在機器人領域，如果要使設計出的（de）移動機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知（zhī）能力就顯得至關重（chóng）要。激光雷（léi）達傳（chuán）感器從最初提出就（jiù）受到（dào）廣大研究（jiū）人員的（de）關注，經曆了飛速的發展，目前，已經基本實現了模塊化、小（xiǎo）型化，且由於其應用範（fàn）圍廣並適合戶外未（wèi）知（zhī）環境（jìng）使用，在幫助機器人精（jīng）細感知外部環（huán）境方麵（miàn）逐步展現出巨大的優勢，成為了移動機器人領域的（de）傳（chuán）感器明星。不過，有個現實的問題，激光雷達傳感器通常都不便宜，且三維激光雷達傳感器要（yào）比二維（wéi）激光雷達傳感器貴出不少，如果手頭（tóu）隻有二維（wéi）激光雷達，如何去感知（zhī）三維環境？

解答:

        毫無疑問，針對二維激光雷達，隻要想辦（bàn）法將缺失的維（wéi）度通過其他方法補上，就能變相實現三維激光雷（léi）達的效果。而（ér）事實上，這也正是大部（bù）分三維激（jī）光雷達的實現原理。為此，了解了如（rú）何通過二維激光雷達去感知三維環境，對今後直接使（shǐ）用三維激光雷達（dá）也大有幫（bāng）助。不過，需要預先指出的是（shì）激光（guāng）雷達傳感器（qì）隻是眾多感知外部環境手（shǒu）段中的一種，為了（le）拓寬大（dà）家（jiā）的眼界，同（tóng）時也幫（bāng）助大家加深理（lǐ）解，本文（wén）會（huì）先跟大家（jiā）介紹一下當前主流的環（huán）境感知手段（主要是非接觸式方（fāng）式）。

        1、已有環境感知方法總（zǒng）結：

        非接觸式感知環境基本上有兩大類方（fāng）法（fǎ）：主動式與被動式。二（èr）者（zhě）的主要區別集中在觀測傳感器是否主動向環境發出探測光。基於被動觀察環境的方法的典（diǎn）型（xíng）例子如立體視覺技術。要實現立體視覺，通常需要兩個及以（yǐ）上的攝（shè）像頭在不同的位置獲取環境圖像，在（zài）攝像頭之間相對位（wèi）置已知的情況下分析不同攝像（xiàng）頭返回的圖像並進行像素匹配（pèi），以（yǐ）此獲得場景的深度信息。整個過程類似於人的雙眼觀察並解釋場景中的物體遠近。典型的立體視覺相機及經立體視覺算法處理的場（chǎng）景深度圖像圖。

        主動式觀測環境的方法要求觀（guān）測傳感器能向（xiàng）環境中發出已知屬性的光掃描場景信息（xī）並接收來自場景中物體的反（fǎn）射光。這種方法又（yòu）可以被細分為光學三角測量法、結構光法及飛行時間法。有興趣的讀者可以自己去找各種方法對應的文獻做個詳細（xì）的了解，此處限於篇幅，不對每種方法詳細展開討論（lùn），而是簡略地（dì）比較一下各個方法的特點並在此基礎上著重介紹一下激光雷達傳感（gǎn）器。

      （1）光學（xué）三角測量法

        使（shǐ）用三角形法通常需要將經（jīng）過校準的激光發射器和接收攝像頭按一定的幾何關係布置。該方法的工作原理（lǐ）是激（jī）光發射（shè）器先將（jiāng）已知的點狀或條狀（zhuàng）圖樣模版投影到（dào）場景（jǐng）中的物體上，接收攝像頭通過觀察（chá）投影模版並按一定（dìng）的幾何（hé）關係解算（suàn），即可獲得場（chǎng）景中特定物體的遠近，如（rú）下圖所示。

        光學三角測（cè）量法最初提出開始就有不少針對此法的研究，大多（duō）集中（zhōng）在提高測試速度和測距（jù）可靠性方麵，例如有學者專門研（yán）究了大理石紋（wén）路表麵對光學（xué）三角測量法可靠性的影響，還有學者試圖通過（guò）空間-時域分析（xī）方法提高測距可靠性，並給出（chū）了光學三角測量法的誤差（chà）模型。然而，總體來看，這種方法仍存在擾動大，可靠性較低，測試範圍小的缺點（diǎn）。特別是當被測對象距離變遠、位置接近掃描範圍邊緣時傳感器返回的（de）距離信息不確定性（xìng）明顯（xiǎn）增大。鑒於此，光學（xué）三角測量（liàng）法比較適合在（zài）室內、已（yǐ）知環境下使用。

      （2）結（jié）構光（guāng）法

        結構光法可以認為是光學三角測量法的推廣（guǎng）。與光學三角測量法一次僅照射（shè）場景中幾個點或條紋相比，結構（gòu）光法（fǎ）一次性（xìng）向場景中投射致密的圖樣模（mó）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（zuì）終一次性確定出一（yī）大片場景深度信息。微軟公司（sī）推出的（de）新一代Kinect體感設備，代（dài）表了該方（fāng）法當前能達（dá）到的最先進水平。

