СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2016

РОБОТОТЕХНИКА 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2016 Лазерный излучатель Вращающаяся призма Параллельные линии развёртки Траектория движения Качающееся зеркало Угол обзора Лазерный излучатель Траектория движения Синусоидальная развёртка Лазерный излучатель Вращающееся зеркало Эллиптическая развёртка Траектория движения Лазерный излучатель Параллельные линии развёртки Оптоволокно Оптоволокно Приёмник Траектория движения ления линии визирования, вдоль кото- рой излучается оптический сигнал, осуществляется с помощью подвижно- го зеркала. Это зеркало поворачивает- ся на ограниченный угол (угол обзора) вокруг оси, лежащей на его плоскости и, как правило, параллельной направ- лению движения устройства. Качание зеркала позволяет сканировать целе- вую область пространства и форми- ровать сцену нужной ширины, опре- деляемой углом качания зеркала (см. рис. 2). Подсистема на основе качаю- щегося зеркала создаёт синусоидаль- ную развёртку. При этом частота кача- ния обратно пропорциональна задан- ному углу обзора (ширине сцены). Основной недостаток такого способа развёртки – непостоянная скорость движения зеркала. Дважды в течение рабочего цикла зеркало должно замед- литься, полностью остановиться, изме- нить направление движения на про- тивоположное и вновь ускориться. В результате измерения, производи- мые с постоянной частотой, форми- руют сцену с неравномерной плотно- стью точек (меньше точек в середине полосы сканирования и больше по кра- ям). Подсистема развёртки лазерного луча с помощью качающегося зеркала применяется, в частности, в лазерных сканерах фирм Leica [2] и Optech [3]. Альтернативный способ сканирова- ния основан на использовании враща- ющейся призмы. В такой подсистеме развёртки многогранная призма с зер- кальными гранями непрерывно вра- щается вокруг своей оси симметрии. Лазерный луч переходит от одной гра- ни призмы к другой скачкообразно, в результате чего массив точек, форми- рующийся при движении устройства, состоит из ряда параллельных линий (см. рис. 3). Этот вариант лишён недо- статков качающегося зеркала, однако он сложнее в реализации и в том, что касается обработки результатов изме- рений. Системы LIDAR с вращающей- ся призмой производит австрийская фирма Riegl [4]. Третий вариант подсистемы скани- рования использует вращающееся зер- кало. Ось вращения в этом варианте расположена почти перпендикулярно к поверхности зеркала (см. рис. 4). За счёт отклонения поверхности зеркала от плоскости, перпендикулярной к оси вращения, формируется развёртка отра- жённого лазерного луча в виде эллип- тической кривой. Преимущество мето- да заключается в том, что каждая точка пространства сканируется дважды. Вме- сте с тем эллиптическая развёртка зна- чительно усложняет обработку резуль- татов сканирования, так как обработ- ка двойных измерений является весьма сложной задачей. Кроме того, поскольку точки в одной и той же области получе- ны с разных позиций (так как система движется и меняет ориентацию в про- странстве), полученное таким спосо- бом облако точек может содержать большое количество «шумов» [5]. При- мерами систем, использующих развёрт- ку лазерного луча с помощью вращаю- щегося зеркала, являются сканеры Leica AHAB DragonEye. В качестве альтернативы механиче- ской развёртке в настоящее время суще- ствует применяемая в некоторых систе- мах LIDAR оптоволоконная подсисте- ма для направления лазерного луча на целевую область. При таком способе достигается более стабильная геоме- трия сканирования, благодаря фик- сированным связям между оптоволо- конными каналами и другими оптиче- скими каналами устройства. Лазерный луч направляется с помощью оптово- локонного пучка, а направление ска- нирования для каждого импульса зави- сит от того, из какого оптоволоконного канала он излучается. Подобная систе- ма пучков используется и в приёмной оптике (см. рис. 5). П ОДСИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ Для практического использования информации, получаемой с помощью сканирующих лазерных дальноме- ров, одного только массива значений расстояния от устройства до объектов и величин относительных углов скани- рования недостаточно. Достоверность данных об окружающем пространстве (получаемых в виде трёхмерного обла- ка точек или двумерного изображения с данными о расстояниях) может быть достигнута только при условии, что для каждой точки измеряются абсолютные значения положения и ориентации несущей платформы системы LIDAR в пространстве в момент приёма откли- ка от импульса. Для таких измерений используется подсистема ориентации и позиционирования. Эта подсистема включает в себя два основных компонента: приёмный модуль системы глобального позици- онирования (ГЛОНАСС или GPS) и блок инерциальной навигации (IMU). Дан- Рис. 2. Система развёртки с качающимся зеркалом Рис. 3. Система развёртки с вращающейся призмой Рис. 4. Сканирующая система с вращающимся зеркалом Рис. 5. Оптоволоконная система развёртки