在機器人領域，如果要使設計出（chū）的移動機器人能夠完全自主地應對複雜、未知（zhī）的環境，使機器人具（jù）備精細的環境（jìng）感知能力（lì）就顯得至關重要。激光雷達（dá）傳感器從最（zuì）初提出就受到廣大研究人員（yuán）的關（guān）注（zhù），經曆了飛速的發展，目前（qián），已經基本實（shí）現了模塊化、小型化，且由於其應用範圍廣（guǎng）並適合戶外（wài）未知環境使用，在幫助機器人（rén）精細感知外部（bù）環境方麵逐步展現出巨大的優勢，成為了移動機器人領域（yù）的傳感器明星。不過，有個（gè）現實的問題，激（jī）光雷達傳感（gǎn）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（qì）貴出不少，如果手（shǒu）頭隻（zhī）有二維激光雷（léi）達，如（rú）何去（qù）感知三維環境？

解（jiě）答:

        毫無疑問，針對二維激光雷達，隻要想辦法將缺失（shī）的維度通（tōng）過其他方（fāng）法補上（shàng），就能變相實（shí）現三維激光雷達的效果。而事實上，這也正是大部分三維激光雷達的實現原理。為此（cǐ），了解了（le）如（rú）何通過二維激光雷（léi）達去感知三維環境，對今後直接使用三維激光雷達也大有幫助。不過，需要預先指出的是激光雷達傳感器隻是眾多感知外部環境手段中（zhōng）的一種，為了拓寬大家的眼界，同時也幫助大家加深理解，本文會先跟大家介（jiè）紹一下當前主流的環境感知手段（主要是非（fēi）接觸式方式）。

        1、已有環境（jìng）感知方法總結：

        非接觸式感知環境基本上有兩大類方法：主動式與（yǔ）被動式（shì）。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型例子如立體視覺技術。要實現立體視覺，通常需要（yào）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行像素匹配，以此（cǐ）獲（huò）得場景的深度信息（xī）。整個過程類似於人的雙（shuāng）眼觀察並解釋（shì）場景中的物體遠近。典型的立體視覺相機及經立體視覺算法處理的場景深度（dù）圖像圖。

        主動式觀測（cè）環境的方（fāng）法（fǎ）要求觀測傳感器能向環境中發出已（yǐ）知屬性的光掃描場景（jǐng）信息並接收來自場景中物體的反射（shè）光。這種方法又可（kě）以被細分為光學三角測量（liàng）法（fǎ）、結構光法及飛行時間法。有興趣的讀者可以（yǐ）自己去找各種方法對應的文（wén）獻做個詳細的（de）了解，此處限於（yú）篇幅，不對每種方法詳細展開討論，而是簡略地比較一下各個方法（fǎ）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（cè）量（liàng）法

        使用三（sān）角形法通（tōng）常需要將經（jīng）過校準的激光發射器和接收攝（shè）像頭按（àn）一定的幾何關係（xì）布置。該方法的工作原理是激光發（fā）射器先將已知的點狀或條狀圖樣（yàng）模版投影到場（chǎng）景中的物體上，接（jiē）收攝像頭通（tōng）過觀察投影模版並按一定的幾何關（guān）係解算，即可獲得（dé）場景中（zhōng）特定物體的遠近，如下圖所示（shì）。

        光學三角測量法最初提出開始就有不少針對此法的研究，大多集中在提高測試速度和（hé）測距可靠性（xìng）方麵，例如有學（xué）者專門研究了大理石紋路表麵對光學三角測量法可靠性的影響，還有學者試圖通過空間（jiān）-時域分析方法提高測距可靠性，並（bìng）給出了光學三角測量（liàng）法的誤差模型。然而，總體（tǐ）來看，這種方（fāng）法（fǎ）仍存在擾動大（dà），可靠性較（jiào）低，測試範圍小的（de）缺點。特別是當被測對象距離變遠、位置（zhì）接近掃描範圍邊緣（yuán）時傳感器返回的距離信息不確定性明顯增大。鑒於此，光學三角測量法比較適合在室內、已知環境下使用。

      （2）結構光法

        結構光法可以認為是（shì）光學三角測量法的推廣。與光學三角測量法一次僅（jǐn）照射場景中幾個點或（huò）條紋相比，結構光法一次性向場景中投射致密的圖樣模（mó）版，傳感（gǎn）器對應的接收（shōu）相機觀察到場景（jǐng）反射的圖樣後進行（háng）密集關聯運算，最終一次性確定出一（yī）大片場景深度信息。微軟（ruǎn）公（gōng）司推出的新一代Kinect體感設備（bèi），代表了該方（fāng）法當前能達到的最先（xiān）進水平。