        結構光法最先提出後，就出（chū）現了大量致力於提（tí）高測試速度及魯棒性的研究。譬如有學者通過（guò）增加相機數量來提高（gāo）立體視覺分析效果；還有（yǒu）學者則研（yán）究獲取最優致密模（mó）版的方法；最近的大的突破體現在使（shǐ）用動態規劃方法解決致密圖樣模版到深度（dù）圖像的匹配問題，以及後續開發出結構光（guāng）視頻法實現了對場景的三維重建。

        與光學三角測量法類似，結構光法適用於室（shì）內已知環境的掃描。掃描距離受投（tóu）射出的致密模（mó）版所限製，一般較小（即便是微軟的Kinect，要（yào）獲得較好的測（cè）試（shì）效果，最好將測試距離限定在4m範圍內），且測距精度隨距離的增大逐漸減小（xiǎo）。

      （3）飛行（háng）時（shí）間法

        這種方（fāng）法一般可以通過聲（shēng）學或光（guāng）學原理（lǐ）來實現，考慮到聲學實現存在噪聲大，掃描點存在錐度角發散等（děng）缺點，本文主要考慮基於（yú）激光的實現方式（shì），而這種（zhǒng）傳感器一般稱為激光（guāng）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），通過光速及接收到反射信號的（de）時間，即可（kě）測出環境中物體的距離。如果激光雷達一次性獲得許多距離點，那（nà）一般把這些（xiē）距離點稱為三維點雲（yún）。與結（jié）構光法相比，采用激（jī）光雷（léi）達測試精度要略（luè）低一些（xiē），但（dàn）由於其測試周期短，測距範圍大，魯棒性較好，故而這種方法適用於戶外，未知環境。目前（qián），輪式機器人的（de）研究中已經大量使用激光雷達輔助機器（qì）人的避（bì）障導航，考（kǎo）慮到使用成本，一般二維激（jī）光（guāng）雷（léi）達使用較多，如下圖。由於隻（zhī）能掃描（miáo）一個平麵，如（rú）果想用二維激光雷達（dá）獲取環境三維點雲，則需要通過移動機器人或加裝機械結構提供第（dì）三個維（wéi）度的支（zhī）持。

        激光雷達掃描時（shí）可以想象成將超聲波傳感器（qì）發出的聲波替換為激光並高速回轉掃描，如此就能大（dà）概（gài）構建出附近的物體輪廓，這個過程非（fēi）常像潛艇（tǐng）上使用聲納探測周圍物體。當然（rán），由於激光雷達使用激光而不是聲（shēng）波，它的探測過程（chéng）不僅極短，而且能彌補聲波廣角發散的缺（quē）點（diǎn）（激光不易發散，錐度（dù）角很小）。激光雷達工作時會先（xiān）在當前位置發出激光並接收反射光束，解析得到距離信息，而（ér）後激光（guāng）發射器會轉過一個角度分辨率對應的角度（dù）再次（cì）重複這個過程。限於物理及機械方麵的限製，激光雷達通常會有一部分“盲區”。使用激光雷達返（fǎn）回（huí）的數據通常可以描（miáo）繪出一幅極坐標圖，極點位於雷（léi）達掃描中心（xīn），0-360°整（zhěng）周圓（yuán）由掃（sǎo）描（miáo）區（qū）域及盲區組成。在掃描區域中激光（guāng）雷（léi）達在每個角度分辨率對應（yīng）位置解析出的距離值會被依次連（lián）接（jiē）起來（lái），這（zhè）樣，通過極坐標表示（shì）就能非常直觀地看到周圍（wéi）物體的輪廓，激光（guāng）雷（léi）達掃描範圍示意圖。

        激光雷達（dá）通常有四個性能衡量指標（biāo）：測距分（fèn）辨率、掃描頻（pín）率（有時也用（yòng）掃描（miáo）周期）、角度分辨率及可視範圍。測（cè）距分辨率衡量在一個給（gěi）定的距離下（xià）測距的（de）精確程（chéng）度，通常與距離真實值相差在5-20mm；掃描頻率（lǜ）衡量激光（guāng）雷達完成一次完整掃描的快慢，通常在10Hz及以上；角（jiǎo）度分辨率（lǜ）直接決定激光雷達一次完整掃描能（néng）返回多少個樣本點，對大多數激光（guāng）雷達這個（gè）指（zhǐ）標在500個點以上；可視（shì）範圍指激光雷達完（wán）整掃描的（de）廣角，可視範圍之外即為盲區。激光雷達一般由固定（dìng）的廠商生產，目前機器人領域使（shǐ）用最廣泛的激（jī）光雷達由德（dé）國的SICK公司和日（rì）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（chéng）本上各異，基本能涵蓋一般的（de）使（shǐ）用需求。