胡 煉，林潮興，楊偉偉，許 奕

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 廣東 廣州 510642）

2維激光掃描測距傳感器是基于激光測距原理，通過旋轉(zhuǎn)的光學(xué)部件發(fā)射形成二維的掃描面，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域掃描及輪廓測量功能[1]。近年來，2維激光掃描測距傳感產(chǎn)品廣泛用于機(jī)器人環(huán)境識別、建筑物入侵保護(hù)（安防）、自動門/行為方式識別、自動導(dǎo)航車輛（AGV）障礙檢測、無人飛行器避障和自主導(dǎo)航。本文將介紹一種HOKUYO公司的2D激光掃描測距傳感器和其應(yīng)用，并進(jìn)行相關(guān)測試試驗(yàn)。

1 URG-04LX的工作原理與簡介

1.1 工作原理

激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖波，當(dāng)激光波碰到物體后，部分能量返回，當(dāng)激光接收器收到返回激光波且返回波的能量足以觸發(fā)門檻值。激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖波時間和收到返回激光波時間，從而計(jì)算它到物體的距離值[2]。激光掃描器連續(xù)不停的發(fā)射激光脈沖波，激光脈沖波打在高速旋轉(zhuǎn)的鏡面上，將激光脈沖波發(fā)射向各個方向從而形成一個二維區(qū)域的掃描。二維區(qū)域的掃描可以在掃描器的掃描范圍內(nèi)，設(shè)置不同形狀的保護(hù)區(qū)域，當(dāng)有物體進(jìn)入該區(qū)域時，發(fā)出報(bào)警信號；或在掃描器的掃描范圍內(nèi)，掃描器輸出每個測量點(diǎn)的距離，根據(jù)此距離信息，可以計(jì)算物體的外型輪廓，坐標(biāo)定位等[3-7]。

1.2 URG-04LX簡介

HOKUYO公司的URG-04LX 2D激光掃描測距傳感器測距示意圖如圖1所示，采用直流5 V供電，工作電流小于500 mA。激光由波長785 nm的半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生，激光安全等級I級。傳感器測量距離為60～4 095 mm，掃描視場寬2400，從傳感器頂部看激光以逆時針方向掃描，掃描一周時間為100 ms，共1 024個掃描步進(jìn)，角度分辨率0.360。在掃描視場內(nèi)最大有效掃描步數(shù)為683，起始步為44，終止步為725。在60～1 000 mm測量距離時測量精度為±10 mm，在1 000 ～4 095 mm 測量距離時測量精度為1%測量距離。傳感器具有全速USB-mini B接口和RS232C接口，測量噪音＜25 dB。傳感器體積小，長寬高為50 mm×50 mm×70 mm，且重量輕僅160 g。

2 URG-04LX操作

2.1 URG-04LX測距數(shù)據(jù)命令

圖1 URG-04LX傳感器測距示意圖Fig. 1 Diagram of distance measurement of URG-04LX

URG-04LX具有全速USB和RS232C兩種外部接口，連接方便，如圖2所示。兩接口可同時使用，也可選擇其中一個接口與計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)連接。USB接口具有優(yōu)先操作權(quán)，在無USB接入時將自動切換為RS232C接口操作。為規(guī)范通訊，傳感器制定有與計(jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)的通訊協(xié)議。傳感器測距數(shù)據(jù)的發(fā)出需向傳感器發(fā)送請求命令，在URG-04LX里有4種命令來請求獲得測距數(shù)據(jù)，分別為MD、MS、GD和GS。命令GD和GS為單個距離數(shù)據(jù)請求，而MD和MS為連續(xù)距離數(shù)據(jù)請求。命令GD和MD返回的距離數(shù)據(jù)由3個ASCII字符組成，最大距離為262 144 mm，而GS和MS返回的距離數(shù)據(jù)由2個ASCII字符組成，最大距離為4 095 mm。

