三維掃描束系統和方法

專利名稱：三維掃描束系統和方法
技術領域：
本發明通常涉及掃描束系統。具體而言，盡管并不排他，本發明涉及使用反應式連桿機構進行三維(3D)掃描的系統和方法。
背景技術：
在沒有先驗映射的環境中進行操作的車輛、人員或機器人通常必須構造映射，以便工作和適應其工作環境，或者為終端用戶提供精確的模型。映射和定位(包括同時定位和映射(SLAM))是移動機器人中存在的基本問題，并且包括以下情景:對于其姿態無已知映射或精確測量的移動物體必須對二者作出估計和保持。物體的姿態是指其空間上的位置和定向。對于移動任務(例如，機器人導航、映射以及規劃)而言，確切地了解移動物體的姿態，通常較為重要。具體地眾所周知的是，在某些環境下，傳統的導航系統不能進行操作或者不切實際。例如，在諸如建筑物內部、在地下礦場內、或者在深水區內等環境中，基于衛星的全球定位系統(GPS)技術和基于蜂窩的定位技術通常不起作用。如果不能獲得這種環境的詳細映射，那么在該環境中進行操作中的車輛、人員或機器人可能需要依靠替代的導航系統，例如，SLAM系統，所述系統可包括慣性測量單元(MU)或其他傳感器，以用于確定位置和定向。3D掃描束系統可提供用于映射和/或定位應用中的數據。通常，這種系統包括活動的(ac t i ve )、動力連桿機構，所述動力連桿機構使傳感器在多個自由度中移動，有效地增加了傳感器的視場，以便獲得3D掃描。例如，某些系統可包括輸出一維束的激光測距設備。如果測距設備安裝至動力多自由度連桿或動力常平架機構中，那么能夠使激光重復地掃描通過三維空間，例如，車輛前面的空間。然后從該設備中收集的數據可用于限定3D“點云”，其有效地限定了環境的圖像或映射。其他測距設備可包括二維(2D)激光掃描器，所述2D激光掃描器圍繞中心軸線旋轉，或當固定到車輛中時，在第三維內移動，以便限定3D點云。此夕卜，3D閃光燈檢測和測距(LIDAR)設備可包含并聯的多個探測器，以便生成3D測距數據。在很多情況下，3D掃描束系統剛性地安裝至車輛或機器人中，并且相對于該車輛或機器人的定向，連續地掃描特定的區域。然后，所收集的數據可用于映射和/或定位應用或用于更多基本的物體探測和場景認知目的中。然而，在某些情況下，該掃描束系統附接于其上的車輛或機器人的振動或顛簸會導致在剛性安裝的掃描束系統中引起誤差。因此，已經設計了復雜的振動隔離和穩定系統，以便有效地防止3D掃描束系統出現不期望的振動或移動。在某些應用中，為了增大掃描傳感器的視場以便有效地掃描三維區域所必需的硬件可為非常復雜并且昂貴的。因此，需要一種改進的3D掃描束系統和方法。發明目的本發明的一些實施例的目的在于，為客戶提供改進和優于上述現有技術的優點，和/或克服并且緩解現有技術的一個或多個上述缺點，和/或提供一種有用的商業選擇。

發明內容
因此，在一種形式中，本發明為一種三維掃描束系統，包括:測距設備；以及反應式連桿機構，其具有第一端和第二端，其中，第一端與測距設備連接，并且第~■端與使所述系統在環境中移動的物體連接；其中，在使用中，所述物體相對于環境的加速通過反應式連桿機構轉換成測距設備相對于物體的運動，這增大了測距設備相對于環境的視場。可選地，所述系統進一步包括附接至測距設備的定向傳感器。可選地，所述系統進一步包括與測距設備操作地耦接的計算機系統，其中，所述計算機包括計算機可讀介質，所述計算機可讀介質存儲限定配準算法的程序代碼元件，并且其中，所述配準算法處理來自測距設備的數據，以便限定環境的3D點云。可選地，所述測距設備包括激光器。可選地，所述激光器包括二維掃描束激光器。可選地，所述3D點云被實時地限定。可選地，所述測距設備發送和接收至少一種以下類型的信號:光信號、聲信號、超聲波信號、射頻信號、伽瑪輻射信號、微波信號。