在機(jī)器人領(lǐng)域，如果要使設(shè)計(jì)出的移動(dòng)機(jī)器人能夠完全自主地應(yīng)對(duì)復(fù)雜、未知的環(huán)境，使機(jī)器人具備精細(xì)的環(huán)境感知能力就顯得至關(guān)重要。激光雷達(dá)傳感器從最初提出就受到廣大研究人員的關(guān)注，經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，目前，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了模塊化、小型化，且由于其應(yīng)用范圍廣并適合戶外未知環(huán)境使用，在幫助機(jī)器人精細(xì)感知外部環(huán)境方面逐步展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，成為了移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的傳感器明星。不過，有個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題，激光雷達(dá)傳感器通常都不便宜，且三維激光雷達(dá)傳感器要比二維激光雷達(dá)傳感器貴出不少，如果手頭只有二維激光雷達(dá)，如何去感知三維環(huán)境？

解答:

        毫無疑問，針對(duì)二維激光雷達(dá)，只要想辦法將缺失的維度通過其他方法補(bǔ)上，就能變相實(shí)現(xiàn)三維激光雷達(dá)的效果。而事實(shí)上，這也正是大部分三維激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)原理。為此，了解了如何通過二維激光雷達(dá)去感知三維環(huán)境，對(duì)今后直接使用三維激光雷達(dá)也大有幫助。不過，需要預(yù)先指出的是激光雷達(dá)傳感器只是眾多感知外部環(huán)境手段中的一種，為了拓寬大家的眼界，同時(shí)也幫助大家加深理解，本文會(huì)先跟大家介紹一下當(dāng)前主流的環(huán)境感知手段（主要是非接觸式方式）。

        1、已有環(huán)境感知方法總結(jié)：

        非接觸式感知環(huán)境基本上有兩大類方法：主動(dòng)式與被動(dòng)式。二者的主要區(qū)別集中在觀測(cè)傳感器是否主動(dòng)向環(huán)境發(fā)出探測(cè)光?；诒粍?dòng)觀察環(huán)境的方法的典型例子如立體視覺技術(shù)。要實(shí)現(xiàn)立體視覺，通常需要兩個(gè)及以上的攝像頭在不同的位置獲取環(huán)境圖像，在攝像頭之間相對(duì)位置已知的情況下分析不同攝像頭返回的圖像并進(jìn)行像素匹配，以此獲得場(chǎng)景的深度信息。整個(gè)過程類似于人的雙眼觀察并解釋場(chǎng)景中的物體遠(yuǎn)近。典型的立體視覺相機(jī)及經(jīng)立體視覺算法處理的場(chǎng)景深度圖像圖。

        主動(dòng)式觀測(cè)環(huán)境的方法要求觀測(cè)傳感器能向環(huán)境中發(fā)出已知屬性的光掃描場(chǎng)景信息并接收來自場(chǎng)景中物體的反射光。這種方法又可以被細(xì)分為光學(xué)三角測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光法及飛行時(shí)間法。有興趣的讀者可以自己去找各種方法對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn)做個(gè)詳細(xì)的了解，此處限于篇幅，不對(duì)每種方法詳細(xì)展開討論，而是簡(jiǎn)略地比較一下各個(gè)方法的特點(diǎn)并在此基礎(chǔ)上著重介紹一下激光雷達(dá)傳感器。

      （1）光學(xué)三角測(cè)量法

        使用三角形法通常需要將經(jīng)過校準(zhǔn)的激光發(fā)射器和接收攝像頭按一定的幾何關(guān)系布置。該方法的工作原理是激光發(fā)射器先將已知的點(diǎn)狀或條狀圖樣模版投影到場(chǎng)景中的物體上，接收攝像頭通過觀察投影模版并按一定的幾何關(guān)系解算，即可獲得場(chǎng)景中特定物體的遠(yuǎn)近，如下圖所示。

        光學(xué)三角測(cè)量法最初提出開始就有不少針對(duì)此法的研究，大多集中在提高測(cè)試速度和測(cè)距可靠性方面，例如有學(xué)者專門研究了大理石紋路表面對(duì)光學(xué)三角測(cè)量法可靠性的影響，還有學(xué)者試圖通過空間-時(shí)域分析方法提高測(cè)距可靠性，并給出了光學(xué)三角測(cè)量法的誤差模型。然而，總體來看，這種方法仍存在擾動(dòng)大，可靠性較低，測(cè)試范圍小的缺點(diǎn)。特別是當(dāng)被測(cè)對(duì)象距離變遠(yuǎn)、位置接近掃描范圍邊緣時(shí)傳感器返回的距離信息不確定性明顯增大。鑒于此，光學(xué)三角測(cè)量法比較適合在室內(nèi)、已知環(huán)境下使用。

      （2）結(jié)構(gòu)光法

        結(jié)構(gòu)光法可以認(rèn)為是光學(xué)三角測(cè)量法的推廣。與光學(xué)三角測(cè)量法一次僅照射場(chǎng)景中幾個(gè)點(diǎn)或條紋相比，結(jié)構(gòu)光法一次性向場(chǎng)景中投射致密的圖樣模版，傳感器對(duì)應(yīng)的接收相機(jī)觀察到場(chǎng)景反射的圖樣后進(jìn)行密集關(guān)聯(lián)運(yùn)算，最終一次性確定出一大片場(chǎng)景深度信息。微軟公司推出的新一代Kinect體感設(shè)備，代表了該方法當(dāng)前能達(dá)到的最先進(jìn)水平。

