劉德志，孫作雷，曾連蓀
　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W(xué) 信息工程學(xué)院, 上海 201306）

       摘要：構(gòu)建了小型2D激光掃描儀驅(qū)動解決方案。以RPLIDAR為例，基于低成本硬件及其合理的通信規(guī)約設(shè)計，提升數(shù)據(jù)獲取的可靠性?；贑Make交叉編譯鏈?zhǔn)褂布?qū)動具有跨平臺特性。同時，通過增加launch文件，使其支持ROS (Robot Operating System)。并分別在Windows和ROS系統(tǒng)下完成測試。相應(yīng)的代碼已在Github上開源，可免費用于移動機器人的導(dǎo)航、構(gòu)圖與3D重建、同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）等科研。
　　關(guān)鍵詞：驅(qū)動；激光雷達；跨平臺；開源　　

0引言
　　隨著工業(yè)、軍事及民用領(lǐng)域?qū)ψ詣踊腿斯ぶ悄芗夹g(shù)需求的日益增長，與移動機器人相關(guān)的理論及應(yīng)用已成為研究熱點。對于移動機器人而言，最常見的任務(wù)之一是在環(huán)境中繪制地圖并進行導(dǎo)航，而2D激光掃描儀是室內(nèi)外機器人最常用的傳感器。目前，市場上已有一些廣泛應(yīng)用于科研的2D激光掃描儀，并在越來越多的論著中被提及。例如德國的SICK系列、日本的Hokuyo系列等。
　　但是，結(jié)合國內(nèi)外使用現(xiàn)狀，這些激光雷達具有如下弊端：（1）體積較大，在小型的機器人移動平臺上不適合安裝。（2） 售價較高，且多為國外產(chǎn)品，小型科研組難以承擔(dān)較為高昂的硬件設(shè)備預(yù)算，同時也很難廣泛用于民用領(lǐng)域。對于低成本小型激光雷達，2008年KONOLIGE K等人已經(jīng)提出低成本激光雷達硬件設(shè)計思路［1］，但直到2013年，一些公司才做出了相應(yīng)的產(chǎn)品，價格僅為上述產(chǎn)品的十分之一。本文基于KONOLIGE K等人的設(shè)計思路及目前市場上現(xiàn)有雷達的通信規(guī)約，設(shè)計了可靠、高效的激光雷達驅(qū)動。該驅(qū)動具有以下特點：（1）跨平臺性，可在Windows、Ubuntu環(huán)境下使用；（2）使用簡單，研究者僅需簡單設(shè)置即可加入自己的工程；（3）開源，可免費用于科研。
1低成本激光雷達原理
　　所有的單點掃描設(shè)備，例如SICK和Hokuyo設(shè)備，采用激光時間飛行原理(Time of Flight)，即通過測量激光發(fā)射和反射的時間來計算距離目標(biāo)點的距離。而本方案采用激光三角測距技術(shù)，所用的紅外線傳感器與激光時間飛行原理所用的激光掃描器不同，所以極大地節(jié)省了成本。
　　1.1硬件結(jié)構(gòu)
　　低成本激光雷達主要由激光測距核心、掃描電機、傳動和USB適配器三部分組成。測距核心是激光雷達最重要的組成部分。在分別給子系統(tǒng)供電后，測距核心在掃描電機的帶動下將開始順時針360°旋轉(zhuǎn)掃描并獲得掃描測距數(shù)據(jù)。
　　1.2測距機理
　　激光三角測距技術(shù)通過反射光線的角度來測量距離。圖1展現(xiàn)了三角測距的幾何圖。紅外線發(fā)射器發(fā)射一個紅外線，經(jīng)物體反射回來并投影到接收器上。一個理想的接收器是調(diào)整好的，這樣紅外線光束與某些射線是平行的。

　　利用相似三角形的原理，垂直距離是：
　  

　　激光束的距離也取決于激光相對于圖像軸的角度：
　　

　　1.3數(shù)據(jù)幀格式
　　當(dāng)激光雷達工作時，可進行每秒高達2 000次的測量動作。每個采樣點經(jīng)過內(nèi)部DSP處理器實時解算，得出被照射到的目標(biāo)物體與激光雷達的距離值以及當(dāng)前的夾角信息，并以表1的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)通過USB適配器輸出。