可選地，所述反應式連桿機構包括彈簧。可選地，所述定向傳感器包括慣性測量單元(MU)。可選地，所述反應式連桿機構的第一端與測距設備之間的連接為流體耦接。根據另一種形式，本發明為用于獲得環境的三維掃描的方法，所述方法包括:將測距設備連接至反應式連桿機構的第一端；將反應式連桿機構的第二端連接至物體；使所述物體在環境中移動，其中，所述物體的加速被所述反應式連桿機構轉換成所述測距設備相對于所述物體的運動，這增大了所述測距設備相對于環境的視場；以及由所述測距設備獲得限定環境的三維掃描的數據。可選地，所述方法進一步包括:將計算機系統操作地耦接至所述測距設備，其中，所述計算機系統包括計算機可讀介質，該計算機可讀介質存儲限定配準算法的程序代碼元件；以及使用所述計算機系統處理數據，從而所述配準算法限定所述環境的3D點云。通過以下的詳細描述，本發明的其他特征和優點顯而易見。


為了便于理解本發明并且能夠使本領域的技術人員進行有效的實踐，下面將參看附圖僅以舉例的方式描述本發明的優選實施例，其中:圖1為示出了根據本發明的一個實施例的3D掃描束系統的側視圖的示意圖。圖2為示出了連接至汽車的前端的圖1系統的側視圖的示意圖。圖3為示出了連接至施工安全帽的頂部的圖1系統的側視圖的示意圖。

圖4為示出了根據本發明的一些實施例的掃描器相對于環境內的表面進行的平移運動的視圖。
圖5為示出了根據本發明的一個實施例的獲得環境的三維掃描的方法的一般流程圖。圖6為示出了根據本發明的一些實施例的包括用于限定3D點云的計算機系統的系統元件的框圖。圖7為示出了根據本發明另一個實施例的3D掃描束系統的側視圖的示意圖。
具體實施例方式本發明涉及一種3D掃描束系統和方法。通過將所述系統附接至物體(例如，車輛、機器人、人或動物)，能夠經濟可靠地獲得環境的三維掃描。然后，來自于3D掃描的數據可用于各種用途中，例如，物體檢測、接近檢測、映射、定位、或碰撞躲避。在本專利說明書內，諸如第一和第二、左和右、頂部和底部等形容詞僅僅用于相對于另一個部件或方法步驟限定一個部件或方法步驟，不必要求這些形容詞所描述的特定相對位置或順序。諸如“含有”或“包括”等詞語不是用于限定排他的一組部件或方法步驟。相反的，這種詞語僅僅限定包括在本發明的一個特定實施例內的最小組的部件或方法步驟。
參看圖1，示意圖示出了根據本發明的一個實施例的3D掃描束系統100的側視圖。系統100包括2D激光束掃描器105形式的測距設備、以及盤簧110形式的反應式連桿機構。盤簧110的第一端115連接至2D激光束掃描器105。盤簧110的第二端120連接至物體125。然后，反應式連桿機構將物體125的平移加速(如箭頭130所示)轉換成2D激光束掃描器105的旋轉運動(如箭頭135所示)。2D激光束掃描器105因此能夠顯著增大其視場，并且以3D掃描物體125前面的環境。不需要獨立供電的常平架機構或其他獨立的激勵源來產生2D激光束掃描器105的旋轉運動。因此，在使用測距設備掃描環境所需要的硬件受成本或空間約束的限制時，系統100可經濟有效地運行。根據本發明的某些實施例，可選的定向傳感器(諸如慣性測量單元(MU) 145、照相機、磁力計或其他裝置等)可附接至測距設備。在需要限定測距設備的位置或定向的數據的應用中，這樣一種定向傳感器能參與處理來自測距設備的數據。參看圖2，示意圖示出了連接至汽車200的前端的系統100的側視圖。因此物體125由汽車200代替。汽車200的平移加速被轉換成2D激光束掃描器105的旋轉運動，能夠以3D掃描汽車200前面的區域。汽車200在正常使用期間自然發生的其他加速，例如，顛簸(即，上下)加速和轉向加速能參與激勵2D激光束掃描器105的旋轉運動。