在機器人領域，如果要使設計出的移動機（jī）器人能夠完全自主地應對複雜、未知的環境，使機器人具備精細的環境感（gǎn）知能力就顯得至關重要。激光雷達傳感器從最初提出就受到廣大研究人員（yuán）的關注，經曆（lì）了飛速的發展，目前，已經基本實現（xiàn）了模（mó）塊化、小型化，且由於其應用範圍廣並適合戶外（wài）未（wèi）知（zhī）環境使用，在幫助機器人精細感知外部環境方麵逐步展現出巨大（dà）的優勢，成為了移動機器人領域的傳感器明星。不過，有個現（xiàn）實的問題，激光雷達傳感器通常都不便宜，且三維激光雷達傳感器要比二維激光雷達傳感器貴出不少，如果手頭隻（zhī）有二（èr）維激光雷達，如何去感知三維環境？

解答:

        毫無疑問，針對二維激光雷達，隻要想辦法將缺（quē）失的維度通過其他方法補上（shàng），就能變相實現三維激光雷達（dá）的效果（guǒ）。而事實上，這也正是大部分三維激光（guāng）雷達的實現原理。為此，了（le）解了如何通過二維激（jī）光雷達去感知（zhī）三維環境，對（duì）今後（hòu）直接使用三維激光雷（léi）達也大有（yǒu）幫助。不過，需要預先指出的是激光雷達傳感器隻是眾（zhòng）多感知外部（bù）環境手段中的一（yī）種，為（wéi）了拓寬大家的眼界，同時也幫助大家加深理解，本文會先跟大家介紹一下當前主流的環（huán）境感知手段（主要是非接觸式方式）。

        1、已有環境感知方法總結：

        非接觸式感知環境基本（běn）上（shàng）有兩大類方法：主（zhǔ）動式與被動式。二者的主要區別集中在觀測傳感器（qì）是否主動向環境發出探（tàn）測光。基於（yú）被動觀（guān）察環（huán）境的方法的典型（xíng）例子如立體視覺技術（shù）。要實（shí）現立體視覺，通常需要兩個及（jí）以上的攝像頭在（zài）不同的位置獲取環境圖像，在攝像頭之間相對位置已知的情況下分析不同攝像頭返回的圖像並進（jìn）行像素（sù）匹配，以此獲得場景的深度信息。整個過程類似於人的雙眼觀察並（bìng）解釋（shì）場景中的物體遠近。典型的立體視覺相機及經立體視覺（jiào）算法處理的場景深度圖（tú）像圖。

        主動式觀（guān）測環（huán）境的方法要求觀（guān）測傳感器能向環境中（zhōng）發出已（yǐ）知屬性的光掃描（miáo）場景信息並接收來自場景中物體的反射光。這種方法又可以被細分為光學三角測量法、結構光法及飛行時間法。有興趣的（de）讀者（zhě）可以自己去找各種（zhǒng）方法對應的文獻做個詳細的了（le）解，此處限於（yú）篇幅，不對每種方法詳細展開討論，而是簡略地（dì）比較一（yī）下各個方法（fǎ）的特點並（bìng）在此基礎上（shàng）著重介紹一下激光雷達傳感器。

      （1）光學三角（jiǎo）測量法

        使用（yòng）三角形法通常需要將經過校準的激光發射器和接收攝像頭按一定的幾何關（guān）係布置。該方（fāng）法的工作原理是激光發射器（qì）先（xiān）將已知的點狀或條狀圖樣（yàng）模（mó）版投影到場景中的物體上，接（jiē）收攝（shè）像頭（tóu）通過觀察（chá）投影模版並按一定的幾何關係解算，即可獲得場景中特（tè）定物體的遠近（jìn），如下圖（tú）所示。

        光學三角測量法最初提出開始就（jiù）有不少針（zhēn）對此法的研究，大多集中在提高測試速度和測距可靠性方（fāng）麵，例如有學者（zhě）專（zhuān）門研究了大理石紋路（lù）表麵對光學三（sān）角測（cè）量法可靠性的影響（xiǎng），還有學者試圖通過空（kōng）間（jiān）-時域分析（xī）方法提高測距可靠性，並給（gěi）出了光學（xué）三角測量法的誤差模型。然（rán）而，總體來看，這（zhè）種方法（fǎ）仍（réng）存在（zài）擾動大，可靠性較低，測試範圍小的（de）缺（quē）點。特別（bié）是當被測（cè）對象距（jù）離變遠、位置接近（jìn）掃描範（fàn）圍邊緣時（shí）傳感器返回（huí）的距離信息不確定（dìng）性明顯增（zēng）大。鑒（jiàn）於此，光學三角測量法比較適合在室（shì）內、已（yǐ）知環境下使用。

      （2）結構光法

        結構光法可以認為是光學（xué）三角測（cè）量法的推廣。與光學三角測量（liàng）法一次僅照射場景中幾個點或條紋相比，結構光法一次性向場景中投射致（zhì）密的圖樣模版，傳感器對應的接收相機觀察到場景（jǐng）反射的圖樣後進行密（mì）集關聯運算，最終一次性確定出一大片場景（jǐng）深度信息（xī）。微（wēi）軟公司推出的新一代Kinect體感設備，代表了該方法當前能達到的最先進（jìn）水平。