        結（jié）構光法最先提出（chū）後，就出現（xiàn）了大量致力於提高測試（shì）速度及魯棒性的研究。譬如有學者通過增加相機數量來提高立體視覺（jiào）分析效（xiào）果；還（hái）有學者則研究獲取最優致密（mì）模版的方法；最近的大的突破體（tǐ）現在使（shǐ）用動態規劃方法解決致（zhì）密圖樣模版到深度圖像的匹（pǐ）配問題，以及後續開發出結構光視（shì）頻法實現了對場景的三維重建。

        與光學三角測量法類似，結構光法適（shì）用於室內已（yǐ）知環境的掃描。掃描距（jù）離受投射出的（de）致密（mì）模版所限製，一般（bān）較小（即（jí）便（biàn）是微（wēi）軟（ruǎn）的Kinect，要獲（huò）得較好的測試效果，最好將測（cè）試距離（lí）限定在4m範圍內），且測距精度隨距離的增大逐漸減小。

      （3）飛行時間（jiān）法

        這種方法（fǎ）一般可以通過聲（shēng）學或光學原理來實現，考慮到聲學實現存在噪聲大，掃描點存在錐度角發散等缺點，本文主要考慮基於激光的（de）實現方式，而這（zhè）種（zhǒng）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（chū）一束激光脈衝（或經調幅、調頻（pín）的激光束），通過光速及接收到反射信號的（de）時間，即可測出環境中物體（tǐ）的距離（lí）。如果激光雷達一次性獲（huò）得（dé）許多距離點，那一般把這些距離點稱為三維點雲。與結構光法相比，采（cǎi）用激光雷達測（cè）試精度要略低一些，但（dàn）由於其測試周期短，測距範圍大，魯（lǔ）棒（bàng）性較（jiào）好（hǎo），故而這種方法適用於戶（hù）外，未知環境。目前（qián），輪式機器（qì）人的研究中已經大量使用激光雷達輔助機器（qì）人的避障導航，考慮到（dào）使用成本（běn），一（yī）般二維（wéi）激光雷（léi）達使（shǐ）用（yòng）較（jiào）多，如下（xià）圖。由於隻能掃描一個平麵，如果想用二維激（jī）光雷達（dá）獲（huò）取環境三維點雲，則需要通過移動（dòng）機器（qì）人或加裝（zhuāng）機械結構提供第三個維度（dù）的（de）支持。

        激光雷達掃描時可以想象（xiàng）成將（jiāng）超聲波傳感器發出的聲（shēng）波替（tì）換為激光並高速回（huí）轉掃描，如（rú）此就能大（dà）概構建出附近（jìn）的（de）物體輪廓（kuò），這個過程非常像潛艇上使用聲納（nà）探測周圍物體。當然，由於激光雷達使用激光而（ér）不是聲波，它的探（tàn）測過（guò）程不僅極短，而且能彌補聲波廣角發散的缺點（激光不易發散，錐度（dù）角很小（xiǎo））。激光雷達工作（zuò）時會先在當前位置發出激（jī）光並（bìng）接收反射光束（shù），解析得到距離（lí）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限製，激光雷達通（tōng）常（cháng）會有一部（bù）分“盲區”。使用激光雷達（dá）返回的數據通常可以描（miáo）繪出（chū）一幅極（jí）坐標圖，極點位於雷達掃描中心，0-360°整周圓由掃描區域及盲（máng）區組成（chéng）。在掃描區域中（zhōng）激光雷（léi）達在每個角度分（fèn）辨率對應位置解析出的距（jù）離值會被依（yī）次連接起來，這樣，通過極坐標表示就（jiù）能非常直觀地（dì）看到周圍物體的輪廓，激光雷達掃描範圍示意圖。

        激光（guāng）雷達通常有四個性能衡量指標：測距分辨率、掃描頻率（有時也用掃描周期）、角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測距（jù）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（kuài）慢，通常在10Hz及以上；角度分辨率直接決（jué）定激光雷達一次完整掃描能返回多少個樣本點，對大多數激光雷達這（zhè）個指標在（zài）500個（gè）點以上；可視（shì）範圍指激光雷（léi）達完整掃描的廣角，可視範圍之外即為盲區。激光雷達一般（bān）由固定的廠商生產，目前機器人領域使用最廣泛的激光（guāng）雷達（dá）由德國的（de）SICK公司和日本的Hokuyo生產。這些公司（sī）生產（chǎn）出的激光雷達（dá）在測（cè）距範圍、性（xìng）能、功耗及成本上各異，基本能（néng）涵蓋一般的使用需求（qiú）。