本領域的技術人員會理解的是，施加于物體125的力和扭矩會引起掃描器105相對于物體125的運動(主要為旋轉運動，但是也有小幅平移運動)。結果為掃描器105相對于正在掃描的環境的放大運動。2D激光束掃描器(諸如掃描器105)是商業上可廣泛獲得的，或者可使用商業上可獲得的元件容易地制造這種掃描器。例如，掃描器105可包括由SICK AG制造的光探測和測距(LIDAR)激光測量傳感器(LMS)模型291。或者，可使用各種其他類型的測距設備，包括例如使用各種類型輻射或信號(例如光信號、聲信號、超聲波信號、射頻(RF)信號、伽瑪輻射信號、或微波信號)的測距設備。所述輻射或信號能夠用于多種測距技術中，包括例如飛行時間(T0F)、調頻連續波(FMCW)、三角測量和相移測距技術。而且，根據本發明的測距設備不需要進行2D掃描，而是例如可為簡單的一維束測距設備。所述一維束測距設備的旋轉也能夠提供環境的有效3D掃描。根據本發明的一些實施例，反應式連桿機構也可包括各種商業上可獲得的現成(COTS)產品或定制的產品。例如,盤簧110可包括由各種材料(包括聚合物和金屬合金)制成的各種盤簧。而且，反應式連桿機構可包括其他部件，例如，與測距設備連接的多個彈簧或類似彈簧的材料。本領域的普通技術人員會理解的是，并且根據本公開，各種其他類型的彈性連接機構(包括例如簡單的彈性桿、膨脹氣球、海綿、橡膠等等)均可用于提供反應式連桿機構，所述反應式連桿機構將物體的加速轉換成測距設備的運動。而且，本領域的技術人員會理解的是，根據本發明的反應式連桿機構還可用作將掃描器105與物體125的高頻運動隔離開的無源機械過濾器。可對反應式連桿機構(例如彈簧110)進行調諧，以便既以特定的頻率諧振從而滿足應用要求，又抑制可能成問題的高頻運動。例如，某些高頻運動可使得通過配準算法進行的處理復雜化，或者可對掃描器105造成損壞。而且，可對反應式連桿機構進行調諧，從而根據與硬件相關的時間常數，加長掃描器105的脈沖響應；在物體125已經停止移動之后，有效地使得掃描器105能夠繼續移動一段時間。因此，反應式連桿機構能夠存儲能量(例如，機械能或重力能)并且隨著時間的過去而緩慢地釋放。反應式連桿機構的其他實施例可包括減震器或適用于該機構的其他物理活動范圍限制器。這可用于例如將掃描器105的視場限制為具體應用的興趣范圍。參看圖3，示意圖示出了連接至施工安全帽300的頂部的系統100的側視圖。根據這個實施例，在工人戴著安全帽300時，步行時其頭部進行點頭或進行其他自然運動時，可足以激勵2D激光束掃描器105進行旋轉運動。因此該系統100可用于有效地掃描直接位于工人前面的工作地點，例如，建筑物內部、地下礦場內、或各種其他環境中。圖3中所示的系統100可設計成使用非常少的功率，因為不需要任何電機或其他動力機構激勵測距設備的掃描或旋轉運動。因此，僅需要較低功率的電池為測距設備提供動力以便將功率提供給例如測距設備的固態電路。本發明的一些實施例可用于為計算機系統提供掃描數據。然后計算機系統可使用配準算法處理所述數據以便限定3D點云。本領域的普通技術人員了解的是，這種3D點云能夠用于各種映射和/或定位應用或成像應用中。因此諸如系統100等系統可用于各種應用中。例如，在映射領域中，系統100可安裝在移動平臺上，例如，車輛、推車、人類或動物，并且可用于獲得環境的3D圖。在機器人應用中，系統100可用于地形映射或一般場景識別。如圖3中所示，本發明的各種輕質實施例可用作導航目的的可佩戴或手持式裝置。例如，諸如警察、消防人員或軍事人員等第一出動人員能夠在已經映射的建筑物內部使用系統100。然后，來自于系統100的數據中產生的局部獲取的地圖與現有的全局圖可實時地進行比較，以便定位和協助第一出動人。