在機（jī）器人領域，如果要使（shǐ）設（shè）計出的移動機器人能夠完全自（zì）主地應對複（fù）雜、未知的（de）環境，使機器人具備精細的環境感知能（néng）力（lì）就（jiù）顯得（dé）至關重要。激光雷（léi）達傳感器從最初提出就受（shòu）到廣大研究人員的關注，經曆了飛速的（de）發展，目前，已（yǐ）經基本實現了模塊化、小型化，且由於其應用範圍廣並適合戶外未知環境使用（yòng），在幫助機器人精細感知外部環境方麵逐步展現出巨大的優勢（shì），成為了移動機器人領域的（de）傳感器明星。不過，有個現實的問題，激光（guāng）雷達傳感器通常都不便宜，且三維激光雷達傳感器要比二（èr）維激光雷達傳感器貴出不少，如果手頭隻有二維激光雷達，如何去感知三維環境？

解答:

        毫無疑問，針對二維激（jī）光雷達，隻（zhī）要想辦法將（jiāng）缺失的維度通過其他方法補上，就（jiù）能變相實現三維激（jī）光雷達的效果（guǒ）。而事實上，這也正是大部分三維激光雷達（dá）的實現原理。為此，了解了如何通過二維激光雷達去感（gǎn）知三維環境，對今後直接使用三（sān）維激（jī）光雷達也大有幫助。不過，需要預先指出的（de）是激光雷達傳感（gǎn）器隻是眾多（duō）感知外部環境手段中的一種，為了拓寬大家的眼界，同時也幫助大家加深理解，本文會先跟（gēn）大家介紹一（yī）下當前主流（liú）的環境感知手段（主要是非接觸式方式）。

        1、已有（yǒu）環境感知方（fāng）法總結：

        非接觸式感知環境基本上有（yǒu）兩大類方法：主動式（shì）與被動式。二者的主要區別集中在觀測傳感器是否（fǒu）主動向環境發出（chū）探測（cè）光。基於被動觀察環境的方法的典（diǎn）型例子如立體（tǐ）視覺技術。要實（shí）現立體視覺，通常需要兩個及以上的攝像頭在不同的位置獲取環境圖像，在攝像頭（tóu）之（zhī）間相對位置已知的情（qíng）況下分析不同攝像頭返回的（de）圖像並進行像素匹配，以此（cǐ）獲得（dé）場景的深度信息。整個過程類似於人的（de）雙眼觀察並解釋（shì）場景中的物體遠（yuǎn）近（jìn）。典型的立體視覺相機及經立體視覺算法處理的場景深度圖像（xiàng）圖。

        主（zhǔ）動式觀測環境的方法要求觀測傳感器能向環境中發出已知屬性的光（guāng）掃描場（chǎng）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（xì）分為光學三角測量法、結（jié）構光法及（jí）飛行（háng）時間法。有興趣的讀者可以自（zì）己（jǐ）去找各種方法對（duì）應的文獻做個詳細的了解，此處限於篇幅，不（bú）對每（měi）種方法詳細（xì）展開討論，而是簡略地比較一下各個方法的特（tè）點並在（zài）此基礎上著重介紹一（yī）下（xià）激光（guāng）雷達傳感器。

      （1）光學三角測量法

        使用三角形（xíng）法通常需要將經過校準的激光發射器和接（jiē）收攝像頭按一定的幾何關係布置。該（gāi）方法的工作（zuò）原理是激光發射器先將已知的點狀或條狀圖樣模版投（tóu）影到場景中的物體上，接收攝像頭通過觀（guān）察投影模版並按一定的幾何（hé）關係解算，即可獲得場景中特定物體的遠近，如下圖所示。

        光學三角測量法（fǎ）最初提出開始（shǐ）就有不（bú）少針對此法的研究，大多集中在提高測試速度和測距可靠性方麵，例如（rú）有學者（zhě）專門研究了大理石紋路表麵對（duì）光學三角測（cè）量法（fǎ）可靠性的影響，還有學者試圖通過空間-時域分析方法提高測距可（kě）靠性，並給（gěi）出了光（guāng）學三角測量法的誤差模型。然而，總體來（lái）看，這種方法仍存在擾動大，可靠（kào）性較低，測試範圍小的缺（quē）點。特別是當被測對象距離變遠（yuǎn）、位置接近掃描範圍邊緣時傳感器返回的距離信息（xī）不確（què）定性明顯增大。鑒於此，光學三角測量法比較適合在室內（nèi）、已知環境下使用。

