的室內(nèi)測距效果；在室外模式下，逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ】具有更高的承受環(huán)境光干擾能力。逡逑ＲＰＬＩＤＡＲ邋Ａ３Ｍ１的典型掃描頻率為１０Ｈｚ邋（６００ｒｐｍ），掃描頻率可根據(jù)用戶要求在５－２０ＨＺ逡逑范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。在１０Ｈｚ的掃描頻率下，１６ｋＨｚ的采樣頻率可以實(shí)現(xiàn)０．２２５°的角度分辨率（即逡逑Ｉｓ掃】０周
【學(xué)位授予單位】：寧夏大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242;S817.3;TN958.98

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