在遠程環境(例如，地下礦場或水下環境)中，使用機器人或其他車輛可實現相似的定位和映射功能。在Michael Bosse和Robert Hot的論文中提供了可與本發明結合使用的配準算法的一個實例，“Continuous3D Scan-Matching with a2D Spinning Laser (通過 2D 自旋激光器進行的連續 3D 掃描匹配)”,Proceedings of the IEEE International Conferenceon Robotics and Automation (機器人和自動化IEEE國際會議匯編)，第4312-4319頁，日本神戶，2009年5月12-17日，該論文之全文以引用的方式并入本文中。下面總結了這種配準算法如何運行。例如，對于圖3中所示的與安全帽300連接的系統100，戴著安全帽300的人移動時，通過彈簧Iio激勵運動。掃描器105因此旋轉通過額外的自由度和更廣的視場，從而在普通2D掃描平面的外部進行測量并且提供周圍環境的3D測量。然而，最初掃描器運動的確切屬性可能是未知的。人們可使用來自于與激光掃描器105剛性地連接的MU145的數據對掃描器105的旋轉運動作出估計；但是平移運動可能完全是未知的。配準算法能恢復平移運動，對旋轉運動估計進行校正，并且額外地進行定時同步。參看圖4,視圖不出了根據本發明的一些實施例的掃描器105相對于環境內的表面Z1和Z2進行的平移運動。如圖所示，假設掃描器105在時間h時位于第一位置處并且在時間t2時位于第二位置處。在使用配準算法對系統100所獲得的數據進行處理之前，并不確切地知曉掃描器105在時間h和t2時的姿態(即，位置和定向)(雖然例如基于來自于IMU145的數據可了解位置的某些估計)。如圖所示，表面Z1和Z2表示在第一和第二位置處均由掃描器105的束140測量的環境內的表面。配準算法的第一步驟為執行數據相關，其確定掃描器105實際上在確定表面Z1和Z2的兩個位置處看見共同的特征。然后，形成約束條件H的系統，該約束條件使特征匹配和施加給掃描器105的姿態的校正X相聯系。本領域的普通技術人員會理解的是，圖4僅僅顯示了姿態和匹配的子集；然而，一個實際的實施例通常考慮掃描器105更長的軌跡以及一整套距離測量。配準算法可將先前的軌跡(例如，僅僅包含取自于IMU145的定向估計)和一組范圍掃描用作輸入。使用先前的軌跡，人們可將掃描點(即，距離測量)投射到未配準的(即，通常對準較差的)3D點云內。軌跡可限定為掃描器105的原點的位置和定向(在六個自由度內(DOF)內-三個位置自由度和三個旋轉自由度)的連續時間歷史。在六個DOF內限定用于三維剛性本體的姿態。因此，可將軌跡限定為函數Τ( τ )，其針對掃描器105的掃描持續時間中的每個時間τ相對于地面坐標框架規定掃描器105的六個DOF姿態。然后，將環境的工作空間離散化為單元或“體素”(體積元素)的3D網格，并且根據落在每個體素邊界內的這組掃描點，為每個體素計算統計值。為了解決環境和邊界效應的非均勻采樣，通過多個分辨率和偏移計算3D網格。為給定體素計算的統計值限定了橢圓體，其使用一階矩和二階矩μ，s與這些點相符，所述一階矩和二階矩描述與點Pi相符的橢圓體的參數:
權利要求
1.一種三維掃描束系統，包括: 測距設備；以及 反應式連桿機構，所述反應式連桿機構具有第一端和第二端，其中，所述第一端連接至所述測距設備，并且所述第二端連接至使所述系統在一環境中移動的物體； 因而在使用中，所述物體相對于所述環境的加速由所述反應式連桿機構轉換成所述測距設備相對于所述物體的運動，這增大了所述測距設備相對于所述環境的視場。
2.根據權利要求1所述的系統，進一步包括定向傳感器，所述定向傳感器附接至所述測距設備。