2驅(qū)動設(shè)計
　　基于目前市場上現(xiàn)有的低成本小型激光雷達RPLIDAR硬件及其通信規(guī)約，設(shè)計并完善了驅(qū)動。（1）合理規(guī)劃激光雷達的驅(qū)動流程，既保證讀取數(shù)據(jù)的高效，又增加異常處理保護硬件的安全。（2）編寫Makefile文件，采用交叉編譯［2］，生成的驅(qū)動可以跨平臺使用，可供研究者在Windows、Linux、MacOS系統(tǒng)下使用。（3）設(shè)計存儲格式，使用二進制格式保存數(shù)據(jù)文件，將測量數(shù)據(jù)記錄下來用于未來的分析、處理、開發(fā)和算法驗證。（4）支持Robot Operating System(ROS)，為使用低成本激光雷達研究機器人的導(dǎo)航與定位、環(huán)境掃描與3D重建、同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）等領(lǐng)域提供了極大的方便。
　　2.1驅(qū)動模塊設(shè)計
　　本驅(qū)動的設(shè)計使用C++語言，基于模塊化思想，可分為激光雷達健康狀況檢測、通信錯誤處理、掃描準(zhǔn)備、掃描數(shù)據(jù)獲取等模塊［3］。獲取激光雷達掃描測量數(shù)據(jù)的整個流程見圖2。

　　準(zhǔn)備掃描模塊：啟動一個后臺工作線程，異步地接受來自激光雷達的掃描測距數(shù)據(jù)序列，并保存在內(nèi)部的緩存當(dāng)中。
　　獲取掃描數(shù)據(jù)模塊：抓取被激光雷達驅(qū)動事先接收并緩存的測距數(shù)據(jù)序列。該模塊將始終返回一個最新的完整的360°的掃描測距序列。每次調(diào)用后，保存掃描數(shù)據(jù)序列的內(nèi)部緩存將會清空，以確保每次獲得不重復(fù)的數(shù)據(jù)［4］。
　　2.2輸出數(shù)據(jù)格式
　　把激光雷達的測量數(shù)據(jù)保存為后綴名為.dat二進制文件，供后期研究分析［5］。激光雷達的工作頻率為6 Hz，每掃描一圈有360個測量點，稱為一條記錄。為了方便管理和后期的研究，在每條記錄前加上時間戳。記錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2。

3實驗驗證
　　本驅(qū)動默認(rèn)采樣靜態(tài)庫方式組織，使用者只要簡單設(shè)置就可以整合到自身項目中：引用驅(qū)動庫的外部頭文件（位于sdk/inlcude文件夾）；在鏈接階段，引用編譯好的靜態(tài)庫（rplidar_driver.a）即可。以低成本小型激光雷達的代表性產(chǎn)品rplidar為例，使用該驅(qū)動在多種操作系統(tǒng)下測試結(jié)果如下。
　　3.1Windows環(huán)境中單幀掃描
　　編寫顯示界面程序，把本驅(qū)動庫整合到此程序中。此程序的功能是實時采集雷達掃描數(shù)據(jù)，并在GUI界面上將0~360°環(huán)境下測距信息以平面圖的方式顯示出來［6］。在走廊中測試得到靜態(tài)數(shù)據(jù)如圖3所示。圖中圓心為RPLIDAR的位置，點集為障礙物。

　　3.2ROS中單幀掃描
　　ROS是專為機器人軟件開發(fā)所設(shè)計的一套開源的電腦操作系統(tǒng)構(gòu)架，它提供了一系列的開源程序庫和工具以幫助研究者迅速創(chuàng)建機器人應(yīng)用軟件。
　　在本驅(qū)動庫的基礎(chǔ)上，增加幾個ROS特有的文件并作相關(guān)設(shè)置即可使用。此部分代碼已在Github上開源。在ROS的RViz工具中實現(xiàn)的靜態(tài)掃描圖如圖4所示。

　　3.3實現(xiàn)構(gòu)建地圖
　　在ROS中可以很方便地使用本驅(qū)動，然后調(diào)用開源的Hectorslam包來構(gòu)建地圖。移動機器人正在構(gòu)建地圖如圖5所示。本實驗已經(jīng)做成視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)并開源。

4結(jié)論

　　基于激光雷達硬件及其通信規(guī)約，構(gòu)建了靈活、高效、開源的驅(qū)動。簡單介紹了低成本小型激光雷達的測距原理，重點闡述了驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)細(xì)節(jié)。在兩種環(huán)境下的測試和利用本驅(qū)動實現(xiàn)mapping證明了該驅(qū)動的易用性及可靠性。未來本驅(qū)動將用于機器人的定位與導(dǎo)航、同步定位與地圖構(gòu)建的算法驗證工作。
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