圖2 URG-04LX與設(shè)備的連接Fig. 2 Connection of URG-04LX to host-device

MDMS和GDGS指令組成分別如圖3(a)和(b)所示。第1部分為1個ASCII字符，M為連續(xù)測量，G為單次測量。第2部分為1個ASCII字符，S表示傳感器返回?cái)?shù)據(jù)格式為2 ASCII字符數(shù)據(jù)，M表示傳感器返回?cái)?shù)據(jù)為3 ASCII字符格式數(shù)據(jù)。第4和5部分用于設(shè)定傳感器測距掃描范圍，URG-04LX傳感器共有750個掃描步，如要獲得最大測量的范圍則Starting point=0044（30H，30H，34H，34H），End point=0750（30H，37H，35H，30H）。第6部分為距離數(shù)據(jù)合并數(shù)，以多個相鄰步中距離值最小的數(shù)據(jù)作為距離值，如Cluster Count=3，獲得的值分別為3 059，3 055和3 062，則傳感器返回值是3 055，因此Cluster Count的值也決定了傳感器返回距離數(shù)據(jù)的個數(shù)和掃描角度分辨率，如果Cluster Count=2，則返回的距離數(shù)據(jù)減半，掃描步進(jìn)角度為0.720。第7部分為掃描間隔，若逐步掃描則Scan Interval=0。MDMS指令比GDGS指令多1個掃描次數(shù)部分，用于多數(shù)重復(fù)測量。

2.2 距離數(shù)據(jù)處理

圖3 數(shù)據(jù)獲取指令Fig. 3 Data acquisition command

URG-04LX傳感器返回的距離數(shù)據(jù)有2 ASCII字符格式和3 ASCII字符格式，傳感器根據(jù)距離數(shù)據(jù)、通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)請求指令將距離值進(jìn)行編碼，通過傳感器接口輸出。因此對接收到的距離數(shù)據(jù)需根據(jù)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2 ASCII字符格式的最大長度為12 bits，用于最大距離不大4 095 mm，3 ASCII字符格式的最大長度為18 bits，用于最大距離不大262 144 mm。根據(jù)通訊協(xié)議距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖4所示，首先將距離數(shù)據(jù)分成單個ASCII字符并將每個ASCII字符用十六進(jìn)制表達(dá)；將此十六進(jìn)制數(shù)據(jù)減去30H后轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制表示，最后將各二進(jìn)制數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制便得到相應(yīng)距離值。

圖4 距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換Fig. 4 Data conversion of distance

2.3 UrgBenri接收數(shù)據(jù)

URG-04LX傳感器數(shù)據(jù)也可以通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，通過軟件UrgBenri獲得。當(dāng)USB設(shè)備連接成功后，即可以軟件界面上以正交視圖或數(shù)據(jù)表視圖兩種方式實(shí)時查看到圖形或數(shù)據(jù)。在UrgBenri的操作窗口內(nèi)可以查看傳感器的相關(guān)信息，并可通過命令窗口對傳感器進(jìn)行設(shè)置。UrgBenri能將測量數(shù)據(jù)以文件形式保存，并能在無傳感器狀態(tài)下打開并恢復(fù)測量過程。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 距離測量

將URG-04LX 2D激光掃描測距傳感器固定在不同高度（分別為760 mm，1 081 mm，1 404 mm和1 725 mm），使傳感器掃描窗口垂直向下對不同介質(zhì)平面進(jìn)行距離測量。測量時掃描從第334步到第434步逐步掃描，每次共101個測量距離值，測量到的距離值投影到Y(jié)軸方向上并求取平均值得到傳感器到測量平面的距離，每個測量對象的3次測量結(jié)果的平均值如表1所示。

表1 距離測量結(jié)果Tab.1 Result of distance measurement

由表1可以知，試驗(yàn)中傳感器對地板磚、白色紙、黃色紙和土壤進(jìn)行掃描測量，能準(zhǔn)確測量傳感器與檢測對象的距離，在2 m以內(nèi)的測量誤差小于10 mm。傳感器測量綠色植物也能較好的測量出距離，在1404 mm以內(nèi)測量時誤差小于10 mm，在1725 mm測量時誤差為±12.1 mm，但并未超出傳感器測量誤差（1%測量距離）。然而傳感器在測量黑油漆和光滑木板時，測量誤差較大，超出傳感器測量誤差范圍，因此，不同的被測對象或顏色導(dǎo)致激光掃描傳感器的測量精度存在差異。