3.根據權利要求1所述的系統，進一步包括與所述測距設備操作地耦接的計算機系統，其中，所述計算機包括計算機可讀介質，所述計算機可讀介質存儲限定配準算法的程序代碼元件，并且其中，所述配準算法處理來自于所述測距設備的數據，以便限定所述環境的3D點云。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述測距設備包括激光器。
5.根據權利要求4所述的系統，其中，所述激光器包括二維掃描束激光器。
6.根據權利要求3所述的系統，其中，所述3D點云被實時地限定。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述測距設備發送和接收以下類型信號中的至少一種:光信號、聲信號、超聲波信號、射頻信號、伽瑪輻射信號、微波信號。
8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述反應式連桿機構包括彈簧。
9.根據權利要求2所述的系統，其中，所述定向傳感器包括慣性測量單元(IMU)。
10.根據權利要求1所述的系統，其中，所述反應式連桿機構的第一端與所述測距設備之間的連接為流體耦接。
11.一種獲得環境的三維掃描的方法，所述方法包括: 將測距設備連接至反應式連桿機構的第一端； 將所述反應式連桿機構的第二端連接至物體； 使所述物體在環境中移動，因而所述物體的加速由所述反應式連桿機構轉換成所述測距設備相對于所述物體的運動，這增大了所述測距設備相對于所述環境的視場；以及 通過所述測距設備獲得限定所述環境的三維掃描的數據。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，定向傳感器附接至所述測距設備。
13.根據權利要求11所述的方法，進一步包括: 將計算機系統操作地耦接至所述測距設備，其中，所述計算機系統包括計算機可讀介質，所述計算機可讀介質存儲限定配準算法的程序代碼元件；以及 使用所述計算機系統處理所述數據，因而所述配準算法限定所述環境的3D點云。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，所述測距設備包括激光器。
15.根據權利要求14所述的方法,其中,所述激光器包括二維掃描束激光器。
16.根據權利要求13所述的方法，其中，所述3D點云被實時地限定。
17.根據權利要求11所述的方法，其中，所述測距設備發送和接收以下類型信號中的至少一種:光信號、聲信號、超聲波信號、射頻信號、伽瑪輻射信號、微波信號。
18.根據權利要求11所述的方法，其中，所述反應式連桿機構包括彈簧。
19.根據權利要求12所述的方法，其中，所述定向傳感器包括慣性測量單元(IMU)。
20.根據 權利要求11所述的方法，其中，所述反應式連桿機構包括流體耦接。
全文摘要
一種三維掃描束系統(100)和方法(500)能夠對環境進行經濟有效的三維掃描。所述系統(100)包括測距設備(105)、以及具有第一端(115)和第二端(120)的反應式連桿機構(110)。第一端(115)連接至測距設備(105)，并且第二端(120)連接至使所述系統(100)在環境中移動的物體(125)。在使用中，所述物體(125)相對于環境的加速由反應式連桿機構(110)轉換成測距設備(105)相對于物體(125)的運動，這增大了測距設備(105)相對于環境的視場。
文檔編號G05D1/00GK103180794SQ201080069024
公開日2013年6月26日 申請日期2010年7月26日 優先權日2010年7月26日
發明者邁克爾·博塞, 羅伯托·茲洛特 申請人:聯邦科學和工業研究組織