        結構光法最（zuì）先提出後，就出（chū）現（xiàn）了大量致力於提高測試速度及魯棒性的研究。譬如有學者通過增加相（xiàng）機數量來提高立體視覺分（fèn）析效果；還有學者則研究獲取最優致密模版的方法；最近的大的突破體現在使用動態規劃方法解決致密圖樣模版到深（shēn）度圖像的匹配問題，以（yǐ）及後續開發出結構光視頻法（fǎ）實現了對場景的三維重建（jiàn）。

        與光學三角測量法類似，結（jié）構光法適用於室（shì）內已知環境的掃描。掃描距離受投射出的致密模版所（suǒ）限製，一般較小（即便是微軟（ruǎn）的Kinect，要（yào）獲得（dé）較（jiào）好的測試效果，最好將測試距離限定在4m範（fàn）圍內），且測距精度隨（suí）距離的（de）增大（dà）逐（zhú）漸減小。

      （3）飛行時間法

        這種方法一般可以通過聲（shēng）學或光（guāng）學原（yuán）理來實（shí）現，考慮到聲學實現存在噪聲大，掃描點存在錐度角發散等缺點，本（běn）文（wén）主要考慮基於激光的實現方（fāng）式，而這種傳感器一般稱為激光雷達（dá）（LADAR，取自（zì）LAser Detection And Ranging）。掃描時激光雷（léi）達會定向發出（chū）一束激光脈衝（或經（jīng）調幅（fú）、調頻的激光束），通過光速及接收到反射信號的時間，即可（kě）測出環（huán）境中物體的距離。如果激光雷達一次性獲得許多距離點（diǎn），那一般把這些（xiē）距離點稱為三維點雲。與結（jié）構光法相比，采用激（jī）光雷達測（cè）試精度要略低一些，但（dàn）由於其測試周期短，測距（jù）範圍大，魯棒性較好（hǎo），故而這種方法適用於戶外，未知環境。目（mù）前，輪式機器人的研究中已經大量（liàng）使用激光雷達輔助（zhù）機器人的（de）避障導航，考慮到使用成本，一（yī）般二維激光雷達使用較多，如下圖。由於隻（zhī）能掃描（miáo）一個平麵，如果想用二（èr）維激光雷達獲取環境（jìng）三維點雲，則（zé）需（xū）要通過（guò）移動機器人或加裝機械結構提供第三個維（wéi）度的支持。

        激光雷達掃（sǎo）描（miáo）時可以（yǐ）想象成將超聲波傳感器發出的聲波替換為（wéi）激光並高速回轉（zhuǎn）掃描，如（rú）此就能大概構建出附近的物（wù）體輪廓，這個過程非常像（xiàng）潛艇上使用聲納探測周圍物體。當然（rán），由於激光雷（léi）達使用激光而不是聲（shēng）波，它（tā）的（de）探測過（guò）程不僅極短，而且能（néng）彌補聲波廣角發散的缺點（激（jī）光不易發散，錐度角很（hěn）小）。激光雷（léi）達工作時會先在當前位置發出激光並接收反射光束，解析（xī）得到距離信息，而後激光發射器會轉過一個角度分辨率對應的角度再次重複這個過程。限於物理及機械方麵的（de）限製，激光雷達通常會有一部分“盲區”。使（shǐ）用激光雷達返回的數據通常可以（yǐ）描繪出一幅極坐標圖，極點位於雷達掃描中心，0-360°整周圓由掃描（miáo）區域及盲區組成（chéng）。在（zài）掃描（miáo）區域中（zhōng）激光雷達在每（měi）個角度（dù）分辨率（lǜ）對應位置解析出的距離值會被依次連接起來，這樣，通過極（jí）坐標表示就能非常直觀地看到（dào）周圍物體的（de）輪廓，激光雷達掃描範圍示意圖（tú）。

        激光（guāng）雷達通常有四個性能衡量指標（biāo）：測距分辨率、掃描頻率（有時也用掃描周期）、角（jiǎo）度分辨率及可視範圍。測距分辨率衡量在一個給定的距離下（xià）測距的精確程度，通常與距（jù）離真實值相差在5-20mm；掃（sǎo）描（miáo）頻率衡（héng）量激光（guāng）雷達完成一次（cì）完整掃描的快慢（màn），通常在10Hz及以上；角度分辨率直接決定激光雷達一次完整掃描能返（fǎn）回（huí）多少個樣（yàng）本點，對大（dà）多數激（jī）光雷達這個指標在500個點以上；可視（shì）範圍（wéi）指激光雷達完整掃描的廣角，可（kě）視範圍之外即（jí）為盲區。激光雷達一（yī）般由固定的廠商生產，目前機器人領域使用最廣泛（fàn）的激光雷達由德國的SICK公司和日本（běn）的Hokuyo生產。這些公司生（shēng）產出的激光雷達在測距範圍、性能（néng）、功耗及（jí）成本上各異，基本能涵蓋一般的使用需求。