      （2）結（jié）構光法

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

        結構光法最（zuì）先提出後，就出現了大量致（zhì）力（lì）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（lái）提高立體視（shì）覺分析效果；還有學者則研究（jiū）獲取最優致密模版的方法；最近的大的突破體現在使用動（dòng）態規劃方（fāng）法解決致密圖樣模版到深度圖（tú）像的匹配問題，以及後續（xù）開發出結構光視（shì）頻法實現了對場景的三維重建。

        與光學三（sān）角測量法類似，結（jié）構光法適用於室內已知環境的掃描（miáo）。掃描（miáo）距離受投射出的致密模版所限（xiàn）製（zhì），一般較小（即便是微軟的Kinect，要獲得較好的測（cè）試（shì）效（xiào）果，最好將測試距離限（xiàn）定在4m範圍內），且測（cè）距精度隨距離的（de）增（zēng）大逐漸減小。

      （3）飛行時間法

        這種方法一般可以通過聲學或光學原理來（lái）實現，考（kǎo）慮到聲學實現存在噪聲大，掃描點存（cún）在錐度角（jiǎo）發散等缺點，本文主要考慮基於激光的實現方式，而這種傳感器一般稱為激光雷達（LADAR，取自LAser Detection And Ranging）。掃描時激光雷達會定向發出一束激光脈衝（或經調幅、調頻的激光束（shù）），通過光（guāng）速及接收到反射信號的時間，即（jí）可測出環境中物體的距離。如果激光雷達一（yī）次性獲得許多距離點，那一般把這些距離點稱為三維點雲。與（yǔ）結構光法相比，采用激（jī）光雷達測試精度要略低一些，但由於其測試周期短，測距範圍大，魯棒性較好，故而這種方法（fǎ）適用於戶外，未知（zhī）環境。目前（qián），輪式機器人的研（yán）究中已經大量使（shǐ）用激光雷達（dá）輔助機器人的（de）避障導航，考慮到使用成本，一般二維激（jī）光雷達使（shǐ）用較多（duō），如（rú）下圖。由於隻能掃（sǎo）描一個平麵，如果想用二維激光雷達獲（huò）取環（huán）境三維點雲，則需要通過移動機器人或加裝機械結（jié）構提供第三個維度的支持。

        激光雷達掃描時（shí）可以想象成（chéng）將超聲（shēng）波傳感器發出的（de）聲波替換為激光並高（gāo）速回轉掃描，如此就能大概構建（jiàn）出附近的物體輪廓（kuò），這個過程非常（cháng）像潛艇上使用聲納（nà）探測周圍物體。當然，由於激光雷達使用激光（guāng）而不是聲波，它的探測過程不（bú）僅極短，而且能（néng）彌補聲（shēng）波廣角發散的缺點（激光不易發散，錐度角很小（xiǎo））。激光雷達工作時會先在當（dāng）前位置發出激光並接（jiē）收反射光束（shù），解析得到距離信息（xī），而後激光發射器會轉過一個角度分辨率對應的角（jiǎo）度再次重複這個過程（chéng）。限（xiàn）於物理及機械方麵的限製，激光雷達通常會（huì）有一部分“盲區”。使（shǐ）用激光雷達返回的數據通常可以描繪出一幅極坐標圖，極點位於雷達掃（sǎo）描中心，0-360°整周圓由掃描區域及盲區組（zǔ）成。在掃（sǎo）描區域中激光雷（léi）達（dá）在每個角度分（fèn）辨率對應位（wèi）置解（jiě）析出的距離值（zhí）會被依次連接起來，這樣，通過極坐標表示就能非常直觀地看到周圍物體的輪廓，激（jī）光雷達掃描（miáo）範圍示（shì）意圖。

        激（jī）光雷達通常有四（sì）個性能（néng）衡量指標：測（cè）距分辨率、掃描頻率（有時也用掃描周期）、角（jiǎo）度（dù）分辨率及（jí）可視範圍。測距分辨（biàn）率衡量（liàng）在一個給定（dìng）的距離下測距的精確程度，通常與距離真實值相差在5-20mm；掃描頻率衡量激光雷達完成一次完整掃（sǎo）描的快慢，通常（cháng）在10Hz及以上；角度分辨率直（zhí）接決（jué）定激光雷（léi）達一次（cì）完整掃描能返回多少個樣本點，對大多數激光雷達這個指標在500個點（diǎn）以上；可（kě）視範圍指激光雷達完整（zhěng）掃描的廣角，可（kě）視範圍之（zhī）外即為盲區。激光雷達一般由固定的廠商生產，目前機（jī）器人領域使用（yòng）最廣泛的激光雷（léi）達由德國的SICK公司和日本的Hokuyo生產。這些公司生產出的激光雷達在測距範圍、性能、功（gōng）耗及成本上各異，基本能（néng）涵蓋一般的使用需求。