3.2 障礙物檢測

障礙物檢測是URG-04LX 2D激光掃描測距傳感器的重要應(yīng)用之一，為測試傳感器障礙物檢測性能，布置了如圖5(a)所示3面隔離實(shí)驗(yàn)環(huán)境，消除干擾。以中下部傳感器的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，隔離環(huán)境寬870 mm，前部離傳感器中心650 mm。隔離環(huán)境內(nèi)放置了3個圓柱形障礙物（圓柱1半徑為66 mm、圓柱2和圓柱3半徑都為111 mm）和1個矩形障礙物（長邊為80 mm），激光掃描測距傳感器測量結(jié)果如圖5(b)所示。

由圖可知，URG-04LX 2D激光掃描測距傳感器的數(shù)據(jù)能清晰地檢測出隔離環(huán)境內(nèi)的4個障礙物。用障礙物前部的掃描點(diǎn)擬合成直線段，若以直線段長度表示障礙物大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出3個圓柱障礙物尺寸分別為58.6 mm、103.0 mm和95.3 mm，矩形長度為82.5 mm，與實(shí)際分別相差7.4 mm、8 mm、15.7 mm和2.5 mm。若以直線段中心點(diǎn)（如圖5(a)‘×’所示）到傳感器中心的距離表達(dá)障礙物，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算障礙物的位置分別為（-252.9, 189.7）、（-226.3, 490.3）、（200.1, 362.3）和（25.18,370.9），障礙物距傳感器中心的距離分別為316.2 mm、540.0 mm、413.9 mm和371.7 mm，而實(shí)際距離分別為304 mm、543 mm、416 mm和349 mm，分別相差12.2 mm、3 mm、2.1 mm和12.2 mm。

圖5 障礙物檢測Fig. 5 Obstacle detection

4 結(jié) 論

URG-04LX 2D激光掃描測距傳感器能快捷進(jìn)行2維距離測量，實(shí)現(xiàn)障礙物檢測和傳感器到平面的距離等，測量精度高。激光掃描測距傳感器還可用于壟行檢測、傾角檢測等，若配合機(jī)器視覺等傳感器可進(jìn)一步提高智能識別程度[5-6]。

[1] 項(xiàng)志宇.基于激光雷達(dá)和移動機(jī)器人障礙檢測和自定位[D].浙江: 浙江大學(xué),2002.

[2] 陳千頌,楊成偉,潘志文,等.激光飛行時間測距關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展[J]. 激光與紅外,2002,32(1):7-10.CHEN Qian-song,YANG Chen-wei,PAN Zhi-wen,et al.A brief introduction on the development of laser time-of-flight distance measurement technology[J].Laser and Infrared, 2002,32(1):7-10.

[3] 陳得寶,趙春霞,張浩峰,等. 基于2維激光測距儀的快速路邊檢測[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào),2007,12(9):1064-1069.CHEN De-bao, ZHAO Chun-xia, ZHANG Hao-feng, et al.Quick road-boundary detection based on 2D laser range finder[J].Journal of Image and Graphics,2007,12(9):1064-1069.

[4] 馮肖維,方明倫,何永義,等.移動機(jī)器人自然路標(biāo)特征提取方法[J]. 機(jī)器人,2010,32(4):540-546.FENG Xiao-wei,FANG Ming-lun,HE Yong-yi,et al.Natural landmark extraction method for mobile robot[J].Robot,2010,32(4):540-546.

[5] 張凱良,楊麗,張鐵中.草莓采摘位置機(jī)器視覺與激光輔助定位方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(4):151-156.ZHANG Kai-liang, YANG Li, ZHANG Tie-zhong. Object locating method of laser-assisted machine vision for strawberryharvesting[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural machinery, 2010,41(4):151-156.

[6] 張奇,顧偉康. 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的環(huán)境理解及障礙物檢測算法[J]. 機(jī)器人,1998,20(2):104-110.ZHANG Qi, GU Wei-kang. Algorithms of environment understanding and obstacle detection based on multi-sensor data fusion[J].Robot,1998，20(2):104-110.

[7] 李配配，鄧?yán)祝?趙永雷. 配電網(wǎng)混合線路單端行波測距方法的研究[J]. 陜西電力，2013(4)：70-73.LI Pei-pei,DENG Lei,ZHAO Yong-lei. Study on single-ended traveling wave fault location in distribution network hybrid lines[J]. Shaanxi Electric Power，2013(4)：70-73.