        結(jié)構(gòu)光法最先提出后，就出現(xiàn)了大量致力于提高測(cè)試速度及魯棒性的研究。譬如有學(xué)者通過增加相機(jī)數(shù)量來提高立體視覺分析效果；還有學(xué)者則研究獲取最優(yōu)致密模版的方法；最近的大的突破體現(xiàn)在使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法解決致密圖樣模版到深度圖像的匹配問題，以及后續(xù)開發(fā)出結(jié)構(gòu)光視頻法實(shí)現(xiàn)了對(duì)場(chǎng)景的三維重建。

        與光學(xué)三角測(cè)量法類似，結(jié)構(gòu)光法適用于室內(nèi)已知環(huán)境的掃描。掃描距離受投射出的致密模版所限制，一般較小（即便是微軟的Kinect，要獲得較好的測(cè)試效果，最好將測(cè)試距離限定在4m范圍內(nèi)），且測(cè)距精度隨距離的增大逐漸減小。

      （3）飛行時(shí)間法

        這種方法一般可以通過聲學(xué)或光學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)，考慮到聲學(xué)實(shí)現(xiàn)存在噪聲大，掃描點(diǎn)存在錐度角發(fā)散等缺點(diǎn)，本文主要考慮基于激光的實(shí)現(xiàn)方式，而這種傳感器一般稱為激光雷達(dá)（LADAR，取自LAser Detection And Ranging）。掃描時(shí)激光雷達(dá)會(huì)定向發(fā)出一束激光脈沖（或經(jīng)調(diào)幅、調(diào)頻的激光束），通過光速及接收到反射信號(hào)的時(shí)間，即可測(cè)出環(huán)境中物體的距離。如果激光雷達(dá)一次性獲得許多距離點(diǎn)，那一般把這些距離點(diǎn)稱為三維點(diǎn)云。與結(jié)構(gòu)光法相比，采用激光雷達(dá)測(cè)試精度要略低一些，但由于其測(cè)試周期短，測(cè)距范圍大，魯棒性較好，故而這種方法適用于戶外，未知環(huán)境。目前，輪式機(jī)器人的研究中已經(jīng)大量使用激光雷達(dá)輔助機(jī)器人的避障導(dǎo)航，考慮到使用成本，一般二維激光雷達(dá)使用較多，如下圖。由于只能掃描一個(gè)平面，如果想用二維激光雷達(dá)獲取環(huán)境三維點(diǎn)云，則需要通過移動(dòng)機(jī)器人或加裝機(jī)械結(jié)構(gòu)提供第三個(gè)維度的支持。

        激光雷達(dá)掃描時(shí)可以想象成將超聲波傳感器發(fā)出的聲波替換為激光并高速回轉(zhuǎn)掃描，如此就能大概構(gòu)建出附近的物體輪廓，這個(gè)過程非常像潛艇上使用聲納探測(cè)周圍物體。當(dāng)然，由于激光雷達(dá)使用激光而不是聲波，它的探測(cè)過程不僅極短，而且能彌補(bǔ)聲波廣角發(fā)散的缺點(diǎn)（激光不易發(fā)散，錐度角很小）。激光雷達(dá)工作時(shí)會(huì)先在當(dāng)前位置發(fā)出激光并接收反射光束，解析得到距離信息，而后激光發(fā)射器會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度分辨率對(duì)應(yīng)的角度再次重復(fù)這個(gè)過程。限于物理及機(jī)械方面的限制，激光雷達(dá)通常會(huì)有一部分“盲區(qū)”。使用激光雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)通?？梢悦枥L出一幅極坐標(biāo)圖，極點(diǎn)位于雷達(dá)掃描中心，0-360°整周圓由掃描區(qū)域及盲區(qū)組成。在掃描區(qū)域中激光雷達(dá)在每個(gè)角度分辨率對(duì)應(yīng)位置解析出的距離值會(huì)被依次連接起來，這樣，通過極坐標(biāo)表示就能非常直觀地看到周圍物體的輪廓，激光雷達(dá)掃描范圍示意圖。

        激光雷達(dá)通常有四個(gè)性能衡量指標(biāo)：測(cè)距分辨率、掃描頻率（有時(shí)也用掃描周期）、角度分辨率及可視范圍。測(cè)距分辨率衡量在一個(gè)給定的距離下測(cè)距的精確程度，通常與距離真實(shí)值相差在5-20mm；掃描頻率衡量激光雷達(dá)完成一次完整掃描的快慢，通常在10Hz及以上；角度分辨率直接決定激光雷達(dá)一次完整掃描能返回多少個(gè)樣本點(diǎn)，對(duì)大多數(shù)激光雷達(dá)這個(gè)指標(biāo)在500個(gè)點(diǎn)以上；可視范圍指激光雷達(dá)完整掃描的廣角，可視范圍之外即為盲區(qū)。激光雷達(dá)一般由固定的廠商生產(chǎn)，目前機(jī)器人領(lǐng)域使用最廣泛的激光雷達(dá)由德國(guó)的SICK公司和日本的Hokuyo生產(chǎn)。這些公司生產(chǎn)出的激光雷達(dá)在測(cè)距范圍、性能、功耗及成本上各異，基本能涵蓋一般的使用需求。